Разработка системы измерения токсичности водной среды

Содержание 
 

Введение

       Постоянное возрастание антропогенной нагрузки на окружающую среду, в т.ч. в виде увеличивающихся объемов и номенклатуры загрязняющих веществ, обуславливает повышение требований, предъявляемых к методам и средствам контроля качества природной среды [1].

       Для повышения информативности и достоверности аналитического контроля токсичности, как правило, применяется сложное лабораторное оборудование, что приводит к высокой стоимости анализа, требует высококвалифицированного персонала, занимает много времени на проведение эксперимента. Биосенсоры, представляющие собой комбинацию селективного биохимического элемента с электронным датчиком, обеспечивают селективный анализ в режиме реального времени различных токсикантов и их смесей, исключая необходимость сложной пробоподготовки и использование больших количеств дорогостоящих аналитических веществ [4].

       Современные достижения технических наук и биотехнологий  позволили создать специализированные приборы и устройства – биодатчики и биосенсорные системы (БСС) для  решения актуальных природоохранных задач [2].

       Целью данной курсовой работы является разработка проектно-конструкторской документации биосенсорной полипараметрической системы для измерения токсичности водной среды.

       Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить аналитический обзор методов и средств измерения токсичности водной среды;
• разработать и описать функциональную схему биосенсорной полипараметрической системы для измерения токсичности водной среды;
• выполнить построение электрической схемы биосенсорной полипараметрической системы в программной среде схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.

1. Теоретическая часть

1. Основные  понятия

       Токсичность (toxicity) – cвойство химических веществ проявлять поверждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое дейтствие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм – токсикацией (на экосистему – токсификацией). По Н.С.Строганову, количественно токсичность вещества для отдельного организма определется как величина, обратная медианной летальной концентрации: Т = 1/LC50.

       Токсичность водной среды (toxicity of water environment) – токсичность воды и донных отложений для гидробионтов, возникающая вследствие появления в ней токсических веществ природного или антропогенного происхождения (ксенобиотиков), загрязнения сточными водами, токсическими атмосферными осадками и пр. При возникновении токсичности водной среды вода из среды, поддерживающей жизнь, становится средой, губительной для жизни. Степень токсичности водной среды оценивается методами биотестирования, а также по превышению ПДК (предельно допустимых концентраций) [5].

       Критерий  токсичности (индекс токсичности) – достоверное количественное значение тест-параметра, на основании которого делается вывод о токсичности воды. Среди тест-параметров наиболее часто используются выживаемость, плодовитость, подавление ферментативной и метаболической активности организмов.

       Биотестирование – проведение анализов по определению токсичности с помощью живых организмов. Результаты оперативно сигнализируют об опасном воздействии химического загрязнения на жизнедеятельность организмов, причем не по отдельным компонентам, а по их смесям, часто неизвестной природы и не выявляемых другими методами анализа токсических веществ [6].

2. Биосенсорные  системы

       Биосенсорные  системы (БСС) создаются на основе согласования биологических и технических элементов, охваченных единым контуром управления. Этот подход предполагает учет специфики взаимодействия живого с различными конструкционными материалами, зондирующими излучениями и техническими факторами биоцидного действия (повреждающими живое).

       БСС представляют собой комбинированные  устройства, состоящие из двух взаимосвязанных  преобразователей – биохимического преобразователя (БХП) и измерительного преобразователя (ИП) (рисунок 1). Первый распознает информацию о составе сред и преобразует ее в изменение каких-либо свойств биообъекта, а ИП измеряет величину этой реакции [2].

       Условные  обозначения:

       БХП – биохимический преобразователь,

       ИП  – измерительный преобразователь.

1. Биосенсорная система (БСС)

3. Классификация биосенсоров

       В зависимости от типа преобразователя, биосенсоры классифицируют на оптические, акустические, калориметрические, термические и электрохимические. Электрохимические биосенсоры, в свою очередь, делят на потенциометрические, амперометрические и кондуктометрические.

