RU2650634C1 - Biosensor for determining presence of organic substances in water - Google Patents
Biosensor for determining presence of organic substances in water Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650634C1 RU2650634C1 RU2017121716A RU2017121716A RU2650634C1 RU 2650634 C1 RU2650634 C1 RU 2650634C1 RU 2017121716 A RU2017121716 A RU 2017121716A RU 2017121716 A RU2017121716 A RU 2017121716A RU 2650634 C1 RU2650634 C1 RU 2650634C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biosensor
- water
- anode
- organic substances
- cathode
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 43
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims abstract description 18
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 3
- 238000003911 water pollution Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 6
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 5
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 5
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 5
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 4
- 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 3
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 3
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 3
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 3
- 241000680806 Blastobotrys adeninivorans Species 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 2
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 2
- 230000035806 respiratory chain Effects 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 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-VKHMYHEASA-N L-glutamic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CCC(O)=O WHUUTDBJXJRKMK-VKHMYHEASA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 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
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 229930195712 glutamate Natural products 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 235000013372 meat Nutrition 0.000 description 1
- 238000006241 metabolic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009629 microbiological culture Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 235000008935 nutritious Nutrition 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 210000003370 receptor cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 241001148471 unidentified anaerobic bacterium Species 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/18—Water
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии и охране окружающей среды в области контроля загрязненности воды (природной, промышленной, муниципальной) органическими веществами.The invention relates to biotechnology and environmental protection in the field of control of water pollution (natural, industrial, municipal) by organic substances.
Одним из важных критериев, используемых для оценки качества воды, является содержание в ней окисляемых органических веществ - оно характеризуется параметрами химического потребления кислорода (ХПК) или биологического потребления кислорода (БПК). Стандартными критериями, применяемыми для количественной оценки органического загрязнения, является БПК5 - это количество кислорода, использованное микроорганизмами для окисления всех растворенных органических веществ в изолированном сосуде с образцом в течение 5 суток, показатель БПК20 - соответственно до 20 суток. Применяемые для этого БПК-анализаторы обладают высокой точностью, но процесс измерения с их помощью длителен, требует специализированного лабораторного оборудования и обученного персонала. Использование микробных биосенсоров позволяет проводить экспресс-анализ за счет быстрой метаболической реакции микроорганизмов на изменение концентрации ассимилируемых клетками веществ в исследуемой воде - время реакции на появление загрязнителя составляет не более десятков-сотен минут.One of the important criteria used to assess water quality is the content of oxidizable organic substances in it - it is characterized by the parameters of chemical oxygen consumption (COD) or biological oxygen consumption (BOD). The standard criteria used for the quantitative assessment of organic pollution is BOD 5 - this is the amount of oxygen used by microorganisms to oxidize all dissolved organic substances in an isolated vessel with a sample for 5 days, BOD 20 - up to 20 days, respectively. The BOD analyzers used for this are highly accurate, but the measurement process with their help is long, requires specialized laboratory equipment and trained personnel. The use of microbial biosensors allows for rapid analysis due to the rapid metabolic reaction of microorganisms to changes in the concentration of substances assimilated by cells in the test water - the reaction time to the appearance of a pollutant is no more than tens to hundreds of minutes.
Биосенсоры, используемые для этих целей, как правило, функционируют на основе амперометрического электрода для определения концентрации кислорода, например электрода Кларка, с нанесенными на него клетками микроорганизмов (патент RU №129930, МПК C12Q 1/02 (2006.01), опубл. 10.07 2013). Определение органических веществ в водных растворах основано на измерении скорости повышения потребления кислорода адаптированными клетками штамма бактерий рецептора в результате активирующего действия органических веществ на метаболизм клеток рецептора, в основном на дыхательную цепь.The biosensors used for these purposes, as a rule, operate on the basis of an amperometric electrode for determining the concentration of oxygen, for example, Clark’s electrode, with microorganism cells deposited on it (patent RU No. 129930,
Известен биосенсор для определения загрязненности воды органическими веществами (патент RU №73975 МПК G01N 33/18 (2006.01), опубл. 10.06 2008). Устройство включает электрод Кларка, сопряженный с биорецептором, содержащим иммобилизованные на носителе клетки штамма дрожжей Arxula adeninivorans ВКМ Y-2676 или клетки штамма дрожжей Arxula adeninivorans ВГИ 78.Known biosensor for determining water pollution by organic substances (patent RU No. 73975 IPC G01N 33/18 (2006.01), publ. 10.06 2008). The device includes a Clark electrode coupled to a bioreceptor containing cells of the Arxula adeninivorans VKM Y-2676 yeast strain or Arxula adeninivorans VGI 78 yeast strain cells immobilized on a carrier.
