RU164144U1 - Устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода - Google Patents

Abstract

Устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода, характеризующееся тем, что содержит измерительную кювету с магнитной мешалкой, биосенсорную систему с иммобилизованными на рабочем электроде дрожжевыми клетками, отличающееся тем, что дрожжевыми клетками являются клетки Debaryomyces hansenii, а рабочим электродом является углеродопастовый, модифицированный медиатором ферроценом электрод, также устройство дополнительно содержит хлоридсеребряный электрод сравнения и введенный в измерительную кювету раствор медиатора тионина.

Description

Устройство для экспресс-анализа индекса биохимического потребления кислорода относится к области экологии и может быть использовано для контроля процессов очистки сточной воды и состояния поверхностных вод.

При мониторинге водных объектов основная проблема заключается в определении индекса биохимического потребления кислорода, что связано с длительностью (минимум 5 суток) стандартных способов анализа [ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97. Количественный химический анализ вод. Методика 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.], [РД 52.24.420-2006. Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом. - Ростов-на-Дону: Росгидромет, 2006. - 14 с.]. Широкое применение в мониторинге индекса биохимического потребления кислорода находит манометрический датчик OxiTop, предложенный фирмой WTW, за счет снижения трудоемкости операций анализа, однако данная аналитическая система не избавляет от главного недостатка - пятисуточной инкубации. [МВИ 224.01.17.133.2009 Методика выполнения измерений биохимического потребления кислорода в природных и сточных водах по изменению давления газовой фазы (манометрический метод). - М.: 2009. - 16 с.].

Ввиду длительности стандартного способа анализа возможны экологически опасные ситуации, поэтому для экспресс определения индекса биохимического потребления кислорода предлагают использовать биосенсорные анализаторы, с помощью которых электрохимически измеряется количество растворенного кислорода, необходимое для окисления органических соединений микроорганизмами, иммобилизованными на рабочем электроде.

Известна модель экспресс анализатора биохимического потребления кислорода, состоящая из кислородного электрода с иммобилизованными микроорганизмами [Арляпов В.А., Каманин С.С., Алферов С.В., Алферов В.А. Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода. Патент РФ №106898 от 27.07.2011]. Устройство состоит из измерительной кюветы, магнитной мешалки, биосенсорной системы, включающей кислородный электрод, на котором иммобилизованы дрожжи D. hansenii. Признаками этого устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого технического решения, является амперометрический способ измерения биохимического потребления кислорода и использование дрожжевых клеток D. hansenii в качестве биоматериала сенсора. Недостаток данного устройства связан с использованием кислородного электрода - высокий рабочий потенциал восстановления кислорода (-0,7 В) может стать причиной побочных реакций с участием электроактивных примесей, к другим недостаткам следует отнести зависимость электродной реакции от рН.

Наиболее близким по своим признакам, принятое за прототип, является устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода природных вод, описанное в работе [Nakamura H. et al. A new BOD estimation method employing a double-mediator system by ferricyanide and menadione using the eukaryote Saccharomyces cerevisiae // Talanta. - 2007. - T. 72. - №1. - С. 210-216]. Устройство состоит из измерительной кюветы, магнитной мешалки, биосенсорной системы, включающей рабочий печатный электрод с иммобилизованными дрожжами Saccharomyces cerevisiae. Измерения проводятся при потенциале 0,9 В в присутствии двухмедиаторной системы (витамин К3 - феррицианид калия), введенной в виде раствора в измерительную кювету.

Данный биосенсор позволяет определять индекс биохимического потребления кислорода в диапазоне 6,6-220 мг/дм³ (без разбавления пробы), срок эксплуатации рабочего печатного электрода составляет 14 суток.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, является замена кислородного электрода на рабочий электрод с иммобилизованными дрожжевыми клетками и использование бимедиаторного переноса электронов с биоматериала на электрод. Рабочий потенциал, при котором происходит анализ индекса биохимического потребления кислорода, определяется окислительно-восстановительными свойствами используемых медиаторов. Недостатками этого устройства является высокая нижняя граница определяемых значений биохимического потребления кислорода, низкий срок эксплуатации рабочего электрода, а также высокий рабочий потенциал, который может стать причиной протекания побочных реакций.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является улучшение технических характеристик БПК-сенсора, за счет снижения рабочего потенциала, увеличения чувствительности и срока эксплуатации рабочего электрода.

Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода, характеризующееся тем, что содержит измерительную систему с магнитной мешалкой, биосенсорную систему с иммобилизованными на рабочем электроде дрожжевыми клетками, причем дрожжевыми клетками являются клетки Debaryomyces hansenii, а рабочим электродом является углеродопастовый, модифицированный медиатором ферроценом электрод, также устройство дополнительно содержит хлоридсеребряный электрод сравнения и введенный в измерительную кювету раствор медиатора тионина.

