Учёные разработали новые материалы для экологического мониторинга водоемов⁠⁠

Фотография конфокальной микроскопии (материал под большим увеличением с закрепленными клетками, т. е. готовый биосенсор)

Оценка состояния водоемов — одна из важнейших задач экологического мониторинга. Для ее решения ученые разработали специальный материал и создали на его основе проточную ячейку, которая впервые в мире позволила провести прямое сравнение конкурирующих методов измерения концентрации кислорода в биосенсорах. Над научным проектом работали специалисты МИРЭА — Российского технологического университета (РТУ МИРЭА) совместно с коллегами из Тульского государственного университета (ТулГУ). Исследование проведено при поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в одном из международных изданий.

Уровень чистоты сточных вод, а также устойчивость водоемов к токсическому воздействию попадающих в них стоков и загрязняющих веществ определяется по скорости процессов гидролиза и окисления. Эти показатели напрямую зависят от того, насколько быстро жидкость насыщается кислородом.

Основными параметрами чистоты сточных вод считаются уровни химического и биохимического потребления кислорода. Если первый параметр демонстрирует количество кислорода, необходимое для окисления всей органики в пробе воды, то во втором за основу берется потребление кислорода аэробными видами микроорганизмов. Есть такое понятие, как легко окисляющаяся органика, которую и съедают эти микроорганизмы. Соответственно, чем больше ее в стоках, тем выше показатель биохимического потребления кислорода.

Равенство уровня химического и биохимического потребления кислорода говорит о способности природной экосистемы самостоятельно справиться с органическим загрязнением. Если химическое потребление кислорода превышает биохимическое, то без специальных методов очистки не обойтись. Основная проблема связана с тем, что для оценки биохимических процессов нужно время: от пяти суток в условиях лаборатории. При этом используются определенные штаммы микроорганизмов, и полученный результат не всегда релевантен по отношению к сообществу микроорганизмов конкретного водоема.

Описанные недостатки побудили ученых искать способы адресной оценки этих параметров. Сотрудники МИРЭА — Российского технологического университета — совместно с коллегами из Тульского государственного университета разработали специальный композитный материал, который позволил сформировать устойчивый биосенсор. На его поверхность ученые предложили закрепить штаммы конкретного водоема, чтобы быстро оценивать изменения дыхательной активности микроорганизмов в случае загрязнений.

«Мы разработали специальный композитный материал с применением модифицированных наноалмазов, который позволил буквально в течение полутора часов формировать устойчивый биосенсор. Метод определения дыхательной активности созданного рецептора может значительно влиять на точность экспрессной оценки биохимических процессов», — сказал кандидат физико-математических наук, доцент РТУ МИРЭА Павел Мельников.

Для проведения эксперимента ученые создали проточную ячейку с синхронным определением концентрации кислорода в микрообъеме сразу двумя принципиально разными способами: амерометрическим (электрод Кларка) и оптическим (тушение фосфоресценции индикаторного красителя). Как отмечают ученые, таких прямых сравнений до этого не проводили ни в России, ни в мире.

Серия экспериментов наглядно показала преимущество оптического датчика по времени отклика на изменение концентрации кислорода. Оценка одного из главных параметров состояния воды — параметра биохимического потребления кислорода за 5 суток — с помощью созданного модельного биорецептора позволила выявить занижение значений, измеряемых электрохимическим датчиком по сравнению с аттестованной методикой, тогда как оптический датчик показал соотношение почти 1:1. При этом время единичного анализа составило не более 10 минут вместо 5 суток.

Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» — одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».