К недостатком устройства относится использование в качестве чувствительных к определяемым веществам клеток строго определенных штаммов дрожжей. Как и всякие чистые микробные культуры, они имеют определенный спектр усвояемых органических веществ, что сужает их чувствительность по отношению к широкому разнообразию органики в таком сложном и непредсказуемом по составу объекте, как сточные воды.A disadvantage of the device is the use of strictly defined yeast strains as cells sensitive to detectable substances. Like all pure microbial cultures, they have a certain spectrum of digestible organic substances, which narrows their sensitivity to a wide variety of organics in such an object, complex and unpredictable in composition, as wastewater.
Наиболее близким аналогом является биосенсор для анализа органического вещества (патент CN №1211652 Electrochemical method for enrichment of microorganism, biosensor for analyzing organic substance and biochemical oxygen demand, заявл. 07.071999 г, опубл. 20.07.2005). Данное устройство является двухкамерным. В его анодном отсеке находится смешанная культура анаэробных бактерий. Они разлагают органические вещества, подающиеся в отсек в составе исследуемой жидкости. Полученные из молекул разлагаемой бактериями органики электроны через электрическую измерительную систему попадают далее на катод. Протоны, также образующиеся при разложении бактериями органических молекул, при этом диффундируют через селективную мембрану в катодный отсек. Величина электрического тока в данном устройстве пропорциональна количеству органических веществ в исследуемой пробе. Недостатком данного изобретения является его высокая стоимость, обусловленная наличием протонселективной мембраны, разделяющей биосенсор на камеры, сложность эксплуатации, т.к. через анодную камеру необходимо продувать газообразный азот, через катодную камеру - продувать воздух.The closest analogue is a biosensor for analyzing organic matter (CN patent No. 1211652 Electrochemical method for enrichment of microorganism, biosensor for analyzing organic substance and biochemical oxygen demand, claimed 07.071999 g, publ. 20.07.2005). This device is a two-chamber. In its anode compartment is a mixed culture of anaerobic bacteria. They decompose organic matter fed into the compartment as part of the test fluid. Electrons obtained from molecules decomposed by bacteria of organics through an electrical measuring system then go to the cathode. Protons, also formed during the decomposition of organic molecules by bacteria, diffuse through the selective membrane into the cathode compartment. The magnitude of the electric current in this device is proportional to the amount of organic substances in the test sample. The disadvantage of this invention is its high cost, due to the presence of a proton-selective membrane dividing the biosensor into cameras, the complexity of operation, because nitrogen gas must be purged through the anode chamber, air must be purged through the cathode chamber.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение применения биосенсора и снижение его стоимости.The technical result of the claimed invention is to simplify the use of the biosensor and reduce its cost.
Достижение технического результата обеспечивается использованием биосенсора для определения наличия органических веществ в воде, состоящего из пустотелого цилиндрического корпуса, в нижнем основании которого расположен анод, на который нанесены природные электрогенные анодофильные бактерии. На пустотелый цилиндрический корпус насажена пластина с отверстием, выполненная из материала, обеспечивающего плавучесть биосенсора, например пенопласта, и расположенная в верхней части цилиндра, так что обеспечено разделение фаз анализируемой жидкости, находящейся внутри цилиндра, и воздуха над катодом, расположенным в верхнем основании цилиндра. Анод и катод выполнены из углеродного войлока и через токоотводящие провода соединены с измерительным электронным блоком, измеряющим напряжение.The achievement of the technical result is ensured by the use of a biosensor to determine the presence of organic substances in water, consisting of a hollow cylindrical body, in the lower base of which there is an anode, on which natural electrogenic anodophilic bacteria are deposited. A plate with a hole is mounted on the hollow cylindrical body, made of a material that ensures the buoyancy of a biosensor, for example, foam, and located in the upper part of the cylinder, so that the phases of the analyzed liquid inside the cylinder are separated from the air above the cathode located in the upper base of the cylinder. The anode and cathode are made of carbon felt and are connected through a current-conducting wire to a measuring electronic unit that measures voltage.