       Значительная  часть оптических биосенсоров основаны на явлении поверхностного плазмонного резонанса и используют свойство золотых и других материалов, а именно то, что тонкий слой золота, нанесенный на имеющую высокий коэффициент преломления стеклянную поверхность может абсорбировать лазерный свет, создавая электронные волны (поверхностные плазмоны) на золотой поверхности. Это происходит только при определенном угле падения и длине волны падающего света и в такой степени зависит от поверхности золотого слоя, что присоединение аналита к биологическому рецептору на поверхности этого слоя генерирует заметный сигнал. Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса представляют собой сенсорный чип, который состоит из пластиковой кассеты, несущей стеклянную тарелку, одна сторона которой покрыта микроскопическим слоем золота. Эта сторона взаимодействует с оптической распознающей аппаратурой прибора. Противоположная сторона тарелки соединяется с жидкостной проточной системой. Растворенные в жидкости реагенты могут непосредственно контактировать с поверхностью тарелки. Эта сторона стеклянного сенсорного чипа может быть различными путями модифицирована, позволяя легко присоединять интересующие молекулы. Обычно она покрыта карбоксиметилдекстраном или подобным веществом.

       Свет  с фиксированной длиной волны  отражается от покрытой золотом стороны  чипа под углом полного внутреннего  отражения, и детектируется внутри прибора. Этот свет индуцирует исчезающую волну, которая проникает сквозь стеклянную тарелку в раствор вблизи её поверхности.

       Коэффициент преломления проточной стороны  сенсорного чипа прямо влияет на поведение  света, отраженного от покрытой золотом  стороны. Связывание веществ с поверхностью проточной стороны чипа влияет на коэффициент преломления, что можно зарегистрировать оптической аппаратурой; таким образом биологические взаимодействия могут быть измерены с высоким уровнем чувствительности.

       Другие  биосенсоры на основе исчезающей волны  были коммерциализированы с использованием волноводов, в которых константа распространения света через волновод изменяется при абсорбции молекул на поверхность волновода. Например, в двойной поляризационной интерферометрии используются два волновода, один из которых изолирован и является эталонным, а второй волновод непосредственно контактирует с исследуемым образцом. Сравнивая константы скорости распространения света в обоих волноводах, делают заключение о концентрации аналита.

       Другие  оптические биосенсоры основаны в основном на изменении в абсорбции или  флуоресценции соответствующего индикаторного  компонента и не нуждаются в полном внутреннем отражении. Например, разработан полностью функционирующий прототип прибора для определения казеина в молоке. Прибор основан на обнаружении изменений в абсорбции золотого слоя.[4] Широко используемый в молекулярной биологии исследовательский инструмент, ДНК-микрочип, может также считаться оптическим биосенсором.

       Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал, который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока (это даёт логарифмический отклик). Нужно отметить, что на потенциал электродов влияет заряд их окружения, что часто используется. Более того, возможно прямое электрическое определение небольших пептидов и белков по характерному для них заряду, используя биологически модифицированные ион-селективные полевые транзисторы (ИСПТ).

       В пьезоэлектрических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании.

       Термические и магнитные биосенсоры практически не распространены.

4. Методика экспрессного определения токсичности воды

       Методика  основана на определении изменения  интенсивности биолюминесценции генно-инженерных бактерий при воздействии токсических  веществ, присутствующих в анализируемой пробе, по сравнению с контролем. Люминесцентные бактерии оптимальным образом сочетают в себе различные типы чувствительных структур, ответственных за генерацию биоповреждений (клеточная мембрана, цепи метаболического обмена, генетический аппарат), с экспрессностью, объективным и количественным характером отклика целостной системы на интегральное воздействие токсикантов. Это обеспечивается тем, что люминесцентные бактерии содержат фермент лю-циферазу, осуществляющую эффективную трансформацию энергии химических связей жизненно важных метаболитов в световой сигнал на уровне, доступном для экспрессных и количественных измерений.

       Критерием токсического действия является изменение  интенсивности биолюминесценции тест-объекта  в исследуемой пробе по сравнению с таковой для пробы с раствором, не содержащим токсических веществ. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту [6].

       Острое  токсическое действие исследуемой  воды на бактерии определяется по ингибированию  их биолюминесценции за 30-ти минутный (в экспрессном варианте – 5 минут) период экспозиции. Количественная оценка параметра тест-реакции выражается в виде безразмерной величины – индекса токсичности «Т», равной отношению Т = 100 (I₀-I)/I₀, где I₀ и I соответственно интенсивность свечения контроля и опыта при фиксированном времени экспозиции исследуемого раствора с тест-объектом. 

       Методика  допускает три пороговых уровня индекса токсичности:

• допустимая степень токсичности: индекс токсичности Т меньше 20;
• образец токсичен: индекс Т равен или больше 20 и меньше 50;
• образец сильно токсичен: индекс токсичности Т равен или более 50.

5. Методика  определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний

       Методика  основана на определении смертности и изменений в плодовитости дафний (Daphnia magna Straus, Cladocera, Crustacea) при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ (контроль).