RU2800373C1 - Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода - Google Patents
Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2800373C1 RU2800373C1 RU2022133494A RU2022133494A RU2800373C1 RU 2800373 C1 RU2800373 C1 RU 2800373C1 RU 2022133494 A RU2022133494 A RU 2022133494A RU 2022133494 A RU2022133494 A RU 2022133494A RU 2800373 C1 RU2800373 C1 RU 2800373C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biochemical oxygen
- index
- organic substances
- oxygen consumption
- polymorpha
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области аналитической биотехнологии. Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода, характеризующееся тем, что содержит магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения, рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками - ассоциацией дрожжей Blastobotrys adeninivorans ВКМ Y-2677 (В. adeninivorans) и Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559 (О. polymorpha) в соотношении 1:1. Изобретение позволяет улучшить технические характеристики устройства, в частности снизить нижнюю границу до 2 мг/дм3, снизить длительность единичного измерения, увеличить спектр окисляемых субстратов. 1 ил., 1 табл.
Description
Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода относится к области экологического мониторинга окружающей среды и может быть использовано для оценки состояния поверхностных вод и контроля процессов очистки сточной воды. Для выявления загрязнения водных сред органическими веществами используют параметр БПК (биохимическое потребление кислорода) - количество кислорода (в мг), требуемое для окисления находящихся в 1 дм3 воды органических веществ в аэробных условиях. Продолжительность стандартного метода определения БПК5 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 (БПКполн) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах. - М.: 1997. - 25 с.], поэтому растет потребность в разработке экспресс-анализаторов.
Известно устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода, которое представляет собой биосенсорную систему с иммобилизованными микроорганизмами. [Zhao С. et al. Bacterial Cellulose Immobilized S. cerevisiae as Microbial Sensor for Rapid BOD Detection // Fibers and Polymers. - 2021. - T. 22. - №. 5. - C. 1208-1217]. Устройство состоит из магнитной мешалки, измерительной кюветы с тремя электродами: каломельного электрода сравнения, платинового вспомогательного электрода и рабочего стеклоуглеродного электрода, модифицированного электропроводящей углеродной сажей с иммобилизованными в бактериальную целлюлозу дрожжевыми клетками Saccharomyces cerevisiae, на поверхности которых адсорбирован медиатор менадион; дополнительно в измерительную кювету вводят раствор второго медиатора гексацианоферрата (III) калия. Существенными недостатками данной модели является использование дрожжей Saccharomyces cerevisiae, что приводит к искажению результатов анализа в виду того, что биоматериал обладает низкой стабильностью при воздействии негативных факторов окружающей среды (присутствию различных токсикантов в анализируемых пробах) [Gao G., Fang D., Yu Y, Wu L., Wang Y, Zhi J. A double-mediator based whole cell electrochemical biosensor for acute bioloxicity assessment of wastewater // Talanta. - 2017. - V. 167. - P. 208-216]. К другим недостаткам следует отнести необходимость дополнительного введения в измерительную ячейку раствора медиатора гексацианоферрата (III) калия для обеспечения приемлемого для определения БПК5 спектра окисляемых веществ.
Наиболее близким по своим признакам, принятое за прототип, является устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода [Зайцева А.С. и др. Медиаторный БПК-биосенсор па основе ферроцена и дрожжевых клеток Debaryomyces hansenii // Прикладная биохимия и микробиология. - 2017. - Т. 53. - №. 3. - С. 341-348]. Устройство содержит магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения и рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками штамма Debaryomyces hansenii ВКМ Y-2482. Устройство позволяет определять индекс биохимического потребления кислорода БПК5 пробах, значение БПК5 которых не менее 25,2 мг О2/дм3, время анализа одной пробы составляет 10 минут. Существенным недостатком прототипа является высокая нижняя граница определяемых значений биохимического потребления кислорода более 25 мг/дм3, не позволяющая проводить анализ проб, значения БПК5 которых ниже предельно-допустимых значений [СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 22 июня 2000 г. - М., 2000].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение технических характеристик устройства для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода, в частности снижение нижней границы определяемых значений биохимического потребления кислорода.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода содержит магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения, рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками, причем в качестве иммобилизованных клеток взята ассоциация дрожжей Blastobotrys adeninivorans ВКМ Y-2677 (В. adeninivorans) и Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559 (О. polymorpha) в соотношении 1:1.
На фиг. показано устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода. В табл. представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода.