Отличительным признаком заявляемого устройства является наличие пластины, выполненной из материала, обеспечивающего плавучесть, с отверстием, через которое она насажена на пустотелый цилиндрический корпус. Кроме того, применены электрогенные анодофильные бактерии, способные прикрепляться к поверхности электрода и передавать электроны из своих дыхательных цепей непосредственно на анод как на конечный акцептор.A distinctive feature of the claimed device is the presence of a plate made of a material that provides buoyancy, with a hole through which it is mounted on a hollow cylindrical body. In addition, electrogenic anodophilic bacteria were used that are able to attach to the surface of the electrode and transfer electrons from their respiratory chains directly to the anode as the final acceptor.
В устройстве использовано естественное сообщество природных электрогенных анодофильных бактерий неопределенного систематического состава, формирующих биопленку на поверхности углеродного анода при его погружении в иловые отложения водоема.The device uses the natural community of natural electrogenic anodophilic bacteria of indefinite systematic composition, forming a biofilm on the surface of the carbon anode when it is immersed in silt sediments of a reservoir.
Предлагаемый биосенсор не имеет в своей конструкции протонселективной мембраны, ее роль выполняет слой воды, разделяющий катод и анод. На аноде микроорганизмы ассимилируют органические вещества из воды, при этом свободные протоны диффундируют к катоду, где окисляются кислородом до воды (Logan В.Е. Microbial Fuel Cells. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ. 2008. 200 P.).The proposed biosensor does not have a proton-selective membrane in its design; its role is played by a layer of water separating the cathode and anode. At the anode, microorganisms assimilate organic matter from water, while free protons diffuse to the cathode, where they are oxidized by oxygen to water (Logan, B.E. Microbial Fuel Cells. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ. 2008. 200 P.) .
На фиг. 1 представлена схема биосенсора. На фиг. 2 - графики электрогенеза биосенсоров при наличии/отсутствии анодофильных электрогенных микроорганизмов на аноде, при наличии/отсутствии в воде глюкозо-глутаматной смеси, где кривая I - средняя величина напряжения биосенсоров с биопленкой бактерий на аноде, кривая II - величина напряжения биосенсора без биопленки бактерий на аноде. На фиг. 3 - график электрогенеза биосенсоров при наличии или отсутствии в воде ГМФ-агара как источника органических веществ, где кривая I - зафиксированное напряжение, создаваемое биосенсором при наличии в воде органических веществ ГМФ-агара; кривая II - без органических веществ в воде. На фиг. 4 - график электрогенеза в образцах воды с прямым поступлением сточных вод сахарного завода и водоеме без прямого попадания сточных вод, где кривая I - зафиксированное напряжение на биосенсоре в образце воды из водоема с прямым попаданием сточных вод завода, кривая II - в образце из водоема без прямого попадания сточных вод.In FIG. 1 shows a biosensor circuit. In FIG. 2 - graphs of biosensor electrogenesis in the presence / absence of anodophilic electrogenic microorganisms on the anode, in the presence / absence of glucose-glutamate mixture in water, where curve I is the average voltage of biosensors with a biofilm of bacteria on the anode, curve II is the voltage value of a biosensor without a biofilm of bacteria on anode. In FIG. 3 is a graph of biosensor electrogenesis in the presence or absence of GMF agar in water as a source of organic substances, where curve I is the recorded voltage generated by the biosensor in the presence of GMF agar organic substances in water; curve II - without organic matter in water. In FIG. 4 is a graph of electrogenesis in water samples with a direct input of wastewater from a sugar factory and a pond without direct wastewater, where curve I is the recorded voltage on the biosensor in a sample of water from a pond with direct contact with the wastewater of a plant, curve II is in a sample from a pond without direct sewage.
