Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Понаморева, Ольга Николаевна

Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах
<
Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Понаморева, Ольга Николаевна. Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах : диссертация ... доктора химических наук : 03.01.06 / Понаморева Ольга Николаевна; [Место защиты: ГОУВПО "Московская государственная академия тонкой химической технологии"].- Москва, 2013.- 262 с.: ил.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Биоэлектрохимическое окисление углеводов и спиртов уксуснокислыми бактериями gluconobacter oxydans 18

1.1. Потенциал бактерий Gluconobacter как биокатализаторов при разработке медиаторных биосенсоров и биотопливных элементов: обоснование выбора объекта исследований 18

1.1.1. Физиолого-биохимические особенности уксуснокислых бактерий рода Gluconobacter 18

1.1.1.1. Особенности дыхательной цепи 20

1.1.1.2. Метаболизм углеводов и спиртов 23

1.1.1.3. Характеристика мембранных дегидрогеназ 26

1.1.2. Биоэлектрохимические системы на основе уксуснокислых бактерий Gluconobacter. обзор разработанных устройств и подходов к их созданию

1.1.2.1. Биосенсоры на основе Gluconobacter 37

1.1.2.2. Микробные топливные элементы на основе Gluconobacter 41

1.2. Восстановление искусственных акцепторов электронов ферментными системами целых клеток Gluconobacter 44

1.2.1. Редокс-красители для определения их метаболической активности микроорганизмов: обоснование методики исследования 44

1.2.2. Конкуренция кислорода и искусственных акцепторов за электроны мембранных оксидоредуктаз Gluconobacter oxydans 49

1.2.3. Эффективность искусственных акцепторов электронов при окислении глюкозы бактериями Gluconobacter oxydans

1.2.4. Анализ субстратной специфичности бактерий Gluconobacter oxydans при взаимодействии с искуссвенным акцептором электронов... 58

1.2.5. Сравнительная характеристика целых клеток Gluconobacter oxydans и их ферментных фракций как биокатализаторов окисления глюкозы и этанола в присутствии искусственных акцепторов электронов 61

1.3. Анализ процессов биоэлектрохимического окисления субстратов

уксуснокислыми бактериями Gluconobacter oxydans (медиаторный

биоэлектрокатализ) 65

1.3.1. Оценка возможности использования редокс-соединений как медиаторов переноса электронов в биосенсорах на основе бактерий Gluconobacter oxydans методом вольтамперометрии 69

1.3.2. Субстратная специфичность бактерий Gluconobacter oxydans в условиях биоэлектрохимического окисления при участии медиаторов электронного транспорта 77

1.3.3. Моделирование процессов электрокаталитического окисления глюкозы иммобилизованными бактериями Gluconobacter oxydans 1.3.3.1. Скоростьопределяющие стадии окисления субстратов иммобилизованными на поверхности электрода бактериями в условиях функционирования медиаторного биосенсора 82

1.3.3.2. Биоэлектрокаталитическое окисление субстратов в системах с иммобилизованными бактериями - механизм «пинг-понг». Эффективность медиаторов 92

ГЛАВА 2. Иммобилизованные микроорганизмы -деструкторы капролактама как биораспознающие элементы биосенсоров

2.1. Методы анализа капролактама в водных средах и биохимические основы деградации капролактама и его олигомеров (обзор): отправные точки для исследования

2.1.1 Физико-химические методы определения є-капролактама в водных средах 114

2.1.2. Биодеградация капролактама и олигомеров аминокапроновой кислоты 115

2.1.2.1. Биохимические и генетические аспекты катаболизма капролактама 115

2.1.2.2. Ферменты деградации нейлоновых олигомеров

2.2. Скрининг бактерий с различными сочетаниями «САР-плазмида -бактериальный хозяин» по окислительной активности 125

2.3. Трансформация линейных олигомеров є-аминокапроновой кислоты бактериями-деструкторами капролактама

2.3.1. Дыхательная активность бактерий-деструкторов капролактама в присутствии олигомеров 135

2.3.2. Трансформация олигомеров бактериями-деструкторами капролактама: масс-спектрометрическое исследование 137

3.3.1. со-Трансаминазная активность бактерий в присутствии 6-аминогексаноата и димера 6-аминогексаноата 145

ГЛАВА 3. Биосенсоры для экологического мониторинга . 149

3.1. Микробные биосенсоры в экотоксикологии: принципы

функционирования и практическое применение (обзор) 150

3.1.1. Биосенсоры для оценки токсичности среды и определения токсикантов 150

3.1.2. БПК-биосенсоры 157

3.2. Микробный сенсор для мониторинга содержания капролактама в стоках 163

3.2.1. Макет микробного сенсор кюветного типа для детекции капролактама 164

3.2.2. Макет биосенсора проточно-инжекционного типа

3.3. Микробный биосенсор и методика для оценки токсичности продукции бытового назначения 176

3.4. Медиаторные биосенсоры на основе уксуснокислых бактерий и выделенных из них мембранных фракций для определения суммарного содержания Сахаров, спиртов и БПК 194

