Диссертация (1091617), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Дрожжи являются более предпочтительнымбиоматериалом для биосенсоров почти всех типов, поскольку устойчивы кнегативным факторам окружающей среды и могут функционировать враспознающем элементе биосенсора длительное время [24-25]. В то жевремядрожжевыекультурыподверженыконтаминациисильнеебактериальных.Одним из микроорганизмов, наиболее часто используемых в составеБПК-сенсоров, является Trichosporon cutaneum [26-27]. Разными авторамиопубликовано не менее десяти работ, посвященных созданию БПКсенсоров на его основе; кроме того, он используется в ряде коммерческиханализаторов БПК. Пример подобного сенсора описан в работе [27].Созданный прибор позволял определять БПК в диапазоне 0,2-18 мг/л.Время жизни биорецептора составляло 3 суток. Разброс показаний приизмеренииидентичныхобразцовнепревышал8%.
Сенсорбылиспользован для анализа промышленных и муниципальных сточных вод.Сенсоры на основе клеток солетолерантных дрожжей Arxulaadeninivorans описаны в работах [3,28]. Сенсор характеризовался высокимсовпадением результатов с данными, полученными по страндартнойметодике определения БПК5, что позволило использовать его дляопределения БПК в коммунальных и промышленных сточных водах изразличных источников, в том числе в стоках с высоким содержанием солей[3]. Повышенная чувствительность, стабильность и точность работысенсора были продемонстрированы при использовании мицелиальнойформы A. adeninivorans [28].Таблица 3. Основные характеристики БПК-биосенсоров на основеразличных микроорганизмовМикроорганизм ТипиммобилизацииВремя, Корреляция с БПК5минR2Sn27Типсточных ссылкавод/диапазонопределенияБПКМикроорганизм ТипиммобилизацииВремя, Корреляция с БПК5минR2SnAeromonashydrophylaВключениеагарозув 20PseudomonasfluorescensВключениеагарозув 20PseudomonasputidaКапсулированиеPseudomonasfluorescensБактерии0,530,3660,2410,375615-450,95-10Капсулирование15-450,97-10GluconobacteroxydansИммобилизация адсорбцией7-100,960,2810Bacillus subtilis--0,9851,347-Bacillus subtilisПолупроницае 50,978мая мембранамедиаторный15-20 0,96биосенсор наосновеферрицианидаДрожжиВключение в > 101золь-гелькомпозициюKlebsiellapneumoniaeTrichosporoncutaneumTrichosporoncutaneumArxulaadeninivoransArxulaadeninivoransHansenulaanomalaСточные водымясоперерабатывающихпредприятий /5- 45 мг/дм3Сточные водымясоперерабатывающихпредприятий /5- 40 мг/дм3Фенолсодержащиесточные воды /0-50 мг/дм3Фенолсодержащиесточные воды /0-65 мг/дм3Сточные водыпищевойпромышленности / 2-20 мг/дм3Бытовыесточные воды5-30 мг/дм3[23][23][32][32][3][30][31]--Муниципальны [29]е сточные воды/ 30 - 500 мг/дм30,92535Синтетические [27]ибытовыесточные воды /0,2-18 мг/дм3Бытовые[1]сточные водыБытовые[28]сточные водыВключение в 3-10ПВСВключение в 1,5поликарбомоилсульфонатИммобилизаци 8-12я адсорбцией0,9270,95120,881,04160,980,839Каплулирован 13-20ие в ацетатцеллюлозы10,9521228Типсточных ссылкавод/диапазонопределенияБПКСточные воды [3]пищевойпромышленности/1,5–12мг/дм3Речнаявода, [1]пищевыеотходыМикроорганизм ТипиммобилизацииSaccharomycescerevisiaeGelrGONR-MВремя, Корреляция с БПК5минR2SnКапсулирован ие в кальцийальгинатГидрогель3окисленногографена0,95-60,9810,908Типсточных ссылкавод/диапазонопределенияБПКБытовые[24]сточные водыБытовыесточные воды /2-64 мг/дм3[19]S – коэффициент чувствительности, R2 - коэффициент корреляцииданных полученных биосенсорным и стандартным методом, n –количество образцов.В работе [32] показано применение микробных сенсоров на основеPseudomonas putida P67.2 и Pseudomonas fluorescens P75 для измеренийБПК в фенол-содержащих сточных водах, которые имитируют сточныеводы сланцевой промышленности.