Биосенсор для определения наличия органических веществ в воде состоит из пустотелого цилиндрического корпуса 1, в нижнем основании которого расположен анод 2, на который нанесены природные электрогенные анодофильные бактерии, образующие биопленку 3. На пустотелый цилиндрический корпус 1 насажена пластина 4 с отверстием, анализируемая жидкость 5, находящаяся внутри цилиндрического корпуса 1 между анодом 2 и катодом 6, расположенным в верхнем основании цилиндрического корпуса 1. Анод 2 и катод 6 выполнены из углеродного войлока и через токоотводящие провода 7 соединены с измерительным электронным устройством 8, измеряющим напряжение.The biosensor for determining the presence of organic substances in water consists of a hollow
Электронный блок 8 включает в себя микроконтроллер Arduino nano v3 (на чертеже не обозначен). В электрическую цепь включена нагрузка в виде резистора 9 сопротивлением 1000 Ом.The
Определение наличия в воде органических веществ основано на измерении электрогенной активности бактерий, находящихся в биопленке 3 на аноде 2, и зависит от количества ассимилируемой ими органики в исследуемом водном образце.The determination of the presence of organic substances in water is based on the measurement of the electrogenic activity of bacteria located in
Для работы биосенсора необходимо наличие электрогенных анодофильных бактерий на аноде 2. Для этого цилиндрический корпус 1 с установленным в его нижнем основании анодом 2 из углеродного войлока погружают вертикально в емкость с отобранными естественными иловыми отложениями из водоема, покрытыми слоем воды толщиной до 5 см, так чтобы анод 2 был погружен в ил на глубину не менее 5 см, а катод 6 находился на границе раздела фаз вода-воздух. На аноде 2 образуется электрохимически активная биопленка 3 из электрогенных анодофильных микроорганизмов из иловых отложений, способных к анаэробному метаболизму. Биосенсор находится в емкости с иловыми отложениями от 1 до 7 суток, затем его извлекают и избыток ила, непрочно связанный с углеродным войлоком анода 2 и цилиндрическим корпусом 1, аккуратно отмывают при неоднократном погружении его в объем с чистой водопроводной водой. В результате на аноде 2 остается только биопленка 3, выполняющая далее функцию биорецептора в биосенсоре.For the biosensor to work, the presence of electrogenic anodophilic bacteria on the
Биосенсор работает следующим образом.The biosensor works as follows.
Перед исследованием изучаемого образца воды цилиндрический корпус 1 биосенсора заполняют водой путем его погружения в емкость с водой, не содержащей органического загрязнения, например водопроводную воду, предварительно прокипяченную и отфильтрованную для удаления хлора и избытка солей, так что пластина 4 с отверстием обеспечивает положение катода 6, находящегося внутри цилиндрического корпуса 1, на уровне раздела фаз анализируемая вода - воздух. После погружения между анодом 2 и катодом 6 электронным блоком 8 фиксируют электрическое напряжение. Далее воду в цилиндрическом корпусе 1 заменяют на исследуемую с возможным наличием органических веществ путем погружения в емкость с анализируемой водой 5, которая через анод проникает в корпус 1.Before examining the studied water sample, the
Анодофильные электрогенные бактерии биопленки 3 ассимилируют содержащиеся в воде органические вещества, при разложении которых освобождаются протоны и электроны. Электроны перемещаются от клеток бактерий биопленки 3 на анод 2, по токоотводящим проводам 7 через измерительный электронный блок 8 к катоду 6. Протоны диффундируют в водной среде 5 внутри цилиндрического корпуса 1 от анода 2 к катоду 6. Направленный поток электронов и протонов в биосенсоре достигается путем расположения катода 6 относительно анода 2 в более окислительной среде на границе раздела фаз вода - воздух. На катоде 6 происходит окисление протонов кислородом воздуха при участии электронов поступивших от анода 2.Anodophilic electrogenic bacteria of the
Электронный блок 8 автоматически регистрирует напряжение на резисторе 9. Сопротивление резистора 9 составляло 1000 Ом, сила тока зависит от количества электронов, поступающих от биопленки 3 анодофильных электрогенных бактерий через анод 2. Измерение напряжения начинают через 15 минут после погружения устройства в образец исследуемой воды и заполнения ею цилиндрического корпуса 1. Измерение проводится на протяжении 3-6 часов с замерами не реже 1 раза в 60 минут при отсутствии вибраций, перемешивания исследуемой воды, при постоянной температуре. Содержание органических веществ в исследуемой воде проводится согласно предварительно построенному калибровочному графику. После окончания измерения биосенсор промывается чистой водой от остатков органических веществ исследуемой воды.The
Для построения калибровочного графика устройство помещают в образцы воды с известным содержанием органических веществ, регистрируют величину напряжения при различных концентрациях органических веществ согласно последовательности действий, описанных выше. Полученные значения используются для построения графика. В качестве органических веществ используют глюкозо-глутаматная смесь (ГГС), традиционно принятую в практике БПК (ХПК)-метрии в качестве стандарта для калибровки аналитических устройств (Природоохранный нормативный документ федерального уровня ПНД Ф 14. 1:2:3:4.1 23-97 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.).To build a calibration graph, the device is placed in water samples with a known content of organic substances, the voltage value is recorded at various concentrations of organic substances according to the sequence of steps described above. The obtained values are used to plot the graph. As organic substances, glucose-glutamate mixture (GHS) is used, which is traditionally accepted in the practice of BOD (COD) -metry as a standard for calibrating analytical devices (Environmental regulatory document at the federal level PND F 14. 1: 2: 3: 4.1 23-97 Quantitative chemical analysis of water: Methodology for measuring biochemical oxygen demand after n-days of incubation (BOD is full ) in surface fresh, underground (ground), drinking, waste, and treated wastewaters. M: 1997, 25 p.).
