Устройство для определения каталазной активности почвы Российский патент 2025 года по МПК G01N33/24 C12Q1/30 

Изобретение относится к почвоведению, в частности к биологии почв и может быть использовано для оценки степени обогащения почв ферментом каталаза.

Активность каталазы в почве играет ключевую роль в процессе разложения органического вещества. Каталаза - это фермент, который расщепляет токсичную молекулу перекиси водорода (H₂O₂) на воду (H₂O) и кислород (O₂). Активность каталазы определяется объемом выделенного кислорода единицей массы почвы. Высокая активность каталазы свидетельствует о хорошей структуре почвы, о ее обеспеченности органическим веществом и о наличии благоприятных условиях для развития микроорганизмов.

Низкая активность каталазы может указывать на недостаток питательных веществ, уплотнение почвы или наличие токсичных веществ. Обычно активность каталазы определяют в образцах почвы, взятых с разных глубин и участков поля, чтобы получить более полное представление о состоянии почвы и ее способности поддерживать рост растений.

В настоящее время существуют способы определения каталазы почвы, где применяются различные лабораторные установки.

Известна работа по исследованию каталазы почвы, где в качестве аналитического инструмента используется газовый хроматограф [Перминова Е.М., Лаптева Е.М. Каталазная активность подзолистых почв коренного ельника черничного и разновозрастных лиственно-хвойных сообществ // Аграрный вестник Урала. 2018. № 5 (172). С. 44-53].

Недостатками хроматографического подхода определения каталазы в почве являются - высокая стоимость оборудования и реактивов, длительность проведения анализа, невозможность определения активности каталазы в полевых условиях.

Существует полярографический способ определения каталазы, основанный на фиксации образующегося в процессе реакции кислорода.

Основными недостатками определения активности каталазы с использованием полярографов являются необходимость использования реактивов, которые могут быть токсичными и опасными для здоровья, также сложность подхода, так как полярографический анализ требует определенных навыков и опыта для проведения корректных измерений, кроме того, дороговизна оборудования.

Известен спектрофотометрический способ исследования активности ферментов каталазы почвы, основанный на анализе концентрации перекиси водорода. После инкубирования образца почвы с перекисью водорода, измеряют изменение оптической плотности на спектрофотометре.

Недостатки у спектрофотометрического способа такие же как у хроматографического - высокая стоимость оборудования и невозможность определения активности каталазы в полевых условиях.

Известен аналог устройство в виде реакционной камеры с газовым счетчиком низкого расхода LFM300 (GH Zeal, Merton, London, UK) для измерения кислорода, выделяемого при разложении перекиси водорода каталазой в почвенной микрофлоре [Patent. International Publication No. WO 96/18896, International Publication date 20 June 1996. Determining the Organic Content of a Fluid. UGCS, University of Glamorgan, UK, 1996.].

Использование прецизионных газовых расходомеров эталонного уровня LFM300 значительно повышает стоимость камеры, что приводит к дороговизне измерений и является ключевым недостатком.

Наиболее близким по технической сущности является газометрический способ определения активности ферментов каталазы почвы в модификации Галстян, где в качестве материально-технической базы используется устройство собранное из стеклянных лабораторных оборудований (грушевидная колба, бюретка, воронка и др.) [Галстян А.Ш. Определение активности ферментов почв. Методические указания. - Ереван: Б.и., 1978. - 55 с.].

Недостатком данного способа является наличие стеклянных элементов, что делает его затруднительным для использования в полевых условиях и за пределами лаборатории. Несмотря на указанные недостатки, на сегодняшний день данный подход на практике находит широкое применение по сравнению с другими способами определения каталазы почвы.

Задача изобретения: разработка малогабаритного устройства, заменяющее лабораторное стеклянное оборудование для оперативного и достоверного определения активности ферментов каталазы почвы, в том числе и в полевых условиях.

Предлагаемое устройство для определения каталазной активности почвы включает измерение скорости распада перекиси водорода при взаимодействии ее с почвой по объему выделяющегося кислорода (газометрический метод).

На фиг. 1 представлено «Устройство для определения каталазной активности почвы».

Устройство состоит из прямоугольного каркаса 1 с ориентировочными размерами 10 см в высоту, 10 см в длину и 7 см в ширину. Внутри устройства установлены высокочувствительные элементы - латунный сварной сильфон 2 с кольцевыми мембранами заданного профиля и тензометрический датчик 3 с тонкой металлической пластиной 4 с резистивным слоем изменяющее сопротивление, что в свою очередь, вызывает изменение электрического сигнала при деформации, который фиксируется электронным блоком 5 и отображается на цифровом дисплее 6 установленный на верхней грани 7. Тензометрический датчик 3 соединен с электронным блоком 5 проводами 8. Питание электронного блока 5 по проводам 9 осуществляется источником постоянного тока 10 (2 батарейки типа ААА 1.5 В), который установлен в нижней части устройства. Включение/отключение электронного блока 5 выполняется нажатием кнопки 11 на верхней грани 7.