Технический результат заявляемого устройства заключается в улучшении технических характеристик, за счет снижения нижней границы 25,2 мг/дм3 (прототип) до 2 мг/дм3 (заявляемое техническое решение), уменьшения длительности единичного измерения с 10 минут (прототип) до 6 минут (заявляемое техническое решение), увеличении спектра окисляемых субстратов с 15 веществ (прототип) до 20 (заявляемое техническое решение).
Снижение нижней границы и увеличение числа окисляемых субстратов заявляемым техническим решением связано с заменой дрожжей D. hansenii на ассоциацию, составленную из дрожжей В. adeninivorans и О. polymorpha. Каждый индивидуальный микроорганизм, взятый для формирования ассоциации, обладает высокой окислительной активностью по отношению к широкому спектру субстратов в условиях медиаторного биоэлектрокатализа [Kharkova A.S. et al. A kinetic approach to the formation of two-mediator systems for developing microbial biosensors as exemplified by a rapid biochemical oxygen demand assay // 3 Biotech. - 2021. -T. 11. - №. 5. - C. 1-13], использование дрожжевых клеток совместно в составе ассоциации увеличивает окислительную активность рецеиторной системы и повышает чувствительность при оценке количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода.
Незначительное уменьшение длительности единичного измерения обусловлено тем, что ферроцен обладает более высокой константой скорости взаимодействия с индивидуальными микроорганизмами ассоциации, чем с клетками дрожжей D. hansenii, взятых в прототипе [Kharkova A. S. et al. A kinetic approach to the formation of two-mediator systems for developing microbial biosensors as exemplified by a rapid biochemical oxygen demand assay //3 Biotech. - 2021. - T. 11. - №. 5. - С.1-13].
Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: рабочий угольно-пастовый электрод 1, модифицированный ферроценом с иммобилизованными на поверхности клеток 2 ассоциации дрожжей В. adeninivorans и О. polymorpha, взятых в соотношении 1:1, хлорсеребряный электрод 3 сравнения, измерительная кювета 4 объемом 5 мл, магнитная мешалка 5.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение характеристик устройства, в частности снижение нижней границы, что связано с использованием в качестве иммобилизованных клеток ассоциации дрожжей В. adeninivorans и О. polymorpha (1:1).
При регистрации сигнала устройства используют электрохимический преобразователь-потенциостат, регистрирующий зависимость силы тока от времени - IPC Micro, к которому подключают электроды. Измерения проводят при постоянном потенциале +250 мВ.
Рабочий электрод 1 готовят на основе графитовой пасты следующего состава: ферроцен - 10 мг, графитовая пудра - 90 мг, минеральное масло -40 мкл. Ферроцен растворяют в ацетоне объемом 500 мкл. После испарения ацетона данной смесью наполняют пластиковый корпус электрода. Затем на зачищенную поверхность электрода наносят клетки 2 на основе дрожжей В. adeninivorans и О. polymorpha в соотношении 1:1 с общим титром 330 мг/см3, при этом суммарный объем суспензии составляет 10 мкл, для удерживания клеток применяют диализную мембрану, которую фиксируют с помощью пластикового кольца. Принцип работы устройства для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода заключается в следующем: измерения проводят в измерительной кювете 4 объемом 5 мл, содержащей калий-натрий фосфатный буферный раствор (рН=6,8). В измерительной кювете 4 погружены рабочий угольно-пастовый электрод 1, модифицированный ферроценом с иммобилизованными клетками 2 ассоциации дрожжей В. adeninivorans и О. polymorpha, взятых в соотношении 1:1, и хлорсеребряный электрод 3 сравнения. Измерения проводят при непрерывном перемешивании раствора с помощью магнитной мешалки 5 (300 об/мин) при комнатной температуре.
После установления стабильного уровня тока в измерительную кювету микропипеткой вводят необходимое количество раствора анализируемого вещества. После каждого измерения производят промывку измерительной кюветы калий-натрий-фосфатным буферным раствором. Скорость биоразложения органических субстратов рассчитывают 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), составляет 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-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода не требует привлечения высококвалифицированного персонала и позволяет определять индекс биохимического потребления кислорода за время не более 6 минут, при этом нижняя граница определяемых значений составляет 2 мг О2/дм3.
