RU225914U1 - Устройство для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах - Google Patents
Устройство для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах Download PDFInfo
- Publication number
- RU225914U1 RU225914U1 RU2023128668U RU2023128668U RU225914U1 RU 225914 U1 RU225914 U1 RU 225914U1 RU 2023128668 U RU2023128668 U RU 2023128668U RU 2023128668 U RU2023128668 U RU 2023128668U RU 225914 U1 RU225914 U1 RU 225914U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- microorganisms
- organic compounds
- immobilized
- biodegradable organic
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 18
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 17
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 15
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 claims abstract description 9
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- YYLGKUPAFFKGRQ-UHFFFAOYSA-N dimethyldiethoxysilane Chemical compound CCO[Si](C)(C)OCC YYLGKUPAFFKGRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 241001099341 Ogataea polymorpha Species 0.000 claims abstract description 6
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 239000008239 natural water Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002352 surface water Substances 0.000 abstract description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 4
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 3
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 3
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 241000680806 Blastobotrys adeninivorans Species 0.000 description 2
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- OQWIKYXFAZAALW-FMDYKLJDSA-N (2S)-2-amino-5-oxo-5-[(2R,3R,4S,5S,6R)-3,4,5-trihydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxypentanoic acid Chemical compound N[C@@H](CCC(=O)O[C@H]1O[C@H](CO)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1O)C(O)=O OQWIKYXFAZAALW-FMDYKLJDSA-N 0.000 description 1
- 241000589232 Gluconobacter oxydans Species 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- WHUUTDBJXJRKMK-UHFFFAOYSA-N Glutamic acid Natural products OC(=O)C(N)CCC(O)=O WHUUTDBJXJRKMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHUUTDBJXJRKMK-VKHMYHEASA-N L-glutamic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CCC(O)=O WHUUTDBJXJRKMK-VKHMYHEASA-N 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 239000011173 biocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 235000013922 glutamic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000004220 glutamic acid Substances 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000008040 ionic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000012898 sample dilution Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 210000005253 yeast cell Anatomy 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель относится к области экологической биотехнологии, а именно к области определения биохимического потребления растворенного кислорода в природной и сточной воде, и может быть использована в системах лабораторного контроля технологических процессов очистки природной и сточной воды и состояния поверхностных вод со степенью чистоты воды от очень чистых до грязных. Устройство для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах содержит кювету с буферным раствором и опущенным в нее кислородным электродом, на поверхность которого нанесен биогибридный материал с иммобилизованными микроорганизмами. В качестве микроорганизмов применены дрожжи штамма Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559, иммобилизованные на кремнийорганическую золь-гель матрицу, состоящую из диметилдиэтоксисилана и тетраэтоксисилана. Использование заявленного устройства обеспечивает возможность длительного хранения получаемого элемента с клетками при отрицательной температуре, что не влияет на функционирование биочувствительных элементов. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к области экологической биотехнологии, а именно к области определения биохимического потребления растворенного кислорода в природной и сточной воде, и может быть использована в системах лабораторного контроля технологических процессов очистки природной и сточной воды и состояния поверхностных вод со степенью чистоты воды от очень чистых до грязных [ГОСТ Р 58556-2019 Оценка качества воды водных объектов с экологических позиций. М.: 2020. - 12 с.].
Одним из наиболее широко используемых показателей для мониторинга загрязнителей в водной среде является биохимическое потребление кислорода (БПК), то есть количество растворенного кислорода (в мг), необходимое для окисления всех биологически окисляемых органических соединений, которые находятся в 1 дм3 воды. Стандартный метод определения БПК (известный как БПК5) представляет собой трудоемкую процедуру, включающую пятидневную инкубацию, а также требует значительного опыта и навыков для получения воспроизводимых результатов [ПНД Ф 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.]. Поэтому значительное внимание уделяется разработке быстрых методов определения БПК с использованием биосенсорных анализаторов, основанных на применении микроорганизмов, способных окислять широкий диапазон органических соединений, что позволит провести суммарную оценку интенсивности загрязнения в объеме загрязнения, значительно повысить операционную эффективность анализа и снизить его стоимость. Основной проблемой создания биосенсоров для быстрого определения БПК является их низкая чувствительность, так в поверхностных водах БПК5 обычно не превышает 2-4 мг/дм3 [СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод].
