III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

В результате бытовой и интенсивной промышленной деятельности человека в последнее время происходит нарастающее по масштабам загрязнение водоемов рек, озер, и водохранилищ. Для оценки степени загрязненности воды в настоящее время применяется параметр, определенный как индекс биохимического потребления кислорода (БПК). Существующий метод определения БПК основан на тестах, минимальная продолжительность которых составляет 5 суток. В настоящее время все предприятия и водоочистные сооружения РФ используют для повседневного анализа сточных вод  стандартный метод. В связи с этим актуальной является задача разработки методов биохимической диагностики загрязнения, сочетающих чувствительность методов биотестирования и операционные характеристики химических сенсоров.

В проекте предлагается разработка прибора, предназначенного для экспресс-оценки индекса БПК. В основу прибора положена автоматизированная многоканальная биосенсорная установка амперометрического типа, интегрированная с персональным компьютером. Датчиками являются кислородные электроды с иммобилизованными клетками микроорганизмов. В работе были использованы дрожжевые штаммы Candida maltosa BKM-Y-2359, Candida blankii ВКМ Y-2675 и Debaryomyces hansenii BKM Y-2482. Штаммы получены во Всероссийской коллекции микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН в городе Пущино.

В ходе выполнения работы определены кинетические параметры (удельная скорость роста клеточной культуры, предельная максимальная удельная скорость роста, константа, характеризующая сродство субстрата к клеткам культуры) роста культуры дрожжевых штаммов. Установлено, что у дрожжей Debaryamyces hansenii сродство к ростовым субстратам выше, чем у остальных дрожжей.

С использованием модельной системы на основе глюкозо-глутаматной смеси определены аналитические и метрологические характеристики биосенсора на основе используемых дрожжевых штаммов. По большинству параметров (операционная и долговременная стабильности, субстратная специфичность, широкий рабочий диапазон концентраций, чувствительность) наилучшие значения показал биосенсор на основе дрожжей Debaryamyces hansenii.

Изучено влияние негативных факторов (рН, ионой силы, соединений тяжелых металлов) на окислительную активность иммобилизованных дрожжей в биораспознающем элементе биосенсора. Выявлено, что дрожжи Candida maltosa не меняют активности в диапазоне рН (6-7), а у дрожжей Debaryamyces hansenii и Candida blankii  наблюдается экстремальный характер зависимости в области рН 7. Увеличение ионной силы раствора (до 132 мМ) практически не изменяет активности дрожжей Debaryamyces hansenii и Candida blankii, но снижает дыхательную активность Candida maltosa. Показано, что присутствие в среде ионов Ni²⁺ и Cr₂O₇^2- в диапазоне концентраций 0 - 6·10^-4 моль/дм³ не оказывает существенного влияния на окислительную способность на Candida maltosa и Debaryomyces hansenii, а Candida blankii подвергается негативному воздействию соединений тяжёлых металлов.

Проведено сравнительное определение БПК сточных вод очистных сооружений стандартным методом и с применением разработанных биосенсоров.  Впервые показано, что использование дрожжевых клеток Debaryamyces hansenii как основы рецепторного элемента биосенсора для определения БПК стоков очистных сооружений позволяет получать данные с высокой корреляцией к стандартному методу, ошибка составила не более 7% (стандартный метод не более 13%).

Время анализа с использованием данного оборудования не превышает 10 мин. Для измерения не требуется привлечения высокоспециализированного персонала. Следует отметить так же возможность повышения уровня автоматизации производства при использования данной аппаратуры. Применение новой методики не только не приведет к снижению, но и повысит такие параметры анализа как точность и чувствительность.

Анализаторы нового поколения могут быть использованы для оснащения промышленных предприятий и систем водоочистки РФ, для использования Станциями санитарно-эпидемиологического контроля, службами МЧС, МинПрироды, экологическими структурами.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 г.), госконтракт № 02.740.11.0296 и № П551.