Биосенсоры для детекции сульфоароматических и фенольных соединий на основе бактерий родов comamonas и pseudomonas - деструкторов (стр. 8 )

Перераспределение потоков воздуха по аэротенкам

Данные по итоговому распределению кислорода без изменения общего расхода воздуха приведены в табл. 13.

Таблица № 13. Концентрация растворенного кислорода по аэротенкам первого блока после регулировки, мг/л.

Точка замера	Аэротенк № 1	Аэротенк № 2	Аэротенк № 3	Аэротенк № 4.
0	0	0.33	0	0
10	0.70	1.66	0.40	0.30
20	2.88	0.27	0.50	1.89
30	4.00	1.28	3.40	2.33
40	4.06	3.30	2.50	2.99
40*	3.90	4.07	3.50	3.80
50	4.28	5.34	4.50	5.16
60	4.10	5.50	4.80	4.80
70	5.30	5.00	5.00	4.54
80	5.34	4.60	4.10	3.84

*- начало второго коридора.

Химический анализ

Для подтверждения эффективности проведенных мероприятий, была проанализирована биохимочищенная вода на выходе каждого задействованного аэротенка по показателю «ХПК». Результаты исследований представлены в табл. 14.

Таблица № 14. Снижение ХПК иловой смеси на аэротенках первого и второго блоков, мг/ л.

Точка отбора пробы	4.10.02.	11.10.02.	14.10.02.
Аэротенк № 1	220	230	250
Аэротенк № 2	250	280	250
Аэротенк № 3	270	280	290
Аэротенк № 4	260	260	280
Аэротенк № 5	220	200	230
Аэротенк № 7	190	180	210

Таким образом, снижение ХПК на первой очереди аэротенков в среднем составляет 250 мг/л, на второй очереди аэротенков – 200 мг/л.

Данные по снижению ХПК, полученные по результатам анализов, произведенных в период до начала оптимизации работы сооружений БХО, представлены в табл. 15.

Таким образом, до начала мероприятий по оптимизации работы сооружений БХО, снижение ХПК в среднем составляло 170 мг/л. Проведенные мероприятия позволили увеличить степень очистки (снижение ХПК) на первом блоке аэротенков на 17%.

Увеличение степени очистки, полученное в результате проведенных работ, достигнуто благодаря равномерному перераспределению исходного стока и кислорода по аэротенкам.

Таблица № 15. Результаты анализа на ХПК сточной и биохимочищенной воды по данным промышленно-санитарной лаборатории предприятия.

Дата измерений	ХПК сточных вод, мг/л	ХПК биохимочищенной воды, мг/л	Снижение ХПК, мг/л
18.06.02	330	150	180
01.09.02.	356	188	168

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор современных достижений в области биосенсорной детекции позволяет сделать вывод о необходимости конструирования новых микробных сенсоров для детекции ароматических и сульфоароматических соединений, поскольку в настоящее время биосенсорная детекция этих соединений представлена в основном ферментными сенсорами, применение которых в ряде случаев нежелательно, о чем говорилось в гл. 2.2.2. Применение биосенсоров сдерживается высокой стоимостью высокоочищенных биологических компонентов, необходимостью защиты чувствительного элемента от вредных воздействий среды, малым сроком службы, а также необходимостью повышения селективности преобразователей.

В работе показана возможность применения микроорганизмов-деструкторов целевых веществ в качестве рецепторных элементов биосенсоров для детекции соответствующих ароматических соединений. В частности, созданы модели микробных сенсоров для детекции п-толуолсульфоната и фенола, их нижние пределы детекции составили 5 мкМ. Основным отличием работы от проводимых ранее исследований является идея об использовании дифференциальной пары сенсоров на основе микроорганизмов одного и того же штамма, отличающихся только наличием плазмиды деградации целевого соединения. Выполнен математический расчет погрешности при работе дифференциальной системы детекции. Необходимы дальнейшие исследования с целью определения оптимальных условий функционирования дифференциальной пары, оптимизации параметров функционирования двухканальной системы регистрации с целью их практического применения для детекции ароматических ксенобиотиков в сточных водах промышленных производств и экологических системах.

В работе также проведено исследование процесса деградации целевого соединения в периодических и непрерывных условиях. Полученные данные могут служить основой для разработки прмышленных реакторов для деградации целевых соединений, содержащихся в стоках химических производств.

Предложен прототип колоночного сенсора, который может быть использован в качестве аналитического метода оценки окислительной активности микроорганизмов активного ила установок биохимической очистки промышленных сточных вод. Применение данного метода позволит проводить анализ в кратчайшие сроки и без применения реагентов.

