Диссертация (1091617), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Манометрические датчики OxiTop для определения БПКМанометрический метод очень распространен в промышленномсекторе, поскольку прост в использовании и позволяют измерять БПК вобразцах с высоким уровнем органических соединений без разбавления (0700 мг/дм3 по сравнению с 0-6 мг/ дм3 стандартного метода), чтодостигается с помощью конструкции прибора улавливающей большойобъем кислорода [1] .1.2 Методы определения БПК с использованием биосенсоровСогласно определению Международного Союза по чистой иприкладной химии (IUPAC), биосенсор (biosensor) – это интегральнаясистема, которая способна воспринимать и преобразовывать специфичнуюколичественную или полуколичественную аналитическую информацию сиспользованием(биохимическогопреобразователембиологическогорецептора),[8].распознающегонаходящегосяБиосенсорвпредставляеттесномсобойэлементаконтактескомбинациюбиологического компонента и инструментального средства измерения(физико-химического анализатора).
Принцип детекции, реализованный вбиосенсорах, основан на том, что биоматериал, иммобилизованный нафизическомдатчике(преобразователе),21привзаимодействиисопределяемым соединением генерирует зависимый от его концентрациисигнал, который регистрируется преобразователем того или иного типа ипосле обработки данных представляется в численном виде [9].Исследования по созданию БПК – биосенсоров проводятся с конца70-х годов прошлого века [10-11], но разработки таких системинтенсивно продолжаются и в настоящее время [1,3]. Следует отметить,что с помощью биосенсоров возможно быстрое определение БПК(БПКбс), которое не всегда идентично величине традиционного БПК5.
Впоследнее время развиваются новые подходы в биосенсорном анализеБПК, которые позволяют достичь приемлемой корреляции междупоказаниями биосенсора и традиционных методов. Корреляция данных,полученных с помощью биосенсорного анализатора, с данными,полученными методом БПК5, могут иметь значения порядка 0,67 – 0,99[1].1.2.1 Типы БПК-биосенсоров в зависимости от вида преобразователя1.2.1.1 Биосенсоры на основе биолюминисцентных бактерийПринцип работы БПК-биосенсоров на основе биолюминисцентныхбактерий основан на том, что биолюминесцентное излучение коррелируетс энергией, полученной от утилизации источника углерода в аэробныхусловиях ииндекс БПК оценивается по интенсивности излучениябиолюминесценции. В статье [12] описано применение рекомбинантныхбактерий Escherichia coli, содержащих гены luxCDABE для определенияБПК в течение 2 часов с корреляцией данных R2 = 0,674.
Для улучшениякорреляции (R2= 0,995) и уменьшения времени отклика (25 минут) в работе[13] использован природный биолюминесцентный штамм Photobacteriumphosphoreum. Ограничением при создании биолюминисцентных БПКбиосенсоров является сложность реакции биолюминесценции, так какреакцию регулируют многие внутриклеточные и внеклеточные факторы,которые могут повлиять на оценку индекса БПК.
Кроме этого,22биолюминисцентные бактерии чаще всего окисляют достаточно узкийкруг органических субстратов, что снижает коэффициент корреляции.1.2.1.2 Микробные биотопливные элементыДля устранения кислородного ограничения реакции биодеградации,некоторые научно-исследовательские группы работают над развитиемБПК биосенсоров на основе технологии биотопливного элемента (БТЭ).БТЭ состоит из анаэробного с анодом (отрицательный электрод) иаэробного с катодом (положительный электрод) отсеков, разделенныхпротоннообменной мембраной. В анаэробной ячейке микроорганизмыразлагают органические вещества и генерируют электроны и протоны.Протоны мигрируют из анодного отсека в катодную ячейку черезмембрану, в то время как электроны проходят от анода к катоду черезвнешнюю электрическую схему, где кислород восстанавливается собразованиемH2O.Потокгенерируетизмеряемыйэлектроновток,черезэлектрическуюпропорциональныйцепьмикробнойбиодеградационной активности, что позволяет оценить значение БПК вобразце [1].В публикациях [14-16] описаны БТЭ обладающие хорошейкорреляцией со значениями БПК5, полученными стандартной методикой(R2= 0,95-0,98), однако, в большинстве случаев, оценка выполнена толькона 3-5 пробах сточных вод.
Большинство описанных БТЭ для определенияБПК разрабатываются на основе бактериальных штаммов, что сужаетспектр окисляемых субстратов в сравнении с дрожжами, и тем самым непозволяет окислять все органические вещества, входящие в состав сточныхвод [17].1.2.1.3 Амперометрические БПК-биосенсоры23Большинство разработок связаны с созданием амперометрическихбиосенсоров двух типов: медиаторных биосенсоров и биосеснсоров наоснове кислородного электрода Кларка.1.2.1.3.1 Электрохимические БПК-биосенсоры на основе редоксмедиаторовМедиаторные биосенсоры разработаны на основе технологии БТЭ.Электрохимический медиатор добавляют в анодную ячейку, где во времяметаболического окисления органических веществ он восстанавливается[1].
