RU227274U1 - Устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод - Google Patents

Abstract

Устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод относится к области экологического мониторинга окружающей среды и может быть использовано при экспресс-мониторинге качества природных и сточных вод. Устройство содержит пластмассовый корпус, в полости которого расположен металлический проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность которого покрыта редокс-слоем, на который нанесен слой иммобилизованного биоматериала, зафиксированный диализной мембраной с помощью пластикового кольца. Редокс-слой сформирован из композита на основе редокс-активного полимера - модифицированного нейтральным красным хитозана и многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок. В качестве биоматериала использована смешенная ассоциация из дрожжей S. cerevisiae и бактерий P. yeei, взятых в соотношении 1:1 по массе. Устройство обеспечивает улучшение технических характеристик, в частности повышение чувствительности к фенолу, ионам меди и цинка. 1 ил., 2 табл.

Description

Устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод относится к области экологического мониторинга окружающей среды и может быть использовано в качестве нового метода экспресс-мониторинга качества природных и сточных вод.

Для токсикологического контроля природных и сточных вод используются стандартные методы биотестирования, например, с помощью ракообразных Daphnia [ГОСТ Р 56236-2014, ИСО 6341:2012 «Определение токсичности по выживаемости пресноводных ракообразных Daphnia magna Straus». - М.: 2014. - 42 с.; ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 «Методика определения острой токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по смертности дафний (Daphnia magna straus)». - М.: 2006. - 46 с.]. Известно устройство для полевых исследований оценки токсичности, которое содержит закрепленный на жестком каркасе контейнер, в который помещают 10-15 рачков и опускают в водоем на требуемую глубину [Устройство для биотестирования: пат. ПМ №64626 Рос. Федерация: МПК С12М 1/00 / Шагимарданов Р.А., Горшкова А.Т., Николаев В.К, Низамова Л.3., Валетдинов Ф.Р.; заявитель Институт экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан - №2007109636/22; заявл. 15.03.2007; опубл. 10.07.2007, патентообладатель Институт экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан]. Контейнер удерживается металлическим или железобетонным блоком и пластиковым поплавком. Токсическое воздействие водной среды на гидробионты оценивается по выживаемости, плодовитости и качеству потомства. Следует отметить, что экспозиция длится десять дней, что снижает оперативность анализа.

Известна модель устройства для экспресс-определения токсичности водных сред, которое содержит печатный электрод, рабочая площадь поверхности, которого покрыта электроактивной биопленкой бактерий Е. coli, иммобилизованных в целлюлозную мембрану, а для регистрации метаболической активности и оценки токсичности необходимо использовать раствор на основе гексацианоферрата (III) калия и глюкозы. [Uria N, Fiset N, Pellitero М.А., Muñoz F.X., Rabaey K., delCampo F.J. Immobilisation of electrochemically active bacteria on screen-printed electrodes for rapid in situ toxicity biosensing // Environmental Science and Ecotechnology. - 2020. - V. 3. - No. 100053]. Устройство показало высокую оперативность при анализе токсичности: за время не более 20 минут активность микроорганизмов устройства снижалась на 69,5% при введении 3% раствора формальдегида. Существенным недостатком указанного устройства является чувствительность только раствору формальдегида, что ограничивает возможности устройства в экспресс-оценки токсичности сточных вод.

Наиболее близкое по своим признакам, принятое за прототип, является устройство для определения токсичности в водных средах, которое содержит пластмассовый корпус, в его полости располагается металлический проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность покрыта редокс-слоем - модифицированной угольной пасты на основе ферроцена, далее нанесен слой биоматериала на основе бактерий Escherichia coli К802, который зафиксирован диализной мембраной с помощью пластикового кольца [Kharkova A., Arlyapov V., Medvedeva A., Lepikash R., Melnikov P., Reshetilov A. Mediator Microbial Biosensor Analyzers for Rapid Determination of Surface Water Toxicity // Sensors. - 2022. - V. 22. - I. 21. - No. 8522]. Данное устройство позволяет проводить экспресс-анализ токсичности водных сред - время единичного анализа 10 минут, при этом относительное стандартное отклонение серии 14 последовательных аналитических сигналов составляет 6,9%. Чувствительность к модельным токсикантам: фенолу, ионам меди и цинка, выраженная в концентрациях, вызывающих снижение метаболической активности Е. coli устройства на 50%, составляет 47,6 мг/л (ионы Cu²⁺); 46,4 мг/л (ионы Zn²⁺) и 17,6 мг/л (фенол). К недостаткам устройства относится низкая долговременная стабильность, составляющая 3 суток.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение технических характеристик устройства для определения индекса токсичности природных и сточных вод, в частности повышения чувствительности к фенолу, ионам меди и цинка.

