Оценка загрязнения водоемов с помощью «дрожжевых» датчиков

Ученые разработали методику, которая позволяет определить уровень загрязнения водоемов при помощи дрожжей за 10–15 минут, тогда как стандартное лабораторное исследование требует 5 суток. Они создали нанокомпозитный материал, значительно повышающий эффективность «дрожжевого» датчика за счет лучшего сопряжения клеток одноклеточных грибов с электрохимическим устройством. Разработка будет способствовать замене импортного оборудования на отечественное и снижению его стоимости в целом.

Дрожжевые микроорганизмы способны потреблять в пищу широкий спектр органических веществ и характеризуются устойчивостью к негативным факторам окружающей среды, например к колебаниям температуры и рН среды. Эти преимущества позволяют ученым создавать на их основе датчики для анализа степени загрязнения воды различными органическими соединениями. Однако, по словам специалистов, добиться высокой чувствительности от таких аналитических устройств все еще достаточно трудно. Дело в том, что дрожжевые клетки имеют толстую (100–200 нм) клеточную стенку, содержащую полисахариды и белки. При этом ферментные системы дрожжей расположены в митохондриях, находящихся внутри клетки и окруженных клеточной стенкой. Таким образом, окислительно-восстановительные соединения, используемые в электрохимических устройствах, зачастую не могут взаимодействовать с ферментами дрожжей, что усложняет создание датчиков с такими микроорганизмами.

Сотрудники научно-исследовательского центра «БиоХимТех» Тульского государственного университета вместе с учеными из Института органической химии РАН имени Зелинского и Института биохимии и физиологии микроорганизмов Пущинского научного центра РАН создали нанокомпозитный материал на основе биологического полимера, химически модифицированного соединениями с окислительно-восстановительными свойствами. Введение одностенных углеродных нанотрубок в синтезированный учеными биополимер позволило существенно увеличить эффективность его использования для сопряжения клеток дрожжей с электрохимическими устройствами.

Полученный нанокомпозитный материал был внедрен в датчик для определения биохимического потребления кислорода в воде и протестирован на примере девяти водоемов Тульской области. Результаты анализа воды с помощью «дрожжевого» устройства совпали с данными, которые были получены стандартным методом в лаборатории. При этом анализ с помощью датчика занимает всего 10–15 минут, тогда как проведение лабораторного исследования требует 5 суток.

«Мы уже давно занимаемся созданием различных сенсорных датчиков для экологического мониторинга, и данная работа – это очередной шаг на пути к созданию новых и высокочувствительных аналитических приборов отечественного производства, которые обеспечат эффективное импортозамещение в области экологии. На данный момент в России практически не производится подобное оборудование, при этом поставки зарубежных приборов сейчас прекратились», – пояснил Вячеслав Арляпов, один из разработчиков, директор БиоХимТехЦентра ТулГУ.

Ученый отметил, что созданный композитный материал позволяет существенно уменьшить размер подобных датчиков и снизить стоимость их производства, что выгодно отличает их от других приборов. 

«В конечном итоге мы хотим использовать наши разработки для создания некоего аналога аптечного глюкометра, но для анализа загрязнения воды», – добавил Вячеслав Арляпов.

Результаты исследования опубликованы в международном журнале. Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» – одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».

Источник: Минобрнауки России.