Предварительная подготовка датчика врастворефенола(БПК=5мг/дм3)значительноповышаетчувствительность датчика к фенолу (52%). Это исследование показывает,что предварительная подготовка микробных датчиков, со специальновыбранными культурами, в растворе фенолаулучшает результатыбыстрого определения БПК в конкретных сточных водах.Выбор правильного стандарта для калибровки БПК-биосенсораявляется одним из ключевых факторов, определяющих корреляцию междуБПКбс и БПК5. В качестве растворов для калибровки биосенсора обычноиспользуется раствор смеси глюкозы и глутаминовой кислоты (ГГС,глюкозо-глютаматная смесь) с суммарной концентрацией 300 мг/дм3(глюкоза – 150 и глютаминовая кислота – 150 мг/дм3), что соответсвуетБПК5 205 мг/дм3.Несмотря на то, что ГГС широко используется вкачестве стандарта для классического метода измерения БПК [7, 33-34],эта смесь не удовлетворяет условиям калибровки микробных БПКдатчиков.Во-первыхГГСявляетсянеустойчивойиз-забыстрогомикробного загрязнения, во-вторых, скорость окисления глутаминовойкислоты микроорганизмами уменьшается в присутствии глюкозы, что29практически не сказывается на 5-суточном анализе, но может сильновлиять на результаты экспресс-анализа.
В-третьих, ГГС состоит только издвух легкоокисляемых компонентов, а реальные сточные воды являютсясложнойсмесьюкомпонентов,преимущественносневысокимискоростями окисления, поэтому калибровка биосенсоров по ГГСстандарту может давать недостоверные результаты [35].В настоящее время значительное внимание уделяют разработкекалибровочных растворов – синтетических сточных вод, которые содержатпримерный перечень тех соединений, которые являются основнымикомпонентами анализируемых образцов воды [1,35-36].
Наиболее широкоиспользуютсяОрганизациейсинтетическиесточныеводы,рекомендованныеЭкономического Сотрудничества и Развития (OECD),основными компонентами которых являются: пептон, мясной экстракт,мочевина и различные неорганические соли [37]. По сравнению скалибровкой при помощи ГГС, калибровка биосенсора с использованиемстандарта OECD позволяет значительно улучшитькорреляцию междуБПКбс и БПК5 [35].Многокомпонентный состав OECD-синтетических сточных вод, вотличие от двухкомпонентного состава глюкозо-глутаматной смеси (ГГС),дает возможность анализировать сточные воды разнообразных категорий.Например, в статье [36] описан биосенсор для оценки БПК сточных вод свысоким содержанием жира. Бактерии Aeromonas hydrophila P69.1 былииспользованы для создания полу-специфичного биосенсора для оценкибиохимического потребления кислорода (БПК).
Клетки А. hydrophilaвыращивали в среде, содержащей жир, чтобы вызвать образованиенеобходимых ферментов для транспорта и деградации жирных веществ.Для сравнения был использован универсальный биосенсор на основенеспецифичных бактерий Pseudomonas fluorescens P75. Биосенсоры былиоткалиброваны с помощью синтетических сточных вод (OECD) и ГГСстандарта. Долговременная стабильность сенсоров на основе бактерий A.30hydrophila и P.fluorescensсоставила110и115днейсоответственно. Время отклика биосенсоров зависело от БПК и составлялодо 20 мин при анализе различных сточных вод.
Оба биосенсора занижалиБПК в сточных водах мясоперерабатывающих предприятий с 43% до 71%,но более точные результаты были получены с использованием биосенсорана основе бактерий A. hydrophila.Применение различных стандартов позволяет моделировать иподбирать состав наиболее близкий к составу реальных образцов сточныхвод.
Наряду с использованием OECD и ГГС стандартов во многихзарубежных статьях описаны и другие синтетические сточные воды, ихсостав и свойства. Так в статье Xiufen Li описано применениесинтетической сточной воды на основе следующих компонентов: глюкоза,протеин и неорганические соли. Показатель ХПК составил 300±150 мг/л.[38]1.2.2.2 Биосенсоры на основе ассоциаций микроорганизмовДля увеличения количества окисляемых субстратов используютассоциации микроорганизмов, чаще всего состоящие из двух штаммов,например Trichosporon cutaneum и Bacillus licheniformis [26].