Техническая задача решается за счет того, что заявленное устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод содержит пластмассовый корпус, в полости которого расположен металлический проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность которого покрыта редокс-слоем, на него нанесен слой иммобилизованного биоматериала, который зафиксирован диализной мембраной с помощью пластикового кольца, причем редокс-слой сформирован из композита на основе редокс-активного полимера - модифицированного нейтральным красным хитозана и многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок, а в качестве биоматериала использована смешенная ассоциация из дрожжей S. cerevisiae и бактерий P. yeei, взятых в соотношении 1:1 по массе.

На фиг. показано устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод. В табл. 1 представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства для определения индекса токсичности природных и сточных вод. В табл. 2 приведены результаты оценки токсичности проб воды природного происхождения с помощью заявляемого устройства для определения индекса токсичности природных и сточных вод и с помощью люминесцентных бактерий.

Технический результат заявляемого устройства заключается в улучшении технических характеристик: повышении чувствительности к фенолу, ионам меди и цинка, так величина концентрации, вызывающая снижение метаболической активности биоматериала устройства на 50%, уменьшается с 47,6 мг/л (прототип) до 8,9 мг/л (заявляемое техническое решение) для ионов Cu²⁺; 46,4 мг/л (прототип) до 22,1 мг/л (заявляемое техническое решение) для ионов Zn²⁺; с 17,6 мг/л (прототип) до 7,5 мг/л (заявляемое техническое решение) для фенола.

Увеличение чувствительности к фенолу, ионам меди и цинка связано с заменой клеток бактерий Е. coli на ассоциацию бактерий Е. coli и дрожжей S. cerevisiae. 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, поэтому находят широкое применение при формировании биосенсоров для определения интегральной токсичности водных сред [Kumar Т., Naik S., Jujjavarappu S. Е. A critical review on early-warning electrochemical system on microbial fuel cell-based biosensor for on-site water quality monitoring // Chemosphere. 2022. V. 291. P. 133098]. Дрожжи S. cerevisiae применяются для биосорбции тяжелых металлов [Hosseini М. et al. Uranium biosorption by autolyzed residues of baker yeast: characterization and optimization // Biomass Conversion and Biorefinery. 2023. P. 1-16], а также при разработке биосенсоров для оценки токсичности водных объектов [Kumar Т., Naik S., Jujjavarappu S. Е. A critical review on early-warning electrochemical system on microbial fuel cell-based biosensor for on-site water quality monitoring // Chemosphere. 2022. V. 291. P. 133098]. Использование ассоциации на основе указанных микроорганизмов повышает чувствительность при оценке токсичности.

Использование в составе редокс-слоя модифицированного нейтральным красным бычьего сывороточного альбумина и многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок способствует улучшению технических характеристик: электроактивное вещество - нейтральный красный, за счет ковалентного связывания с бычьим сывороточным альбумином не подвержено вымыванию из аналитической системы, как при использовании адсорбированного ферроцена в прототипе [Wu В. et al. Sensitive and selective electrochemical sensor for serotonin detection based on ferrocene-gold nanoparticles decorated multiwall carbon nanotubes // Sensors and Actuators B: Chemical - 2022. - T. 354. - C. 131216].

Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: пластмассового корпуса 1, в полости которого расположен металлический проводник 2, погруженный в угольную пасту 3 на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность покрыта редокс-слоем 4, далее нанесен слой иммобилизованного биоматериала 5, который зафиксирован диализной мембраной 6 с помощью пластикового кольца 7, отличающееся тем, что редокс-слой сформирован из композита на основе редокс-активного полимера - модифицированного нейтральным красным хитозана 8 и многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок 9, а в качестве биоматериала использована смешенная ассоциация из дрожжей S. cerevisiae и бактерий P. yeei, взятая в соотношении 1:1 по массе.

Устройство собирают следующим образом: готовят угольную пасту 3 следующего состава: графитовая пудра - 100 мг, минеральное масло - 40 мкл. Угольной пастой 3 заполняют пластмассовый корпус 1. Металлический проводник 2 погружают в угольную пасту 3. Затем проводят модификацию нейтральным красным бычьего сывороточного альбумина 8: к 3,5 мг бычьего сывороточного альбумина добавляют 50 мкл раствора нейтрального красного 5 ммоль/дм³ в фосфатном буферном растворе с рН 6,8, затем добавляют 7,5 мкл глутарового альдегида. Поверхность угольной пасты 3 модифицируют редокс-слоем 4: для этого 10 мкл полученного модифицированного нейтральным красным бычьего сывороточного альбумина 8 смешивают с 7,5 мкл суспензии многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок 9 с титром 50 мкг/мкл. Поверх высушенного при комнатной температуре редокс-слоя 4 наносят раствор биоматериала 5:10 мкл суспензии с содержанием 330 мг сырого веса/мл биомассы смешенной ассоциации из S. cerevisiae и P. yeei, взятых в соотношении 1:1 по массе. Слой биоматериала 5 высушивают и закрепляют на электроде диализной мембраной 6 с помощью пластикового кольца 7.