Биосенсорный подход был применен также для оптимизации работы очистных сооружений промышленного предприятия, использование кислородного электрода Кларка позволило более эффективно отладить работу аэробных биохимических очистных сооружений, повысить качество очистки промышленных стоков на 17%.

6. ВЫВОДЫ

1. Создана модель микробного биосенсора, обладающего высокой чувствительностью и селективностью в отношении сульфоароматических соединений. В основе биорецептора использован штамм C. testosteroni BS1310 (pBS1010) несущий плазмиду биодеградации сульфоароматических соединений pBS1010. Показано, что биосенсор мембранного типа позволяет0 производить экспресс-анализ п-толуолсульфоната в модельных средах в диапазоне детекции 5 – 1000 мкМ. Чувствительность сенсора по отношению к толуолсульфонату составляет 0.17 нА/с при концентрации 1 мМ. Использование плазмидсодержащих бактерий в сенсоре позволяет в 11 раз повысить селективность в отношении п-толуолсульфоната по сравнению с сенсором на основе бесплазмидного штамма.

2. Для упрощенной модели дифференциальной детекции произведена оценка возможной ошибки измерения целевых соединений - толуолсульфоната и фенола на фоне исследованных мешающих примесей. Нашли, что погрешность детекции составила бы 24% при определении п-толуолсульфоната, 11% при определении общего содержания сульфоароматических соединений, 35% при определении фенола и 12% при определении общего содержания ароматических соединений в случае равной концентрации как мешающих, так и целевых соединений. При анализе реальных сточных вод, содержащих преимущественно целевые соединения, погрешность должна существенно снизиться.

3. Впервые экспериментально показали, что окисление п-толуолсульфоната бактериальными клетками Comamonas testosteroni BS1310 как в свободном, так и в иммобилизованном состоянии происходит в стехиометрическом соотношении 2:1 (кислород: п-толуолсульфонат). Полученные данные составили основу для выбора типа биорецептора – мембранного или колоночного - при создании биосенсора для детекции данного соединения.

4. Бактериальный штамм, принадлежащий к роду Pseudomonas (рабочая маркировка "32-I"), использовали как основу биосенсора для детекции фенола. Измерение концентрации фенола было возможно в диапазоне мкМ. Нашли, что в отношении фенола селективность сенсора, основанного на плазмидсодержащих бактериях, в 17 раз превышает селективность сенсора на основе бесплазмидного штамма. Изучили параметры биосенсора и их зависимость от внешних условий.

5. На основании выполненных тестов с активным илом, имитирующим функционирование биологического материала в составе биосенсора, представили рекомендации по оптимизации работы водоочистных сооружений нефтеперерабатывающего производства, заключающиеся в проведении контроля степени оксигенации стоков. Полученные данные позволили на практике на 17% увеличить очистку стоков, содержащих фенол (оценка по индексу ХПК).

7. ЛИТЕРАТУРА

1. Hobson, I. Tothill, A. P. Turner. Microbial detection// Biosensors and Bioelectronics.- 1996.- N 6-P.

2. Х. Истамов. Экологические аспекты биологического действия ксенобиотиков. Пермь. 199с.

3. Marty, D. Garcia, R. Rouillon. Biosensors: potential in pesticide detection// Trends in Analytical Chemistry.- 1995.- N 7-P.

4. Биосенсоры для экологического мониторинга/ Т. Харченко, , // Журн. Всес. Биохим. о - ва им. .- 1991, т. 36, N2-С.

5. M. Rogers, L. R. Williams. Biosensors for environmental monitoring: a regulatory perspective// Trends in Analytical Chemistry.- 1995.- N 7-P. 289.

6. D. M. Rawson. The Use of biosensors for Pollution Detection in Clean Waters// J. Chem. Tech. Biotechnol.- 1992.- N 2-Р 58-67.

7. C. O. Sullivan, S. J. Alcock. BIOSET: Biosensors for Environmental Technology EU Workshop "Biosensors for Environmental Monitoring: Technology Evaluation" Held in Kinsale, Ireland,May 1998// Biosensors & Bioelectronics.- 1999.- .

8. Э. Тернер, И. Карубе, Дж. Уилсон. Биосенсоры: основы и приложения. М.: Мир. 199с.

9. Krivoshein Iu, S., L. Berzhanskaia, et al. Biosensors in biotechnology and medicine// Mikrobiol.- 1993.- № 55(1)-P. 101 – 111.

