УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ВОДНЫХ СРЕД Российский патент 2024 года по МПК G01N33/18 C12Q1/02 

Устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред относится к области экологического мониторинга окружающей среды и может быть использовано для экспресс-оценки состояния поверхностных пресных, грунтовых, питьевых и сточных вод.

Так как стандартные методы биотестирования [ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 «Методика измерений оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris beijer) для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления». - М.: 2004. - 38 с.] имеют низкую воспроизводимость и требуют проведение длительных рутинных операций возникает необходимость в создании специфического оборудования, поэтому в качестве замены и/или дополнения существующих методов определения токсичности предлагается данное устройство.

Известна модель устройства для экспресс-оценки токсичности водных сред [Fang D. F., Gao G., Shen J., Yu Y, Zhi J. A reagentless electrochemical biosensor based on thionine wrapped E. coli and chitosan-entrapped carbon nanodots film modified glassy carbon electrode for wastewater toxicity assessment //Electrochimica Acta. - 2016. - V. 222. - P. 303 - 311]. Устройство содержит измерительную кювету с магнитной мешалкой, биосеисорную систему, состоящую из трех электродов: хлорсеребряного электрода сравнения, платиновой проволоки, взятой как вспомогательный электрод, и рабочего стеклоуглеродного электрода с иммобилизованными микроорганизмами. На рабочий электрод нанесены хитозан, углеродные наноточки и клетки бактерий штамма Escherichia coli АТСС 25922 с адсорбированным на клеточной поверхности медиатором тиоиином. Существенным недостатком устройства является низкая чувствительность микроорганизмов к токсикантам (ионам свинца и кадмия), которая определяется индексом ингибирования ЕС₅₀. ЕС₅₀ - снижение метаболической активности микроорганизмов на 50% при введении определенной концентрации токсиканта в систему. Чувствительность к ионам кадмия и свинца, выраженная в индексах ингибирования IC₅₀, составляет 34,4 и 36,2 мг/дм³, соответственно. К другим недостаткам следует отнести высокий рабочий потенциал +300 мВ, что может стать причиной возникновения побочного сигнала с участием электроактивных примесей, присутствующих в анализируемой пробе.

Наиболее близким по своим признакам, принятое за прототип, является устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред [Kharkova A.S., Arlyapov V.A., Turovskaya A.D., Shvets V.I., Reshetilov А.N. A mediator microbial biosensor for assaying general toxicity //Enzyme and microbial technology. -2020. - V. 132. - №. 109435]. Устройство содержит магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения, рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками штамма Paracoccus yeei ВКМ В-3302. Данное устройство чувствительно к ионам кадмия, свинца и к фенолу (индексы ингибирования ЕС50 составляют 18,2; 9,9 и 9,9 мг/дм³, соответственно), время замера одной пробы - 10 минут. Рабочий потенциал, при котором необходимо проводить исследование составляет +250 мВ. Существенным недостатком данного устройства является высокий показатель индекса ингибирования, поэтому описанное устройство существенно уступает тест-объектам, используемым в стандартных методах биотестирования [Eom Н., Park М., Jang A., Kim S., Oh S. - Е. A simple and rapid algal assay kit to assess toxicity of heavy metal-contaminated water. Environmental Pollution. -2020. - P. 42].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение технических характеристик устройства для экспресс-оценки токсичности водных сред, в частности увеличении чувствительности к ионам кадмия, свинца и к фенолу.

Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред содержит магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения и рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками, причем в качестве иммобилизованных клеток взята ассоциация бактерий Paracoccus yeei ВКМ В-3302 (P. yeei) и Escherichia coli K-802 (Е. coli) в соотношении 1:1.

На фиг. показано устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред. В табл.представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства для экспресс-оценки токсичности водных сред.

Технический результат заявляемого устройства заключается в улучшении технических характеристик, в частности увеличении чувствительности за счет снижения индекса ингибирования (на ион кадмия Cd²⁺ 18,2 мг/дм³ (прототип) до 6,6 мг/дм³ (заявляемое техническое решение), ион свинца Pb²⁺ 9,9 мг/дм³ (прототип) до 7,3 мг/дм³ (заявляемое техническое решение), фенол 9,9 мг/дм³ (прототип) до 8,1 мг/дм³ (заявляемое техническое решение)).