ПримерExample
Для изготовления биосенсора из полой трубы на основе поливинилхлоридного пластика диаметром 2 см вырезают цилиндр корпуса 1 биосенсора длиной 10 см. Из углеродного войлока вырезают два диска, соответствующих диаметру цилиндрического корпуса 1 и выполняющих в дальнейшем функцию анода 2 и катода 6. К каждому из них прикреплены электропроводящие провода 7 в изоляции длиной 50 см. На верхнее основание цилиндрического корпуса 1 биосенсора насаживается пластина 4 размером 5×5 см из пенопласта со сквозным отверстием в центре диаметром 2 см, так что катод 6 находится в отверстии пластины 4. В качестве электронного блока 8 использовали микроконтроллер Arduino nano v3. Для обработки результатов измерений - программные средства Arduino IDE.For the manufacture of a biosensor from a hollow pipe based on polyvinyl chloride plastic with a diameter of 2 cm, a cylinder of the
Рассмотрим использование биосенсора.Consider the use of a biosensor.
Пример 2Example 2
Исследовано четыре биосенсора (обозначим их - А, В, С, D), изготовленных, как описано выше. Они были погружены в общий сосуд с водопроводной водой - первое действие. Зарегистрирована электронным устройством 8 величина напряжения - она находилась у всех четырех в диапазоне 0,05-0,08 мВ. Три биосенсора: А, В, С, помещали в ил для образования на аноде 2 биопленки 3 анодофильных электрогенных бактерий. Четвертый биосенсор - D не погружали и далее использовали в качестве абиогенного контроля. Все четыре биосенсора были опущены в исследуемую воду - действие второе. В точке 2 на фиг. 2 отмечено среднее значение напряжение для биосенсоров А, В, С и значение, зафиксированное на биосенсоре D.Four biosensors were studied (we will designate them - A, B, C, D), manufactured as described above. They were immersed in a common vessel with tap water - the first action. The voltage value was registered by the electronic device 8 - it was in all four in the range of 0.05-0.08 mV. Three biosensors: A, B, C, were placed in sludge to form 2
В сосуд с водой внесена глюкозо-глутаматная смесь (ГГС) - третье действие, Концентрация глюкозы и глутамата соответствовала уровню органического загрязнения среды в 205 мг О2/дм3. Измеряли напряжение каждый час в течение шести часов, на фиг. 2 этим действиям соответствуют точки с третьей по восьмую. Напряжение биосенсоров А, В, С выросло с 0,20 мВ до 0,28 мВ. Напряжение биосенсора D колебалось в пределах 0,01-0,04 мВ. Девятое действие - замена исследуемой воды на водопроводную. Как видно из графика I, среднее значение напряжения на биосенсорах А, В, С, значительно снизилось, приближаясь к показаниям биосенсора D на графике II.A glucose-glutamate mixture (GHS) was added to the vessel with water — the third action. The concentration of glucose and glutamate corresponded to the level of organic pollution of the medium at 205 mg O 2 / dm 3 . The voltage was measured every hour for six hours, in FIG. 2, these points correspond to points three through eight. The voltage of biosensors A, B, C increased from 0.20 mV to 0.28 mV. The biosensor voltage D ranged from 0.01-0.04 mV. The ninth action is the replacement of the test water with tap water. As can be seen from graph I, the average voltage on the biosensors A, B, C, significantly decreased, approaching the readings of the biosensor D in graph II.