10. Clark L. C. Jr. Lyons C. Electrode Systems for continuous \ monitoring in cardiovascular surgery// Annals of the New York Academy of Sciences 1962.-№ 000.- Р

11. J. Racek. Cell-Based Biosensors.- Technomic Publishing Co. Inc., 1995. – 256 Р.

12. Development of a new ion-selective field-effect transistor sensor for anionic surfactants: Application to potentiometric titrations/ J. Sanchez, A. Beltran, J. Alonso, C. Jinuanez, M. del Valle// Analytica Chimica Acta.- 1999.- Vol. 382; № 2.- P.

13. I. G. Torro, J. V. C. Matteo, J. M. Calatayud. Flow-injection amperometric determination of nitrate (by photoreduction) and nitrite with the NO2 - I2 reaction// Analytica Chimica Acta.- 1998.- № 4.- P.

14. M. Amperometric determination of sympathometric drugs by flow injection analysis with a metallic copper electrode/ Chicharro, A. Zapardicle, E. Bermejo, J. A. Pearez, L. Herhaandez// Analytica Chimica Acta.- 1999.- Vol. 379; № 1.- P.

15. Amperometric Determination of Ammonium Ions with a Microbial Sensor/ K. Riedel, J. Huth, M. Cuehn, P. Liebs// J. Tech. Biotechnol.- 1990.- .

16. J. Ngen-Ngwanbi, A. A. Suleiman, G. G. Guilbault. Piezoelectric crystal biosensors// Biosensors and Bioelectronics.- 1990.- N 1-P.

17. A. A. Suleiman, G. G. Guilbault. Recent developments in piezoelectric immunosensors. A review// Analyst.- 1994.- N 11-P. 2

18. A rapid method for determination of Staphylococcus aureus based on milk coagulation by using a series piezoelectric quartz crystal sensor/ L. Bao, H. Tan, Q. Duan, X. Su, W. Wei// Analytica Chimica Acta.- 1998. Vol. 369; №2.- P.

19. Heitzer A., Malachowsky K., Thonnard J. E., Bienkowsky P. R., White D. C., Sayles G. S. Appl. End Environ. Microbiology. 1994. V. 60; № 5.-P. 1487 – 1494.

20. A novel microbial sensor for anionic surfactant determination/ I. Nomura 1, K. Ikebukuro 2, K. Yokoyama 2, T. Takeuchi 2, Y. Arikawa 3, S. Ohno 4 and I. Karube// Analytical letters.- 1994.-vol. 27; № 15.-Р. 3

21. M. D. Marazuela, M. C. Moreno-Bondi. Determination of choline-containing phospholipids in serum with a fiber-optic biosensor// Analytica Chimica Acta.- 1998.- .

22. A. W. M. Lee, J.-Z. Lu. Optode for the specific determination of anionic surfactants// Analytica Chimica Acta.- 1998.- .

23. A new sandwich-type diphthalocyanine as a potential optical transducer for NO2 detection/ F. Baldini, A. Capobianchi, A. Falai, G. Pennesi// Sensors and Actuators B.- 1998.- .

24. H. Maramatsu, E. Tamiya, I. Karube. Odorant Recognition using quartz resonators coated with a mixed film of asolectin and cholesterol and monitoring the viscoelastic change of the film// Analytica Chimica Acta.- 1991.- .

25. Design and characteristics of DBR-laser-based environmental sensors/ G. Boregaegski, D. Hemug, M. Fallahi, F. Guzman, R. Clemens, S. Mendes, N. Reighambarian// Sensors and Actuators B.- 1998.- Vol. 53; № 4.-P.

26. D. R. Coon, C. W. Babb, G. A. Rechnitz. Biomagnetic Neurosensors. 4. Design and Optimization for Analytical Use// Analytical Chemistry.- 1996.- . 1

27. Detection of propylene under oxidizing conditions using zirconia-based potentiometric sensor/ T. Hibino, S. Wang, S. Kakimoto, M. Sano// Sensors and Actuators B.- 1998.- .

28. Iridium oxide and palladium modified nitric oxide microsensor/Y. Xian, W. Sun, J. Xue, M. Luo, L. Jin// Biosensors & Bioelectronics.- 1998.- Vol. 13; № 11.- P. 1

29. Electrocatalytic reduction of nitrite at a glassy carbon electrode surface modified with palladium (II)-substituted Keggin type heteropolysungstate/ W. Sun, S. Zhang, H. Lin, L. Jin, J. Kong// Analytica Chimica Acta.- 1999.- Vol. 388; № 1.- P.

30. A compact solid-state amperometric sensor for detection of NO2 in ppb range/ N. Miura, M. Ono, K. Shinanoe, N. Yamazoe// Sensors and Actuators B.- 1998.- Vol. 49; № 1.-P.

31. Sequential injection sandwich technique for the simultaneous determination of nitrate and nitrite/ A. Cerdal, M. T. Oms, R. Forteza, V. Cerdal// Analytica Chimica Acta.- 1998.-.