Как ибольшинство ранее описанных БПК – сенсоров, которые разрабатывалисьс целью улучшения сходимости и операционной стабильности, в данномбиораспознающемэлементеиспользовалисмесьиздвухидентифицированных штаммов. Это привело к расширению субстратнойспецифичности и стабилизации функционирования сенсора в течениедлительного периода.БПК – сенсоры, основанные на сложной микробнойпопуляции,такой как в активном иле и микробных консорциумах, имеют высокуюспособность к детекции широкого спектра субстратов. Однако из-занестабильности композиции в консорциуме в течение времени частонаблюдается нестабильная работа сенсора.31В работе [39] описано успешное использование активного ила вкачестве биокатализатора в быстром методе определения БПК сиспользованиемферрицианидаактивногобылаила(FM-BOD).оптимизированадляПроцедуратрехподготовкипотенциальныхбиокатализаторов: ила из аэротенка, ила из осадка аэробного реактора ирегенерированногоактивногоила.После24часовголодарегенерированный активный ил и ил из аэротенка показали самые высокиепоказатели окисления стандарта ГГС.
Рабочий диапазон составил до 170мг/л БПК5 для стандарта OECD и 300 мг/л БПК5 для ГГС. Этозначительное улучшение по сравнению с другими методами быстрогоанализа БПК. Высокие значения коэффициента корреляция с стандартнымметодом БПК5 (n = 35, p < 0.001, R = 0.952) наблюдались для широкогоразнообразия реальных образцов сточных вод. Средняя эффективностьдеградации не отличалась от наблюдаемой для стандартного БПК5 анализа.Эти результаты показывают, что активный ил в FM-BOD анализе можетбыть использован для простого ежедневного анализа сточных вод.Разработана биосенсорная система для контроля анаэробныхпроцессов и определения высокого уровня БПК в образцах сточных вод отфабрики обрабатывающей концентрированный каучук [40].
В качестверецепторногоэлементаБПК-биосенсораиспользовалисьиммобилизованная смесь микроорганизмов. В качестве смеси длякалибровки БПК-биосенсора использовались синтетические сточные воды.Время ответа биосенсора составляло 10 – 15 минут. Был достигнутвысокий уровень корреляции со стандартным методом, разница междузначениями БПК составила менее 10%. Однако при использованииразработанного биосенсора для анализа сточных вод другого производствауровень корреляции со стандартным методом был очень низкий.Таблица 4. Основные характеристики БПК-биосенсоров на основеассоциаций микроорганизмов32МикроорганизмТипВремя Корреляцияиммобилизаци , минБПК5инаR2Sкислородномэлектроде иливидбиосенсораИскуственные ассоциацииВключение в >1010,92золь-гель53композициюTrichosporoncutaneumи BacillussubtilisBacillusВключение в 200,9930,89licheniformis,модифицирова6Dietzia maris инный ПВСMarinobactermarinusTrichosporonКапсулирова5-10cutaneumи ние в полиBacillusкарбонатнуюlicheniformisмембрануЕстественные ассоциацииМикробнаяАдсорбция на 100,9997 1,04популяциянейлонеизолированнаяиз сточных водМикробнаяБиопленка на 6-80,9830,96популяциястеклянной9изолированнаятрубкеиз сточных водМикробнаяВключение в 100,9711,06популяциязоль-гелькомпозициюАктивный илВключение в 15-30 0,9840,91золь-гель5композициюАктивный илКапсулирован 200,1831,05иевдиализную итефлоновуюмембраныРегенинированн Медиаторный 200.952ый активный ил биосенсор(феррицианид)КонсорциумМедиаторный >300(анаэробные и биосенсоранаэробныемикроорганизмы)КонсорциумМедиаторный 40(первичныйбиосенсоротстойник)33с Типсточных ссывод/диапазонлкаопределенияnБПК5Синтетические [24]ибытовыесточные воды10Морская вода[1]--[24]5Индустриальные сточные воды[38]40Бытовыеи [29]пищевыесточные воды11Бытовыесточные воды28Синтетические [1]ибытовыесточные водыСинтетические, [19]пищевыеибытовыесточные воды1135--[29]Различные[37]сточные воды /до 170 мг/дм3Различные[2]сточные воды/32-1280 мг/дм3Различные[1]сточные воды/10-250 мг/дм3МикроорганизмКонсорциум(анаэробыактивного ила)РечнойконсорциумТипВремяиммобилизаци , мининакислородномэлектроде иливидбиосенсораМедиаторный 40-120биосенсорКорреляцияБПК5R2Sс Типсточных ссывод/диапазонлкаопределенияnБПК---Медиаторныйбиосенсор---60Различные[18]сточные воды/50-400 мг/дм3Речная вода/ 2- [2]10 мг/дм31.2.3 Коммерческие БПК-биосенсорыБольшая часть из описанных в литературе биосенсоров так иостались на стадии лабораторной модели, однако к настоящему времениимеется несколько коммерциализированных моделей БПК-биосенсоров.Первые коммерческие БПК-биосенсоры были основаны на кислородномэлектроде типа «Кларка», а в качестве рецепторного элемента применялсяактивный ил [35].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
