УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОДЫ БИОРАЗЛОГАЕМЫМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями относится к области экологии и может быть использовано для контроля процессов очистки сточной воды и состояния поверхностных вод.
5
полн
5
3
При мониторинге объектов окружающей среды, важной характеристикой степени загрязненности воды биоразлогаемыми органическими веществами является индекс биохимического потребления кислорода (БПК). Продолжительность стандартного метода определения БПК составляет минимум 5 суток (для определения БПК) [ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах. - М.: 1997. - 25 с.], что может стать причиной попадания загрязняющих веществ в природные водоемы. Ввиду длительности стандартного способа анализа возможны экологически опасные ситуации, поэтому интенсивно разрабатываются экспресс-анализаторы БПК, в частности на основе биосенсорного принципа анализа. Основной проблемой создания биосенсоров для экспресс-определения БПК является их низкая чувствительность, так в поверхностных водах БПК обычно не превышает 2-4 мг/дм [СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод].
8
Известно устройство для определения биохимического потребления кислорода, состоящее из угольно-пастового электрода с иммобилизованными микроорганизмами [Абрамова Т.А., Арляпов В.А., Илюхина А.С., Курбаналиева С.К., Туровская А.Д., Харькова А.С. Устройство для экспресс-анализа индекса биохимического потребления кислорода. Патент РФ №192836 МПК C12M 1/34, 1/40, C12Q 1/02 от 02 октября 2019]. Устройство состоит из измерительной кюветы, магнитной мешалки, биосенсорной системы, включающей рабочий угольно-пастовый электрод с иммобилизованными бактериями Escherichia coli. Существенными недостатками данной модели является использование бактерий Escherichia coli, которые окисляют узкий спектр веществ из находящихся в сточных водах, и применение медиатора феррицианида калия, высокий рабочий потенциал которого (+0,28 В) может стать причиной побочных реакций с участием электроактивных примесей.
8
3
5
Наиболее близким по своим признакам, принятое за прототип, является устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода [Зайцева А.С., Юдина Н.Ю., Арляпов В.А., Понаморева О.Н., Алферов В.А. Устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода. Патент РФ №164144 МПК C12M 1/34, 1/40, C12Q 1/02 от 03 августа 2016 года]. Устройство содержит измерительную кювету с магнитной мешалкой, биосенсорную систему с иммобилизованными на рабочем электроде дрожжевыми клетками Debaryomyces hansenii, рабочим электродом является угольно-пастовый, модифицированный медиатором ферроценом, также устройство дополнительно содержит хлоридсеребряный электрод сравнения и введенный в измерительную кювету раствор медиатора тионина. Устройство позволяет определять индекс биохимического потребления кислорода (нижняя граница определяемых значений БПК составляет 4,6 мг/дм), время анализа одной пробы составляет 7 минут.
Задачей технического решения является повышение качества анализа, за счет улучшение технических характеристик биосенсора, в частности снижение нижней границы определяемых значений биохимического потребления кислорода, что даст возможность измерения БПК в чистых поверхностных водах.
Поставленная задача решается тем, что заявленное устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями содержит измерительную кювету с раствором медиатора, магнитную мешалку, хлоридсеребряный электрод сравнения и рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом с иммобилизованным биоматериалом, причем в качестве иммобилизованного биоматериала взяты дрожжи Blastobotrys adeninivorans, а в качестве растворимого медиатора, вводимого в измерительную кювету взят нейтральный красный.
5
3
3
Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении качества анализа путем улучшении характеристик устройства, за счет снижения нижней границы определения БПК 4,6 мг/дм (прототип) до 0,16 мг/дм (заявляемое техническое решение). В таблице 1 представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями.
5
Снижение нижней границы определения БПК связано с использованием двухмедиаторной системы ферроцен-нейтральный красный и дрожжей Blastobotrys adeninivorans, обладающих высокой окислительной активностью по отношению к широкому спектру субстратов. В отличие от описанной в прототипе системы ферроцен-тионин, в предложенной системе нейтральный красный не вызывает лимитирования процесса передачи электронов и позволяет обеспечить последовательный перенос электронов в двухмедиаторной системе. За счет введения второго медиатора ферроцена используемые микроорганизмы способны окислять широкий спектр, потенциально присутствующих в пробе органических соединений, количество которых оценивается при определении показателя биохимического потребления кислорода.
На фиг. 1 показано устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями. Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: рабочего угольно-пастового электрода, модифицированного медиатором ферроценом 1 с иммобилизованными на поверхности клетками штамма Blastobotrys adeninivorans BKM Y-2677 2. Рабочий электрод 1 с клетками микроорганизмов 2 и хлоридсеребряный электрод сравнения 3 помещены в измерительную кювету 4, объемом 5 мл. Перемешивание буферного раствора с медиатором нейтральным красным осуществляют с помощью магнитной мешалки 5.
Для регистрации сигнала биосенсорной системы используют электрохимический преобразователь потенциостат, регистрирующий зависимость силы тока от времени - IPC Micro, к которому подключают электроды. Измерения проводят при постоянном потенциале +0,25 В. Для формирования рабочего электрода готовят модифицированную пасту на основе графитовой пудры, минерального масла и медиатора ферроцена растворенного в ацетоне, которой заполняют пластиковую трубку. Клетки микроорганизмов Blastobotrys adeninivorans BKM Y-2677 адсорбируют на поверхности рабочего электрода 1 и фиксируют диализной мембраной при помощи пластикового кольца.
3
2
Принцип работы устройства для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями заключается в следующем: рабочий электрод 1 с иммобилизованными дрожжами Blastobotrys adeninivorans BKM Y-2677 2, погружают совместно с хлоридсеребряным электродом 3 сравнения в измерительную кювету 4 объемом 5 мл, содержащую: буферный раствор (рН 6,8) и растворимый медиатор нейтральный красный. Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки 5 при комнатной температуре. После установления стабильного уровня тока в ячейку микропипеткой вводят необходимое количество раствора анализируемого вещества. После регистрации аналитического сигнала биосенсора (зависимости силы тока от времени) измерительную кювету 4 промывают буферным раствором. Рассчитывают скорость биоразложения органических соединений по амплитуде силы тока (ответ сенсора, ΔI, мкА) и определяют значение биохимического потребления кислорода по предварительно построенной с помощью модельного глюкозо-глутаматного раствора калибровочной кривой в соответствии с ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97 значение биохимического потребления кислорода модельного раствора, содержащего суммарно 300 мг/дм глюкозы и глутаминовой кислоты (1:1), соответствует 205 мгО/дм [ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97. Количественному химическому анализу вод. Способ выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПКполн) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах. - М: 1997. - 25 с.].
5
2
3
Таким образом, заявляемое устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями позволило повысить качество анализа, не требуя привлечения высококвалифицированного персонала, и позволило осуществлять экспресс-мониторинг индекса биохимического потребления кислорода за время не более 5 минут, при этом нижняя граница определяемых значений БПК составляет 0,16 мг O/дм.