32. M. del M. Cordero-Rando, J. Nacanjo-Rodroaquez, H. H. de Cisneros. Voltammetric study of 2-methyl-4, 6- dinitrophenol at a modified carbon paste electrode// Sensors and Actuators B.- 1998.-

33. , , . Электрохимические сенсоры на основе полимерных полупроводников и неорганических поликристаллов// Сенсорные системы.- 1997 г.- .24-33.

34. , . Биосенсоры в анализе объектов окружающей среды// Журнал аналитической химии.- 1990.- .36-47.

35. High-Performance Liquid-Chromatographic Determination of Phenols Using a Tyrosinase-Based Amperometric Biosensor Detection System/ Adeyoju O, Iwuoha EI, Smyth MR, Leech D// Analyst.- 1996.- Iss 12-Р 1

36. Amperometric Detection of Phenols Using Peroxidase-Modified Graphite-Electrodes/ Lindgren A., Emneus J., Ruzgas T., Gorton L., Markovarga J.// Analytica Chimica Acta.- 1997.- Vol. 347; № 1 – 2.-Р

37. Rivas G. A., Solis V. M. Electrochemical Quantification of Phenol-Using Mushroom Tyrosinase Determination of the Kinetic Parameters of the Enzyme// Electroanalysis.- 1994.-№ 11 – 12-Р 1

38. Iwuoha E. I., Smyth M. R., Lyons M. E.G. Organic-Phase Enzyme Electrodes - Kinetics and Analytical Applications// Biosensors and Bioelectronics.- 1997.-

39. Wollenberger U., Neumann B. Quinoprotein Glucose-Dehydrogenase Modified Carbon-Paste Electrode for the Detection of Phenolic Compounds// Electroanalysis.- 1997.-.

40. Effect of Hy-Zeolites on the Performance of Tyrosinase-Modified Carbon-Paste Electrodes/ Marcovarga J., Burestedt E., Svensson C. J., Emneus J., Gorton L., Ruzgas T., Lutz M., Unger K. K.// Electroanalysis.- 1996.- Vol.8; № 12.-Р. 1

41. Optimization and Validation of an Automated Solid-Phase Extraction Technique Coupled Online to Enzyme-Based Biosensor Detection for the Determination of Phenolic Compounds in Surface-Water Samples/ Burestedt E., Emneus J., Gorton L., Marcovarga G., Domingues E., Ortega F., Narvaez A., Irth H., Lutz M., Puig D., Barcelo D./ Electroanalysis.- 1997.- Vol.9; № 10.-Р.

42. Phenol Oxidase-Based Biosensors as Selective Detection Units in Column Liquid Chromatography for the Determination of Phenolic Compounds/ Ortega F., Domingues E., Burestedt E., Emneus J., Gorton L., Markowarga G.// Journal of Chromatography A. – 1994.- Vol.675; № 1 – 2-Р.

43. Characterization of Tyrosinase-Teflon/ Graphite Composite Electrodes for the Determination of Catechol in Environmental Analysis/ Puig D., Ruzgas T., Emneus J., Gorton L., Markovarga G., Barcelo D.// Electroanalysis. – 1996.- Vol.8; .

44. Lutz E. S. M., Dominguez E. Development and Optimisation of a Solid Composite Tyrosinase Biosensor for Phenol Detection in Flow-Injection Systems// Electroanalysis.- 1996.- .

45. Tyrosinase Graphite-Epoxy Based Composite Electrodes for Detection of Phenols/ Onnerfjord P., Emneus J., Markovarga G., Gorton L., Ortega F., Domingues E.// Biosensors&Bioelectronics.- 1995.- Vol. 10; № 6 – 7-P. 607 – 619.

46. Wang J., Fang L., Lopez D. Amperometric Biosensor for Phenols Based on a Tyrosinase Graphite-Epoxy Biocomposite// Analyst.- 1994.- .

47. Petit C., Gonzalezcortes A., Kauffmann J. M. Preparation and Characterisation of a New Enzyme Electrode Based on Solid Paraffin and Activated Graphite Particles// Talanta.- 1995.- . 1

48. Wang J., Lu F., Lopez D. Tyrosinase-Based Ruthenium Dispersed Carbon-Paste Biosensor for Phenols// Biosensors & Bioelectronics.- 1994.-

49. Amperometric Biosensor for the Determination of Phenolic Compounds Using a Tyrosinase Graphite Electrode in a Flow-Injection System/ Ortega F., Dominguez E., Jonssonpetterson G., Gorton L.// Journal of Biotechnology.- 1993.- .