Первые биосенсоры медиаторного типа на основе бактерий E.coli иPseudomonas fluorescens, описанные в 2000 году [18], основаны наэлектрохимическом восстановлении гексацианоферрата (III) калиядогексацианоферрата (II) калия, происходящем с увеличение силы тока.Разработки медиаторных БПК-биосенсоров продолжаются и в настоящеевремя [1, 19-20]и идут по нескольким направлением: подборэффективных медиаторных систем (одно-, двух- медиаторные системы),выбор эффективных биокатализаторов.1.2.3.1.2 Амперометрические БПК-биосенсоры на основе кислородногоэлектродаЭто наиболее часто встречаемый в литературе тип БПК-биосенсороввпервые описанный Карубе в 1977 году [10]. Принцип этого методаоснованнапотреблениикислородаиммобилизованнымимикроорганизмами в процессе окисления субстрата,что позволяет, содной стороны, сократить время анализа образца (по сравнению сбиотопливными элементами), а, с другой стороны, упростить анализ (посравнению с амперометрическими биосенсорами медиаторного типа).По типу иммобилизации биоматериала все БПК-биосенсоры наоснове кислородного электрода можно разделить на три группы.
В первой24группе иммобилизация происходит за счет включения микроорганизмоввнутрь полимерной сетки на основе альгината, агарозы, поли (карбамоил)сульфоната, силикагеля,поливиниловыйкомпозитного золь-геля (диоксид кремния испирт),оксидаалюминиязоль-геля,смолы,поливинилового спирта, полиуретана [1]. Все эти полимеры являютсябиосовместимыми и имеют низкую токсичность для микроорганизмов.Выбор полимерного носителя зависит от условий их применения и типамикроорганизмов.
Вторым типом иммобилизации является удерживаниебиоматериала за некоторой полимерной мембраной (например, диализнаяи тефлонная мембраны, мембраны из ацетата целлюлозы, поликарбоната идругие). Последний метод микробной иммобилизации представляет собойадсорбцию клеток на твердой подложке, например, на пористой мембране(целлюлоза, стекловолокно или нейлон).Для всех описанных БПК биосенсоров на основе кислородногоэлектродапродолжительностьанализанепревышает90минут(минимальная продолжительность составляет 3 минуты).
В большинствеслучаев (около 60%) разрабатываются БПК биосенсоры на основе толькоодного штамма микроорганизмов (из которых 65% - на основе дрожжевыхмикроорганизмов, а 35% на основе бактерий) вместо микробнойассоциации (активный ил), как в стандартном методе. Однако в третиопубликованныхработнеприведенакорреляциярезультатовсостандартным методом, либо коээфициент корреляции составляет менее0,6 [1].1.2.2 Тип биологического материала используемого в БПК-биосенсорахПо типу используемого биологического материала БПК-биосенсорыделятся на два вида: биосенсоры на основе микробной популяции (как и встандартном методе) или индивидуальной культуры. Использованиеассоциаций позволяет расширить спектр окисляемых органическихсоединений с одной стороны, а с другой стороны, такие сенсоры обладают25низкойвоспроизводимостью,операционнойидолговременнойстабильностью [21]. C другой стороны, использование только одногомикроорганизма (бактерий или дрожжей) улучшает воспроизводимостьизмерений, но ограничивает биологический потенциал биодеградации [1].Некоторыеавторырешаютпроблемуспомощьюпримененияискусственных микробных ассоциаций 2-4 штаммов [22], чтобы получитьдатчик, сочетающий хорошую воспроизводимость с большой субстратнойспецифичностью.Однакотакиемноговидовыесмеситрудноподдерживать в течение длительного времени из-за их конкуренции засубстрат.Альтернативой может быть использование нескольких отдельныхмикроорганизмов, что позволит сохранить высокую биодеградационнуюактивностьиодновременножизнидеятельности [23].упроститпроцессподдержанияВ статье показано использование микробныхпанелей, состоящих из 7-ми штаммов (Pseudomonas fluorescens, Aeromonashydrophila,Pseudomonasputida,Escherichiacoli,Paenibacillus sp., Microbacterium phyllosphaerae)Bacillussubtilis,используемых поотдельности.
Данные, представленные для каждого штамма, одновременноанализируются и подвергаются статистической обработке.Полученныезначения БПК полностью коррелируют с БПК7 измеренным стандартнымметодом (R2=1; 30 проб).1.2.2.1 Биосенсоры на основе индивидуальных культурДля создания биораспознающих элементов БПК – сенсоровиспользуют индивидуальные культуры с определенными свойствами(широкий спектр окисляемых субстратов, устойчивость к воздействиюнегативных факторов окружающей среды или специфичность в отношенииопределенныхстоков).Известноиспользованиевкачествебиокатализаторов целых клеток бактерий (Bacillus polymyxa, Bacillussubtilis, Pseudomonas putida), либо дрожжей (Arxula adeninivorans, Hansenula26anomala,Klebsiella,Candida,Trichosporon,Serratiamarcescens,Saccharomyces cerevisiae).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