Claims (1)
- Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода, содержащее магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения, рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками, отличающееся тем, что в качестве иммобилизованных клеток взята ассоциация дрожжей Blastobotrys adeninivorans ВКМ Y-2677 (В. adeninivorans) и Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559 (O. polymorpha) в соотношении 1:1.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2800373C1 true RU2800373C1 (ru) | 2023-07-20 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU106898U1 (ru) * | 2010-12-03 | 2011-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода |
| RU117011U1 (ru) * | 2011-12-22 | 2012-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук (ИБФМ РАН) | Устройство для определения содержания глюкозы на основе глюкозооксидазы penicillium adametzii и кислородного электрода типа кларка |
| RU117918U1 (ru) * | 2011-10-28 | 2012-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Экобиохем" | Устройство для определения степени загрязнения воды биоразлогаемыми органическими веществами |
| CA2645349C (en) * | 2006-03-10 | 2015-08-04 | Council Of Scientific And Industrial Research | A bacterium consortium, bio-electrochemical device and a process for quick and rapid estimation of biological oxygen demand |
| RU205304U1 (ru) * | 2021-04-12 | 2021-07-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями |
| 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 (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2645349C (en) * | 2006-03-10 | 2015-08-04 | Council Of Scientific And Industrial Research | A bacterium consortium, bio-electrochemical device and a process for quick and rapid estimation of biological oxygen demand |
| RU106898U1 (ru) * | 2010-12-03 | 2011-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для экспресс-определения биохимического потребления кислорода |
| RU117918U1 (ru) * | 2011-10-28 | 2012-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Экобиохем" | Устройство для определения степени загрязнения воды биоразлогаемыми органическими веществами |
| RU117011U1 (ru) * | 2011-12-22 | 2012-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук (ИБФМ РАН) | Устройство для определения содержания глюкозы на основе глюкозооксидазы penicillium adametzii и кислородного электрода типа кларка |
| RU205304U1 (ru) * | 2021-04-12 | 2021-07-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями |
| 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 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Abrevaya et al. | Analytical applications of microbial fuel cells. Part II: Toxicity, microbial activity and quantification, single analyte detection and other uses | |
| Lagarde et al. | Cell-based electrochemical biosensors for water quality assessment | |
| Liu et al. | Immobilised activated sludge based biosensor for biochemical oxygen demand measurement | |
| Xu et al. | Microbial biosensors for environmental monitoring and food analysis | |
| Niyomdecha et al. | A novel BOD biosensor based on entrapped activated sludge in a porous chitosan-albumin cryogel incorporated with graphene and methylene blue | |
| Wang et al. | P-benzoquinone-mediated amperometric biosensor developed with Psychrobacter sp. for toxicity testing of heavy metals | |
| Kharkova et al. | A mediator microbial biosensor for assaying general toxicity | |
| Kharkova et al. | Mediator BOD biosensor based on cells of microorganisms isolated from activated sludge | |
| VOGRINC et al. | Microbial biosensors for environmental monitoring | |
| RU205304U1 (ru) | Устройство для экспресс-анализа загрязненности воды биоразлогаемыми органическими соединениями | |
| Evans et al. | Biosensors for the measurement of toxicity of wastewaters to activated sludge | |
| Chiappini et al. | A new microbial biosensor for organic water pollution based on measurement of carbon dioxide production | |
| Ma et al. | A Ferricyanide‐mediated Activated Sludge Bioassay for Determination of the Toxicity of Water | |
| Yang et al. | A portable instrument for monitoring acute water toxicity based on mediated electrochemical biosensor: Design, testing and evaluation | |
| Pescheck et al. | Innovative electrochemical biosensor for toxicological investigations on algae and cyanobacteria | |
| RU164144U1 (ru) | Устройство для экспресс-мониторинга индекса биохимического потребления кислорода | |
| Pasco et al. | Biosensors: MICREDOX-a new biosensor technique for rapid measurement of BOD and toxicity | |
| RU2800373C1 (ru) | Устройство для экспресс-оценки количества легкоокисляемых органических веществ по индексу биохимического потребления кислорода | |
| US11092585B2 (en) | Electrochemical method for detection and quantification of organic compounds in water | |
| CN111443116A (zh) | 一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法 | |
| Zaitseva et al. | A novel BOD-mediator biosensor based on ferrocene and Debaryomyces hansenii yeast cells | |
| RU2650634C1 (ru) | Биосенсор для определения наличия органических веществ в воде | |
| RU73975U1 (ru) | Биосенсор для определения загрязненности воды органическими веществами | |
| RU192836U1 (ru) | Устройство для экспресс-анализа индекса биохимического потребления кислорода | |
| RU210524U1 (ru) | Устройство для экспресс-определения токсичности поверхностных вод |