Таким образом, биосенсоры А, В, С, содержащие на аноде 2 в качестве биорецептора биопленку электрогенных анодофильных бактерий 3, были способны реагировать изменением напряжения на наличие или отсутствие в исследуемой воде органических веществ. Биосенсор D без наличия биопленки анодофильных электрогенных бактерий в качестве биорецептора не демонстрировал такой реакции.Thus, biosensors A, B, C, containing on the
Пример 3Example 3
Исследовано 6 биосенсоров описанной выше конструкции с биопленкой 3 на аноде 2. Они были помещены по 3 штуки в два одинаковых сосуда с водопроводной водой, зафиксированы исходные (фоновые) значения их напряжений. В один из них была внесена сложная смесь органических веществ в виде питательного ГМФ-агара в концентрации 0,3 г/л, биоразлагаемая фракция которого (составляет 42%) представлена гидролизатом мяса ферментативным (опыт). В другом вода осталась без изменений(контроль). Измеряли напряжение с периодичностью 1 раз в час на протяжении 3 часов на каждом из биосенсоров. Результаты в виде усредненных значений напряжений приведены на фигуре 3. В опыте напряжение биосенсоров (кривая I) возрастало более активно от 0,09 до 0,62 мВ по сравнению с контролем (кривая II).We studied 6 biosensors of the above construction with
Пример 4Example 4
Исследовано 2 биосенсора описанной выше конструкции с биопленкой 3 на аноде 2.Investigated 2 biosensors of the above construction with
Один биосенсор был использован для оценки загрязнения органическими веществами сточных вод сахарного завода в принимающем их техническом водоеме (фиг. 4, кривая I). Вторым для сравнения исследовалась вода в другом водоеме после фильтрации ее из первого водоема (фиг. 4, кривая II). На кривой I величина напряжения биосенсора составила 0,32-0,34 мВ, а на кривой II - 0,11-0,15 мВ. Загрязненность воды в обоих водоемах определили стандартным методом спектрофотометрического определения ХПК по ГОСТ Р 52708-2007. В первом и втором водоемах величина ХПК составляла соответственно 178 и 27 мг/л. В результате определения с помощью биосенсора и с помощью стандартного метода показали факт превышения органического загрязнения воды из первого водоема над загрязнением воды из второго водоема.One biosensor was used to assess the organic pollution of wastewater from the sugar factory in the receiving water body (Fig. 4, curve I). The second, for comparison, was studied water in another reservoir after filtering it from the first reservoir (Fig. 4, curve II). On curve I, the biosensor voltage was 0.32-0.34 mV, and on curve II, 0.11-0.15 mV. Water pollution in both reservoirs was determined by the standard method of spectrophotometric determination of COD according to GOST R 52708-2007. In the first and second reservoirs, the COD value was 178 and 27 mg / l, respectively. As a result of determination using a biosensor and using a standard method, the fact of excess organic pollution of water from the first reservoir over pollution of water from the second reservoir was shown.
Таким образом, предлагаемый биосенсор для определения содержания в воде органических веществ позволяет оценить уровень органического загрязнения воды, имея при этом более простую и дешевую конструкцию по сравнению с прототипом.Thus, the proposed biosensor for determining the content of organic substances in water allows you to assess the level of organic pollution of water, while having a simpler and cheaper design compared to the prototype.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017121716A RU2650634C1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | Biosensor for determining presence of organic substances in water |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017121716A RU2650634C1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | Biosensor for determining presence of organic substances in water |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2650634C1 true RU2650634C1 (en) | 2018-04-16 |
Family
ID=61976924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017121716A RU2650634C1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | Biosensor for determining presence of organic substances in water |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2650634C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU205304U1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-07-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | DEVICE FOR EXPRESS ANALYSIS OF WATER POLLUTION BY BIODEGRADABLE ORGANIC COMPOUNDS |
| CN113640355A (en) * | 2021-07-13 | 2021-11-12 | 南京师范大学 | Visualization system for in-situ online monitoring of wetland pollution events |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1360677A (en) * | 1999-07-07 | 2002-07-24 | 韩国科学技术研究院 | Electrochemical method for enrichment of microorganism, biosensor for analyzing organic substance and BOD |