Известна модель экспресс анализатора биохимического потребления кислорода, состоящая из кислородного электрода с иммобилизованными микроорганизмами, что было принято за прототип [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 состоит из амперометрического кислородного электрода с иммобилизованными микроорганизмами. В качестве микроорганизмов использованы дрожжи Arxula adeninivorans ВКМ Y-2677, либо бактерии Gluconobacter oxydans subsp.industrus ВКМ 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 adeninivorans ВКМ Y-2677 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. Недостаток заключается в достаточно узком диапазоне определяемых содержаний, что может потребовать разбавления пробы и увеличение ошибки измерения.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение технологических возможностей устройства для анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах, а именно расширения диапазона определяемых содержаний.
Технический результат заявляемого устройства заключается в возможности длительного хранения (до 365 дней) получаемого элемента с клетками при температуре от минус 19°С до минус 17°С, что не влияет на функционирование биочувствительных элементов, образцы сохраняли свою активность в течение эксперимента, что важно при производстве и хранении коммерческих образцов гибридного биоматериала.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах, содержащем кювету с буферным раствором и опущенным в нее кислородным электродом, на поверхность которого нанесён биогибридный материал с иммобилизованными микроорганизмами, в качестве микроорганизмов применены дрожжи штамма Ogataea polymorpha ВКМ Y- 2559, иммобилизованные на кремнийорганическую золь-гель матрицу, состоящую из диметилдиэтоксисилана и тетраэтоксисилана.
За счёт иммобилизации дрожжевых клеток Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559 в кремнийорганическую золь-гель матрицу, которая состоит из смеси диметилдиэтоксисилана (ДМДЭС) и тетраэтоксисилана (ТЭОС), возможно определение ВПК в сточных водах без предварительной очистки, поскольку образующаяся кремнийорганическая капсула защищает микроорганизмы от воздействия ионов тяжёлых металлов, а также от УФ воздействия, а также после длительного хранения при минус 17-19°С. Полученное устройство позволяет проводить определение биохимического потребления кислорода за 10-15 минут в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах в диапазоне 1-300 мг/дм3 (без разбавления пробы), что связано с особенностью инкапсулирования дрожжевых клеток в кремнийорганическую матрицу на основе смеси ДМДЭС и ТЭОС. Кроме того, в условиях присутствия вредных факторов сохраняется каталитическая активность инкапсулированных в кремнийорганической матрице микроорганизмов.
На фиг. показана схема устройства для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах.
Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: кислородного электрода 1, на поверхность которого нанесён биогибридный материал 2 с иммобилизованными в кремнийорганическую золь-гель матрицу, состоящую из диметилдиэтоксисилана и тетраэтоксисилана, микроорганизмами, в качестве которых применены дрожжи штамма Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559. Кислородный электрод 1 с биогибридным материалом 2 помещены в измерительную кювету 3. Перемешивание буферного раствора осуществляют с помощью магнитной мешалки 4. Для регистрации сигнала биосенсорной системы используют электрохимический анализатор, например, рН-метр-иономер-БПК-термооксиметр ЭКСПЕРТ- 001-4.0.1 в режиме термооксиметр.
Принцип работы устройства для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах заключается в следующем. Кислородный электрод 1, на поверхность которого нанесён биогибридный материал 2 с иммобилизованными в кремнийорганическую золь-гель матрицу, состоящую из диметилдиэтоксисилана и тетраэтоксисилана, микроорганизмами, в качестве которых применены дрожжи штамма Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559, погружают в измерительную кювету 3 объёмом 5 мл, содержащую буферный раствор (pH 6,8). Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки 4 при комнатной температуре. После установления стабильного уровня кислорода в ячейку микропипеткой вводят необходимое количество пробы. После регистрации аналитического сигнала устройства (зависимости количества растворенного кислорода от времени) измерительную кювету 3 промывают буферным раствором. Рассчитывают скорость биоокисления органических соединений по максимальной скорости изменения концентрации растворенного кислорода в кювете и определяют значение биохимического потребления кислорода по предварительно построенной с помощью модельного глюкозо-глутаматного раствора калибровочной кривой в соответствии с ПНД Ф 14. 1:2:3:4. 123-97 значение биохимического потребления кислорода модельного раствора, содержащего суммарно 300 мг/дм3 глюкозы и глутаминовой кислоты в объемном соотношении 1:1, что соответствует 205 мг (O2)/дм3 [ПНД Ф 14. 1:2:3:4. 123-97. Количественный химический анализ 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.].
С помощью устройства для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах производили анализ степени загрязненности воды органическими загрязнениями. Значения БПК, определенные с помощью данного устройства на основе инкапсулированных дрожжей, и стандартным методом незначительно отличаются между собой. Таким образом, заявляемое устройство повышает воспроизводимость анализа, не требуя привлечения высококвалифицированного персонала, и позволяет осуществлять экспресс-мониторинг индекса биохимического потребления кислорода за время не более 5 минут, при этом нижняя граница определяемых значений БПК составляет 1 мг (О2)/дм3.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания по теме "Синтез таргетных биологически активных ионных соединений и новых биокомпозитных материалов" (FEWG-2021-0011).