Технический результат заявляемого устройства заключается в улучшении технических характеристик, за счет снижения рабочего потенциала с 0,9 В (прототип) до 0,25 В (заявляемое техническое решение), уменьшении почти в 1,5 раза нижней границы определяемых значений БПК (увеличении чувствительности) и увеличении в 2,5 раза срока эксплуатации рабочего электрода по сравнению с прототипом. Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает стабильные результаты измерения (величина относительного стандартного отклонения не более 3%), при этом длительность единичного сигнала не превышает 7 минут. В таблице 1 представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства биохимического потребления кислорода.

Снижение рабочего потенциала связано с используемой бимедиаторной системой ферроцен-тионин. В отличие от описанной в прототипе системы феррицианид калия - витамин К3, в предложенной системе реакция окисления ферроцена, являющегося конечным акцептором электронов, протекает при значении потенциала меньшем, чем потенциал окисления феррицианида калия. Увеличение чувствительности заявляемого устройства связано с тем, что совместно с бимедиаторной системой применяются дрожжи D. hansenii. За счет введения второго медиатора используемые микроорганизмы в условиях бимедиаторного переноса электронов способны окислять широкий спектр, потенциально присутствующих в пробе органических загрязнителей, количество которых оценивается при определении показателя биохимического потребления кислорода. Кроме того, по сравнению с описанными в прототипе дрожжами S. cerevisiae, клетки D. hansenii более устойчивы к воздействию негативных факторов окружающей среды. Данная особенность является одной из причин увеличения срока эксплуатации рабочего электрода.

Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: углеродопастового электрода, модифицированного медиатором ферроценом, и иммобилизованными на поверхности электрода клетками штамма Debaryomyces hansenii BKM Y-2482. Рабочий электрод и хлоридсеребряный электрод сравнения помещены в измерительную кювету объемом 4 мл. Перемешивание раствора с медиатором тионином осуществляется с помощью магнитной мешалки.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение технических характеристик за счет снижения рабочего потенциала до 0,25 В, что связано с использованием бимедиаторной системы ферроцен-тионин, в которой конечным акцептором электронов служит медиатор ферроцен, электрохимическая реакция с переносом заряда которого протекает при 0,25 В. Кроме того, в 1,5 раза снижена нижняя граница определяемых значений биохимического потребления кислорода и в 2,5 раза увеличен срок эксплуатации рабочего электрода по сравнению с прототипом, что связано с возможностью использования бимедиаторной системы ферроцен-тионин с дрожжами D. hansenii.

Для регистрации сигнала биосенсорной системы используют электрохимический преобразователь потенциостат, регистрирующий зависимость силы тока от времени - IPC Micro, к которому подключаются электроды. Измерения проводят при постоянном потенциале 0,25 В.

Для формирования рабочего электрода готовят пасту на основе графитовой пудры и минерального масла, которой заполняют пластиковую трубку. Клетки микроорганизмов D. hansenii адсорбируют на рабочей поверхности электрода и фиксируют диализной мембраной при помощи пластикового кольца.

Принцип работы устройства для экспресс-определения биохимического потребления кислорода заключается в следующем: рабочий электрод с иммобилизованными клетками штамма Debaryomyces hansenii BKM Y-2482, погружают совместно с хлоридсеребряным электродом сравнения в измерительную кювету объемом 5 мл с 0,3 мМ раствором медиатора тионина в 30 мМ калий-натрий фосфатном буфером растворе (рН 6,8). Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки при комнатной температуре. При постоянном рабочем потенциале 0,25 В регистрируют зависимость силы тока от времени, отражающую эндогенные процессы в клетке (фоновой сигнал). После чего вносят пробу, содержащую биоразлогаемые органические вещества (100 мкл). Измерения проводят до тех пор, пока сила тока перестанет изменяться.

После регистрации аналитического сигнала биосенсора (зависимости силы тока от времени) кювету промывают буферным раствором. Рассчитывают скорость биоразложения органических субстратов 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/дм³ глюкозы и глутаминовой кислоты (1:1), соответствует 205 мгО₂/дм³ [ПНДФ 14. 1:2:3:4. 123-97. Количественный химический анализ вод. Методика 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.].

Таким образом, заявляемое устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода не требует привлечения высококвалифицированного персонала и позволяет осуществлять экспресс-мониторинг индекса биохимического потребления кислорода за время не более 7 минут, при этом нижняя граница определяемых значений БПК составляет 4,6мг/дм³.

Claims (1)

1. Устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода, характеризующееся тем, что содержит измерительную кювету с магнитной мешалкой, биосенсорную систему с иммобилизованными на рабочем электроде дрожжевыми клетками, отличающееся тем, что дрожжевыми клетками являются клетки Debaryomyces hansenii, а рабочим электродом является углеродопастовый, модифицированный медиатором ферроценом электрод, также устройство дополнительно содержит хлоридсеребряный электрод сравнения и введенный в измерительную кювету раствор медиатора тионина.