Внутри устройства чувствительные элементы зафиксированы креплением 12, которое жестко прикручено к основанию 13 устройства шестигранными гайками 14. Горизонтальное положение тензометрического датчика относительно сильфона можно регулировать винтовым регулятором 15 на левой боковой грани 16. После «грубой» настройки положения тензодатчика 3 винтовым регулятором 15 (отслеживается цифровым дисплеем), нажатием кнопки 17 на верхней грани 7 осуществляется калибровка и установка нуля с переводом устройства в режим опроса.

Посередине правой боковой грани 18 установлен врезной штуцер 19, к которому подключается емкость с анализируемой почвой и раствором перекиси водорода (Н₂О₂) нужной концентрации. При их взаимодействии, за счет химической реакции под действием ферментов каталазы происходит расщепление молекулы перекиси водорода на воду (Н₂О) и кислород (О₂), который приводит к увеличению давления внутри емкости. Выделяемый кислород под давлением через штуцер 19 и трубку 20 попадает в сильфон, заставляя его расширяться, что, в свою очередь приводит к перемещению указателя 21 и механический воздействовать на тензометрический датчик. В течение определенного времени и при определенной температуре выделившийся объем кислорода и фиксируемое на дисплее максимальное значение, выраженное в деформации тензометрического датчика, соответствует активности ферментов каталазы анализируемой почвы. После понижения давления сильфон принимает первоначальную форму и устройство готово к следующему опросу.

Так как на дисплее отображаются значения в относительных величинах, после сборки устройства необходимо единожды на эталонных почвенных образцах в лабораторных условиях газометрическим методом Галстян [Галстян А.Ш. Определение активности ферментов почв. Методические указания. - Ереван: Б.и., 1978. - 55 с.] произвести градуировку устройства, после чего по градуировочной кривой можно классифицировать по общепринятой шкале [Гапонюк, Э. И. Комплексная система показателей экологического мониторинга почв / Э. И. Гапонюк, С. В. Малахов // Тр. Всесоюз. совещ. Обнинск, июнь 1983. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 3-10.] исследуемые образцы и установить степень активности ферментов каталазы почвы - очень слабая, слабая, средняя, высокая и очень высокая.

Техническим результатом является разработка малогабаритного, переносного устройства для определения в полевых и лабораторных условиях активности каталазы почвы путем измерения количества кислорода в течение определённого времени и при определенной температуре, которое выделяется при разложении перекиси водорода под действием каталазы, содержащейся в почве и классифицировать исследуемые образы по степени обогащения почв ферментами каталазы.

Используемые элементы позволяют отнести устройство к надежным, которое может обеспечить длительный срок службы, низкую вероятность отказов и способность работать без необходимости частого обслуживания или ремонта.

Изобретение относится к почвоведению. Раскрыто устройство для определения каталазной активности почвы при измерении скорости распада перекиси водорода при взаимодействии ее с почвой по объему выделяющегося кислорода. Устройство выполнено из прямоугольного каркаса с установленными внутри в качестве высокочувствительных элементов латунным сварным сильфоном с кольцевыми мембранами заданного профиля и тензометрическим датчиком с металлической пластиной с резистивным слоем, изменяющим при деформации сопротивление и, соответственно, электрический сигнал, фиксирующийся электронным блоком, соединенным проводами с тензометрическим датчиком, и отображающийся на цифровом дисплее, установленном на верхней грани устройства, питание электронного блока по проводам осуществляется источником постоянного тока, который установлен в нижней части устройства, а на верхней грани установлена кнопка включения/отключения электронного блока, при этом посередине правой боковой грани установлен врезной штуцер, выполненный с возможностью подключения емкости с анализируемой почвой и раствором перекиси водорода. Устройство является малогабаритным и переносным, заменяет стеклянное лабораторное оборудование для оперативного и достоверного определения в полевых и камеральных условиях активности ферментов каталазы почвы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения каталазной активности почвы при измерении скорости распада перекиси водорода при взаимодействии ее с почвой по объему выделяющегося кислорода, отличающееся тем, что устройство выполнено из прямоугольного каркаса с установленными внутри в качестве высокочувствительных элементов латунным сварным сильфоном с кольцевыми мембранами заданного профиля и тензометрическим датчиком с металлической пластиной с резистивным слоем, изменяющим при деформации сопротивление и, соответственно, электрический сигнал, фиксирующийся электронным блоком, соединенным проводами с тензометрическим датчиком, и отображающийся на цифровом дисплее, установленном на верхней грани устройства, питание электронного блока по проводам осуществляется источником постоянного тока, который установлен в нижней части устройства, а на верхней грани установлена кнопка включения/отключения электронного блока, при этом посередине правой боковой грани установлен врезной штуцер, выполненный с возможностью подключения емкости с анализируемой почвой и раствором перекиси водорода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри чувствительные элементы зафиксированы таким образом, что горизонтальное положение тензометрического датчика относительно сильфона регулируется винтовым регулятором на левой боковой грани.