Claims (1)
- Устройство для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах, содержащее кювету с буферным раствором и опущенным в нее кислородным электродом, на поверхность которого нанесен биогибридный материал с иммобилизованными микроорганизмами, отличающееся тем, что в качестве микроорганизмов применены дрожжи штамма Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559, иммобилизованные на кремнийорганическую золь-гель матрицу, состоящую из диметилдиэтоксисилана и тетраэтоксисилана.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU225914U1 true RU225914U1 (ru) | 2024-05-13 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19547655A1 (de) * | 1995-12-20 | 1997-06-26 | Abb Research Ltd | Vorrichtung und Verfahren zur Überprüfung von Flüssigkeiten |
| RU117918U1 (ru) * | 2011-10-28 | 2012-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Экобиохем" | Устройство для определения степени загрязнения воды биоразлогаемыми органическими веществами |
| RU129930U1 (ru) * | 2012-08-10 | 2013-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук | Биосенсор для определения органических веществ на основе адаптированных клеток gluconobacter oxydans вкм в-1280 и кислородного электрода типа кларка |
| RU207192U1 (ru) * | 2021-06-23 | 2021-10-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для утилизации метанола в водных средах |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19547655A1 (de) * | 1995-12-20 | 1997-06-26 | Abb Research Ltd | Vorrichtung und Verfahren zur Überprüfung von Flüssigkeiten |
| RU117918U1 (ru) * | 2011-10-28 | 2012-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Экобиохем" | Устройство для определения степени загрязнения воды биоразлогаемыми органическими веществами |
| RU129930U1 (ru) * | 2012-08-10 | 2013-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук | Биосенсор для определения органических веществ на основе адаптированных клеток gluconobacter oxydans вкм в-1280 и кислородного электрода типа кларка |
| RU207192U1 (ru) * | 2021-06-23 | 2021-10-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для утилизации метанола в водных средах |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БУРМИСТРОВА Т.В. и др. Клетки микроорганизмов как структурообразующие агенты в синтезе гибридных кремнийорганических материалов с применением золь-гель технологий. Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016, стр.4-9. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cammann et al. | Chemical sensors and biosensors—principles and applications | |
| Jouanneau et al. | Methods for assessing biochemical oxygen demand (BOD): A review | |
| Kumlanghan et al. | Microbial BOD sensor for monitoring treatment of wastewater from a rubber latex industry | |
| Wang et al. | An innovative reactor-type biosensor for BOD rapid measurement | |
| Strand et al. | Rapid BOD measurement for municipal wastewater samples using a biofilm electrode | |
| US20130130308A1 (en) | Process for directly measuring multiple biodegradabilities | |
| CA2645349C (en) | A bacterium consortium, bio-electrochemical device and a process for quick and rapid estimation of biological oxygen demand | |
| Jiang et al. | Optical biosensor for the determination of BOD in seawater | |
| Li et al. | Effects of pre-conditioning and microbial composition on the sensing efficacy of a BOD biosensor | |
| EP1529213B1 (en) | The method and apparatus for determining the number of living cells in a test fluid | |
| RU205304U1 (ru) | Устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями | |
| Phillips | “Novel” sensors for the monitoring of fermentation processes | |
| RU225914U1 (ru) | Устройство для быстрого анализа биоразлагаемых органических соединений в водных объектах | |
| Block et al. | Ecotoxicity testing using aquatic bacteria | |
| JPH10123120A (ja) | 液の検査装置 | |
| RU73975U1 (ru) | Биосенсор для определения загрязненности воды органическими веществами | |
| RU2650634C1 (ru) | Биосенсор для определения наличия органических веществ в воде | |
| RU106898U1 (ru) | Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода | |
| Vanrolleghem | Sensors for anaerobic digestion: An overview | |
| Arikawa et al. | Microbial biosensors based on respiratory inhibition | |
| RU2800373C1 (ru) | Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода | |
| EP0486443A1 (en) | Method of detecting toxic compositions in water by monitoring the metabolism of selected living cells as microorganisms | |
| RU2359036C1 (ru) | Способ интегральной экспресс-оценки загрязнения окружающей среды | |
| US20120156711A1 (en) | System and method that allows the joined performance of optoelectric and respirometric sensors for instant and accurate ascertainment of biochemical oxygen demand (BOD) in liquid industrial wastes | |
| RU101037U1 (ru) | Биосенсор для оценки загрязненности сточных вод производства синтетических моющих средств |