Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода
Техническое решение относится к области экологии, а именно, к биосенсорным аналитическим устройствам. Устройство может быть использовано для экспресс-определения биохимического потребления кислорода (БПК) в образцах воды различного происхождения.
Техническим результатом является расширение технологических возможностей устройства.
Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода содержащее измерительную кювету, магнитную мешалку и биосенсорную систему, включающую кислородный электрод, на котором размещены иммобилизованные микроорганизмы, в качестве иммобилизованных микроорганизмов использованы дрожжи Debaryomyces hansenii BKM Y-2482. 1 н.п.ф. 2 илл. 1 табл.
Техническое решение относится к области экологии, а именно, к биосенсорным аналитическим устройствам. Устройство может быть использовано для экспресс-определения биохимического потребления кислорода (ВПК) в образцах воды различного происхождения.
Для оценки степени загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями в настоящее время применяется параметр, определенный как индекс биохимического потребления кислорода. Существующий способ определения БПК основан на тестах, минимальная продолжительность которых составляет 5 суток [ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БИКполн) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах. - М.: 1997. 25 с.]. В настоящее время все предприятия, санитарные службы и водоочистные сооружения РФ используют для повседневного анализа сточных вод стандартный способ. Отсутствие оперативности существенно снижает ценность традиционного способа. По указанной причине возникают экологически опасные ситуации, при которых остается незамеченной поступление, на водоочистные сооружения аварийно загрязненных вод или наоборот, недоочистка их в процессе регенерации.
Для оперативного анализа могут быть использованы способы оценки БПК, основанные на использовании биосенсорных анализаторов. В Б ПК-биосенсорах в качестве распознающих элементов использованы микроорганизмы, способные окислять широкий спектр органических соединений.
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип является устройство для экспресс-определения ВПК сточных вод предприятий пищевой промышленности, описанное в работе [Арляпов В.А., Пономарева О.Н., Алферов В.А., Рогова Т.В., Блохин И.В., Чепкова И.Ф., Решетилов А.Н. Микробные биосенсоры, для экспресс-определения БПК сточных вод предприятий пищевой промышленности. // Вода: Химия и Экология. 2008. 
3, с 23-30.]
Измерительная система состояла из амперометрического кислородного электрода с иммобилизованными микроорганизмами. В качестве микроорганизмов были использованы дрожжи Arxula adeninivorans ВГИ (78)-6, либо бактерии Gluconobacter oxydans subsp. industrus BKM В-1280. Иммобилизация микроорганизмов проводилась адсорбцией на стекловолоконном фильтре Whatman GF/A. Измерения выполнялись при постоянном перемешивании в открытой кювете с рабочим объемом 5 мл. Биосенсор на основе дрожжей Arxula ademnovorans обладал лучшими характеристиками и позволял определять БПК5 в диапазоне 1,4-11,6 мг/дм3 (без разбавления пробы), время стабильной работы биосенсора составляло 28 суток.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение технологических возможностей устройства, за счет того, что устройство позволяет проводить определение биохимического потребления кислорода после n-дней инкубации в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах в диапазоне 0,5-180 мг/дм3 (без разбавления пробы) за время 10 мин.
Сущность технического решения заключается в том, что устройство для экспресс-определения БПК содержащее измерительную кювету, магнитную мешалку и биосенсорную систему, включающую кислородный электрод, на котором размещены иммобилизованные микроорганизмы, причем в качестве иммобилизованных микроорганизмов использованы дрожжи Debaryomyces hansenii BKM Y-2482.
На фиг.1 показано устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода представляющее собой кислородный электрод с иммобилизованными микроорганизмами, сопряженный с измерительной кюветой и магнитной мешалкой.
На фиг 2 показана диаграмма субстратной специфичности (чувствительности) используемого биорецептора.
В табл.1 показаны характеристики предложенной полезной модели и прототипа.
Предлагаемое устройство состоит из следующих элементов: биосенсора, состоящего из преобразователя - кислородного электрода 1, на котором размещен биорецептор 2, представляю иди и собой иммобилизованные на носителе клетки штамма Debaryomyces hansenii ВКМ Y-2482. Кислородный электрод 1 с биорецептором 2 помещены в измерительную кювету 3 объемом 4 мл. Перемешивание раствора в измерительной кювете 3 осуществляется с помощью магнитной мешалки 4 с якорем 5.
Для регистрации сигнала биосенсорной системы используют прибор, определяющий зависимость тока от времени - Electrochemical testing system IPC2000, подключаемый к кислородному электроду и компьютеру.
Для формирования рецепторного элемента микробного биосенсора используют дрожжевой штамм Debaryomyces hansenii ВКМ Y-2482 принадлежащий Всероссийской коллекции микроорганизмов. Для получения биомассы микроорганизмы выращивали на богатой минеральной среде (жидкая глюкозо-пептонная питательная среда). Состав жидкой среды: глюкоза - 10 г/дм3, пептон - 5 г/дм3 , дрожжевой экстракт - 0,5 г/дм3, дистиллированная вода - 200 см3. Среду для выращивания клеток стерилизовали автоклавированием при давлении в 1 атмосферу в течение 45 минут. Клетки выращивали аэробно 18-20 часов в качалочных колбах объемом 750 см3 при температуре 29°С.
Принцип работы устройства для экспресс-определения биохимического потребления кислорода заключается в следующем:
Кислородный электрод 1 с размещенным на нем биорецептором 2, содержащим иммобилизованные клетки штамма Debaryomyces hansenii ВКМ Y-2482, погружают в измерительную кювету 3 объемом 4 мл с 30 мМ фосфатным буфером (рH 6,8) и регистрируют силу тока, отражающего содержание кислорода в среде (фоновое). Затем вносят пробу, содержащую биоразложимые органические вещества (100 мкл). Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки 4 с якорем 5 при комнатной температуре.
После регистрации сигнала биосенсора (зависимость силы тока от времени) кювету промывают буферным раствором. Рассчитывают величину максимальной скорости потребления кислорода (ответ сенсора, dI/dt, нА/с) и определяют значение БПК5 по предварительно построенной калибровочной кривой. Калибровочная зависимость строится по раствору глюкозо-глутаматной смеси (ГГС) приготовленному согласно ПЫДФ 14. 1:2:3:4. 123-97. В соответствии с указанным нормативным документом принимали, что БПК5, равное 205 мг/дм3, соответствует раствору, содержащему суммарно 300 мг/дм3 глюкозы и глутаминовой кислоты.
Микроорганизмы Debaryomyces hansenii BKM Y-2482 способны окислять широкий спектр органических веществ, что дает возможность получить высокую степень корреляции между показаниями биосенсормой системы и стандартным методом.
В таблице 1 представлены характеристики предлагаемого устройства для экспресс-определения биохимического потребления кислорода и прототипа.
Линейный диапазон зависимости ответа биосенсора от БПК5 лежит к диапазоне 0,5-180 мг/дм3 (без разбавления пробы). Длительность единичного измерения не превышает 10 минут. Долговременная стабильность сенсора более 60 суток (падение активности микроорганизмов на протяжении этого времени составило 25%).
Таким образом, предлагаемое устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода обеспечивает возможность экспресс-определения индекса БПК за время не более 10 минут в диапазоне 0,5-180 мг/дм 3 (без разбавления пробы) без использования сложного дорогостоящего оборудования.
Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода, содержащее измерительную кювету, магнитную мешалку и биосенсорную систему, включающую кислородный электрод, на котором размещены иммобилизованные микроорганизмы, отличающееся тем, что в качестве иммобилизованных микроорганизмов использованы дрожжи Debaryomyces hansenii BKM Y-2482.