| RU73975U1 (en) * | 2007-12-05 | 2008-06-10 | Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН | BIOSENSOR FOR DETERMINING WATER POLLUTION BY ORGANIC SUBSTANCES |
| RU129930U1 (en) * | 2012-08-10 | 2013-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук | BIOSENSOR FOR DETERMINING ORGANIC MATTERS BASED ON ADAPTED CELLS GLUCONOBACTER OXYDANS VKM B-1280 AND OXYGEN ELECTRODE CLARK TYPE |
| RU145009U1 (en) * | 2013-12-30 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") | MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS |
-
2017
- 2017-06-20 RU RU2017121716A patent/RU2650634C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1360677A (en) * | 1999-07-07 | 2002-07-24 | 韩国科学技术研究院 | Electrochemical method for enrichment of microorganism, biosensor for analyzing organic substance and BOD |
| RU73975U1 (en) * | 2007-12-05 | 2008-06-10 | Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН | BIOSENSOR FOR DETERMINING WATER POLLUTION BY ORGANIC SUBSTANCES |
| RU129930U1 (en) * | 2012-08-10 | 2013-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук | BIOSENSOR FOR DETERMINING ORGANIC MATTERS BASED ON ADAPTED CELLS GLUCONOBACTER OXYDANS VKM B-1280 AND OXYGEN ELECTRODE CLARK TYPE |
| RU145009U1 (en) * | 2013-12-30 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") | MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU205304U1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-07-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | DEVICE FOR EXPRESS ANALYSIS OF WATER POLLUTION BY BIODEGRADABLE ORGANIC COMPOUNDS |
| CN113640355A (en) * | 2021-07-13 | 2021-11-12 | 南京师范大学 | Visualization system for in-situ online monitoring of wetland pollution events |
| CN113640355B (en) * | 2021-07-13 | 2024-02-23 | 南京师范大学 | Visualization system for in-situ on-line monitoring of wetland pollution event |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jiang et al. | Microbial fuel cell sensors for water quality early warning systems: Fundamentals, signal resolution, optimization and future challenges | |
| Chee et al. | Optical fiber biosensor for the determination of low biochemical oxygen demand | |
| Liu et al. | Immobilised activated sludge based biosensor for biochemical oxygen demand measurement | |
| Di Lorenzo et al. | A single-chamber microbial fuel cell as a biosensor for wastewaters | |
| Prévoteau et al. | Oxygen-reducing microbial cathodes monitoring toxic shocks in tap water | |
| Islam et al. | Electrolytic denitrification: long term performance and effect of current intensity | |
| CA2783256C (en) | Microbially-based sensors for environmental monitoring | |
| Quek et al. | Microbial fuel cell biosensor for rapid assessment of assimilable organic carbon under marine conditions | |
| Santegoeds et al. | Microsensors as a tool to determine chemical microgradients and bacterial activity in wastewater biofilms and flocs | |
| Wang et al. | Real-time monitoring of sediment bulking through a multi-anode sediment microbial fuel cell as reliable biosensor | |
| CA2645349C (en) | A bacterium consortium, bio-electrochemical device and a process for quick and rapid estimation of biological oxygen demand | |
| Burge et al. | Microbial potentiometric sensor: A new approach to longstanding challenges | |
| CN113504280B (en) | Bioelectrochemical method for real-time in-situ detection of nitrite in sewage | |
| CN102520047B (en) | Device and method for detecting toxicity of water body | |
| Maallah et al. | Electrochemical bio-sensor for degradation of phenol in the environment | |
| VOGRINC et al. | Microbial biosensors for environmental monitoring | |
| Lee et al. | Characterization and application of a chlorine microelectrode for measuring monochloramine within a biofilm | |
| RU2650634C1 (en) | Biosensor for determining presence of organic substances in water | |
| Ivandini et al. | Yeast-based biochemical oxygen demand sensors using Gold-modified boron-doped diamond electrodes | |
| CN102288653A (en) | Online biochemical oxygen demand (BOD) detector and detection method of same | |
| RU205304U1 (en) | DEVICE FOR EXPRESS ANALYSIS OF WATER POLLUTION BY BIODEGRADABLE ORGANIC COMPOUNDS | |
| Nakamura | Recent organic pollution and its biosensing methods | |
| Wang et al. | Innovative electrochemical biosensor with nitrifying biofilm and nitrite oxidation signal for comprehensive toxicity detection in Tuojiang River | |
| US11092585B2 (en) | Electrochemical method for detection and quantification of organic compounds in water | |
| CN108107102B (en) | A kind of electrochemistry water body acute biological toxicity evaluation method based on isolation method |