Принцип работы устройства для определения летучих алкилфенолов в водных средах заключается в следующем: для регистрации аналитического сигнала используют измерительную кювету объемом 5 мл, содержащую калий-натрий фосфатный буферный раствор (рН 7,8). В измерительную кювету погружают хлорсеребряный электрод и пластмассовый корпус 1 устройства, таким образом, чтобы калий-натрий фосфатный буферный раствор контактировал с иммобилизованным биоматериалом 5 - ассоциации из S. cerevisiae и P. yeei, который расположен на поверхности редокс-слоя, состоящего из углеродных нанотрубок 9 и модифицированного нейтральным красным бычьего сывороточного альбумина 8. Биоматериал 5 зафиксирован диализной мембраной 8 с помощью пластикового кольца 7.

Устройство посредством металлического проводника 2 подключают к гальванопотенциостату, регистрирующему зависимость силы тока от времени. К потенциостату подключают хлорсеребряный электрод. Измерения проводят при постоянном потенциале +250 мВ и непрерывном перемешивании раствора с помощью магнитной мешалки (300 об/мин) при комнатной температуре.

Образец природных и сточных вод фильтруют. Для приготовления анализируемой пробы для экспресс-оценки токсичности 32 мл калий-натрий фосфатного буферного раствора (рН 6,8) смешивают с 16 мл отфильтрованного образца воды, затем добавляют глюкозу, конечная концентрация которой в растворе 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.

Проба считается токсичной, если индекс ингибирования превышает 20%, а индекс стимулирования превышает 30%), соответственно. Указанные значения индекса ингибирования взяты на основе основных стандартных методик биотестирования, в которых оценивается ингибирование какой-либо физиологической функции тест-объекта: ингибирование роста водоросли [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] или роста ряски [ГОСТ 32426-2013 «Методы испытаний химической продукции, предоставляющей опасность для окружающей среды. Испытание ряски на угнетение роста». - М.: 2013. - 24 с.], снижение метаболической активности люминесцентных бактерий [ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04 «Методика определения интегральной токсичности поверхностных, в том числе морских, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных экстрактов почв, отходов, осадков сточных вод по изменению интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системой Эколюм». - М.: 2004. - 18 с.].

В сточных водах одновременно могут присутствовать самые разнообразные химические вещества, представляя собой смесь различных ионов тяжелых металлов и органических токсикантов, в том числе фенола и ионов цинка, меди. Пример сопоставления результатов оценки токсичности пяти образцов проб воды природного происхождения с помощью заявляемого устройства и стандартного метода биотестирования с помощью люминесцентных бактерий представлен в табл. 2.

В соответствии со стандартным методом анализа тест на токсичность проводят с помощью люминесцентных бактерий, регистрируя снижение/активацию люминесценции после введения анализируемой пробы относительно контроля: если снижение меньше 20% - проба не токсична, от 20% до 49,9% - токсична, более 50% - сильно токсична.

В соответствии с результатами оценки токсичности пяти проб природного происхождения, представленными в табл. 2, заявляемое техническое решение позволяет установить характер токсичности (токсичная проба/нетоксичная проба) экспресс-методом - время анализа не превышает 10 минут.

Таким образом, заявленное устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод позволяет осуществлять экспресс-мониторинг токсичности природных и сточных вод за время не более 10 минут, при этом долговременная стабильность рецепторного элемента составляет 8 суток, а относительное стандартное отклонение серии 14 последовательных аналитических сигналов не превышает 6,1%.

Claims (1)

1. Устройство для определения индекса токсичности природных и сточных вод, содержащее пластмассовый корпус, в полости которого расположен металлический проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность которого покрыта редокс-слоем, на него нанесен слой иммобилизованного биоматериала, который зафиксирован диализной мембраной с помощью пластикового кольца, отличающееся тем, что редокс-слой сформирован из композита на основе редокс-активного полимера - модифицированного нейтральным красным хитозана и многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок, а в качестве биоматериала использована смешенная ассоциация из дрожжей S. cerevisiae и бактерий P. yeei, взятых в соотношении 1:1 по массе.