Увеличение чувствительности к ионам кадмия, свинца и к фенолу связано с заменой клеток бактерий P. yeei на ассоциацию бактерий Е. coli и P. yeei. Бактерии Е. coli используются в качестве тест-объекта в методах биотестирования [ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.1-96 «Методика определения токсичности вод, почв и донных отложений по ферментативной активности бактерий». - М.: 1996. - 8 с.], остро реагируют на присутствие тяжелых металлов в растворах, а бактерии P. yeei остро реагируют на присутствие органических токсикантов в растворах [Kharkova A.S., Arlyapov, V.A., Turovskaya, A.D., Shvets, V.I., Reshetilov, А.N. A mediator microbial biosensor for assaying general toxicity//Enzyme and Microbial Technology - 2019. - P. 1 - 13.]. Использование ассоциации на основе указанных бактерий повышает чувствительность при оценке токсичности.

Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: рабочего угольно-пастового электрода 1, модифицированного ферроценом с иммобилизованными на поверхности клетками 2 ассоциации бактерий Е. coli и P. yeei (1:1) (2), хлорсеребряного электрода 3 сравнения, измерительной кюветы 4 объемом 5 мл, магнитной мешалки 5.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение характеристик устройства, в частности увеличения чувствительности к ионам кадмия, свинца и к фенолу за счет использования в качестве иммобилизованных клеток ассоциации бактерий Е. coli и P. yeei в соотношении 1:1, компоненты которой чувствительны как ионам тяжелых металлов, так и к органическим токсикантам.

При регистрации сигнала заявляемого устройства используют электрохимический преобразователь-потенциостат, регистрирующий зависимость силы тока от времени - IPC Micro, к которому подключаются 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 ассоциации на основе бактерий Е. coli и P. yeei (1:1) с общим титром 330 мг/см³, при этом суммарный объем суспензии составляет 10 мкл. Для фиксации клеток используют диализную мембрану. Принцип работы устройства заключается в следующем: измерения проводят в двухэлектродной системе, погруженной в измерительную кювету 4 объемом 5 мл, содержащую калий-иатрий фосфатный буферный раствор (рН=6,8). Рабочим электродом 1 служит угольно-пастовый, модифицированный медиатором ферроценом и с иммобилизованными клетками 2 ассоциацией бактерий Е. coli и P. yeei(1:1), электродом сравнения - хлорсеребряный электрод 3. Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки 5. Температура измерения составляет 20°С, объем ячейки равен 5 мл.

Образец поверхностных пресных, грунтовых, питьевых или сточных вод фильтруют. Для приготовления анализируемой пробы для экспресс-оценки токсичности в стакан, вместимостью 200 мл, добавляют 32 мл калий-натрий фосфатного буферного раствора (рН=6,8) и 16 мл отфильтрованного образца воды, затем добавляют глюкозу, конечная концентрация которой в пробе составляет 0,1 моль/дм³. Подготовленную пробу, а также контрольный раствор глюкозы концентрацией 0,1 моль/дм³ вводят в измерительную кювету в количестве 500 мкл и фиксируют скорость биоразложения глюкозы как амплитуду силы тока до и после введения в измерительную кювету (ответ биосенсора, ΔI, мкА). Рассчитывают индекс ингибирования по формуле:

где ΔI_{глюкоза} - ответ биосенсора на контрольный образец глюкозы,

ΔI_{анализируемая проба} - ответ биосенсора на анализируемую пробу.

В соответствии с ПИД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 проба является токсичной, если индекс ингибирования превышает 20%, а индекс стимулирования превышает 30% соответственно [ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 «Методика измерений оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris beijer) для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления». - М.: 2004. - 38 с.].

Таким образом, заявленное устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред не требует привлечения высококвалифицированного персонала и позволяет осуществлять экспресс-мониторинг токсичности водных сред за время не более 10 минут, при постоянном рабочем потенциале +250 мВ.

Устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред относится к области экологического мониторинга окружающей среды и может быть использовано для экспресс-оценки состояния поверхностных пресных, грунтовых, питьевых и сточных вод. Устройство содержит магнитную мешалку, измерительную кювету, хлорсеребряный электрод сравнения, рабочий угольно-пастовый электрод, модифицированный медиатором ферроценом и иммобилизованными на поверхности электрода клетками. В качестве иммобилизованных клеток взята ассоциация бактерий Paracoccus yeei ВКМ В-3302 и Escherichia coli K-802 в соотношении 1:1. Устройство обладает улучшенными техническими характеристиками, в частности увеличенной чувствительностью к ионам кадмия, свинца и к фенолу. 1 ил., 1 табл.

Устройство для экспресс-оценки токсичности водных сред, 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 бактерий Paracoccus yeei ВКМ В-3302 и Escherichia coli K-802 в соотношении 1:1.