Магистрант ТулГУ разработал биорецепторные элементы для ускорения измерения важного показателя качества воды

Для чего используют биосенсоры? Что такое БПК? И зачем необходимы учёным биорецепторные элементы?

16:08, 25 июня 2024

Об этом мы поговорили с магистрантом кафедры «Фундаментальная и прикладная химия», младшим научным сотрудником Лаборатории биологически активных соединений и биокомпозитов Георгием Гуркиным.

— Георгий, прежде чем вы расскажите о своей разработке, поделитесь, почему решили связать свою жизнь с химией.

— Химия — это одно из современных и престижных направлений. Если мы сейчас посмотрим, что нас окружает, то окажется, что всё получено в результате химических процессов. Поэтому я выбирал специальность исходя из актуальности и востребованности. Научной деятельностью начал заниматься со второго курса. До конца бакалавриата изучал проводящие полимеры, их электрохимию и другие свойства. Молодой научный коллектив и новая современная лаборатория стали для меня решающими факторами, чтобы я продолжил свои исследования в магистратуре по одному из направлений, посвященных созданию биорецепторного элемента для БПК-биосенсора.

— Что такое биосенсор?

— Биосенсор — это аналитический прибор, который на основе свойств биологического материала выявляет присутствие определенных соединений в объектах окружающей среды. В ТулГУ совместно с другими учеными создали биосенсор «Эксперт-009-БПК», который может измерять биохимическое потребление кислорода (БПК) в водной среде. Создаваемые биорецепторы содержат живые клетки микроорганизмов, которые, в свою очередь, содержат ферменты. А они как раз и участвуют в биохимической реакции, что позволяет эффективно и быстро определить наличие загрязняющих веществ в воде, а также их количество!

Биосенсор «Эксперт-009-БПК».

— Где может применяться данная технология?

— Разработанный БПК-биосенсор может быть использован для оснащения промышленных предприятий водоочистки РФ, станций санитарно-эпидемиологического контроля, служб МЧС, минприроды и других экологических структур.

— А почему необходимо контролировать уровень БПК в водоёмах?

— Одна из наиболее широко применяемых характеристик загрязнения воды — это биохимическое потребление кислорода, т. е. количество кислорода, необходимое для биохимического окисления органических соединений в течение определенного периода времени под действием микроорганизмов. Иногда в реки, озера, пруды поступает большое количество органических веществ.

Если органику не контролировать, то начнется экологическая катастрофа из-за того, что микробы начнут окислять такие соединения и тратить на это растворенный кислород.

Соответственно, растворенного кислорода будет не хватать для обитателей водоемов, и, как следствие, можно ожидать «мертвый» водоём через пару лет. Поэтому нужны такие системы, которые могут проводить экологический мониторинг. Особенно это актуально для Тульской области. Если вы посмотрите экологический отчёт за последний год, то узнаете, что в большинстве наших рек просто огромный уровень значений БПК.

— В чем заключается ваша разработка в рамках этой работы?

— Для функционирования всей системы необходим биорецепторный элемент. Это то, над чем я работаю. Это тонкая полоска с микроорганизмами, которые прочно закреплены и никуда не могут деться. Представьте себе микроб, который в растворе под действием перемешивания может легко оторваться с рецептора. Если это произойдет, то точность анализа снизится в разы. Поэтому микроорганизмы необходимо закрепить так, чтобы обеспечить постоянство их количества на рецепторе. Соответственно, суть моей разработки заключается в создании биорецепторного элемента с микроорганизмами, которые прочно и надёжно закреплены в такой системе. Также важное ее преимущество заключается в возможности долгого хранения биорецептора и его транспортировки. На данный момент таких аналогов в России еще нет.

Выращенные микроорганизмы в лабораторных условиях в чашке Петри.

— А для чего нужен такой биорецепторный элемент в установке?

— Для того чтобы окислить органику, нужны микробы, которые будут «есть» всё подряд — глюкозу, фруктозу, сахарозу, поверхностно-активные вещества, фенолы. И возникает вопрос: где же такие микробы нам найти? Одним из ключевых методов очистки от органических загрязнений является использование специальных аэротенков на предприятиях, в которых содержится активный ил. Активный ил представляет собой смесь различных бактерий, способных эффективно очищать воду от органических загрязнений. Поэтому именно оттуда мы выделили микроорганизмы. Сейчас выращивание происходит в стерильных лабораторных условиях для обеспечения необходимой чистоты культур. С использованием оптического микроскопа проверяем на микроскопе чистоту выращенных бактерий, далее формируем биорецептор, помещаем его в буферный раствор, вводим органическое вещество или анализируемую воду, ждем 5-10 минут, пока происходят химические реакции, затем делаем математические преобразования и получаем результат БПК.

Проверка на микроскопе чистоты выращенной культуры микроорганизмов.

— Чем этот способ отличается от классической методики оценки БПК?

— Стандартный анализ БПК длится не менее 5 дней, в течение которых загрязняющие вещества могут попасть в природные водоемы, вызвать естественный процесс, в результате которого происходит снижение растворенного кислорода в водоеме, что приводит к гибели других организмов. Поэтому полученная через 5 суток при этом информация просто неактуальна. Длительное время выполнения классической методики оценки БПК привело к созданию новых подходов измерения показателя с использованием биосенсоров на основе микроорганизмов, способных метаболизировать значительное количество веществ, содержащихся в пробах воды. Принципиальным отличием этого подхода от классического служит снижение длительности измерения с пяти дней до нескольких минут и более стабильный результат.

Демонстрация результатов анализа БПК.

— С этой разработкой вы подавались на конкурс по программе «УМНИК»?

— Да, в 2023 году я подался на конкурс и буквально недавно узнал, что стал победителем. Планирую и дальше улучшать биорецепторный элемент, а еще занимаюсь разработкой состава для приготовления разбавляющей воды, используемой в проведении стандартного метода по определению БПК. Все импортные производители ушли из России, а такой состав значительно упростит анализ для лаборантов, поэтому необходимо восстанавливать наш отечественный рынок.

Текст Вероники Каплиной, фото Ильи Ходаковского.