3.4.1. Микробный медиаторный биосенсор 195

3.4.1.1. Выбор рабочих параметров функционирования микробных сенсоров 195

3.4.1.2. Долговременная и операционная стабильность микробных медиаторных биосенсоров 197

3.4.2. Медиаторный биосенсор на основе мембранных фракций бактерий

199

3.4.2.1. Выбор рабочих параметров функционирования медиаторного биосенсора на основе мембраной фракции бактерий Gluconobacter oxydans 199

3.4.2.2. Долговременная и операционная стабильность медиаторных биосенсоров на основе мембранной фракции бактерий Gluconobacter oxydans 201

3.4.3. Характеристики макетов БПК-биосенсоров 203

ГЛАВА 4. Материалы и методы 206

4.1. Реактивы и материалы 206

4.2. Биокатализаторы как основа биораспознающих элементов биосенсоров: штаммы микроорганизмов, питательные среды, условия культивирования, буферные растворы, ферментные фракции бактерий..

4.2.1. Штаммы микроорганизмов 206

4.2.2. Среды и условия культивирования микроорганизмов 207

4.2.3. Буферные растворы

4.2.4. Выделение ферментных структур бактерий Gluconobacter oxydans

4.3. Взаимодействие искусственных акцепторов электронов с уксуснокислыми бактериями 210

4.3.1. Дегидрогеназная активность ферментных фракций бактерий 211

4.3.2. Скорости восстановления редокс-красителей целыми клетками бактерий 211

4.4. Амперометрические методы регистрации окислительной активности

иммобилизованного биоматериала 212

4.4.1. Биоэлектрохимические системы с медиаторным переносом электронов 212

4.4.2. Регистрация дыхательной активности иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов капролактама с помощью амперометрического кислородного датчика 214

4.5. Методы определения капролактама и степени его деградации 218

4.5.1. Тонкослойная хроматография растворов капролактама 218

4.5.2 Фотометрический метод определения капролактама 218

4.5.3. Газохроматографическое определение капролактама 219

4.5.4. Определение концентрации капролактама в образцах промышленных отходов 219

4.5.5. Оценка степени биодеградации капролактама в образцах

промышленных отходов 219

4.6. Масс-спектрометрический анализ биодеградации олигомеров 6-аминогексановой кислоты 220

4.7. Трансаминазная активность 221

4.8. Оценка токсичности образцов бытовой продукции

4.8.1. Пробоподготовка образцов продукции бытового назначения 222

4.8.2. Дыхательная активность микроорганизмов как тест-функция для оценки токсичности 2 4.8.3. Референтные методы для гигиенической оценки продукции

бытового назначения по химическому фактору 224

4.9. Определение БПК5 модельных и реальных образцов 225

4.9.1. Стандартный метод разбавления 225

4.9.2. Моделирование процесса спиртового брожения 225

Заключение 226

Выводы 229

Благодарности

Биоэлектрохимические системы на основе уксуснокислых бактерий Gluconobacter. обзор разработанных устройств и подходов к их созданию

Род Gluconobacter принадлежит семейству Acetobacteraceae [35]. На основе филогенетического анализа недавно было установлено, что род Gluconobacter отделился от общего с родами Acetobacter и Gluconacetobacter предка Полученные результаты хорошо согласуются с физиологией этих бактерий [36]. Согласно последней версии классификатора Берджи (Bergey) различают четыре вида, принадлежащих к роду Gluconobacter, а именно Gluconobacter oxydans, Gluconobacter asaii, Gluconobacter cerinus и Gluconobacter frateurii [37]. Однако фенотипическая разница среди видов Gluconobacter неоднозначна, поэтому, по мнению других исследователей, следует выделять пять видов рода Gluconobacter [38], семь видов: G. oxydans, G. cerinus и G. frateurii и G. albidus, G. krungtbepensis, G. tbailandicus и Gluconobacter sp. NBRC 3243 [39]. Поиск и описание новых видов бактерий рода Gluconobacter продолжается [40, 41].

Бактерии, относящиеся к роду Gluconobacter, имеют размеры от 0,6 мкм х 1,5 мкм до 0,8 мкм х 2,0 мкм. По форме клетки бывают эллипсоидальными, палочковидными и сферическими, обычно представленными в виде отдельных клеток, но иногда - в виде пар или цепочек. Бактерии рода Gluconobacter относятся к грамотрицательным. Среди клеток встречаются как подвижные, содержащие по 3-8 полярных жгутиков, так и неподвижные формы. Все бактерии этого рода являются хемоорганотрофами и относятся к строгим аэробам [42]. Естественной средой обитания уксуснокислых бактерий Gluconobacter являются цветы и фрукты. Они найдены в вине, пиве и в безалкогольных напитках, что придает эти напиткам особый привкус [43, 44].

Уксуснокислые бактерии Gluconobacter способны к росту в средах с высоким содержанием Сахаров и низкими значениями рН [45]. Бактерии Gluconobacter могут с высокой скоростью участвовать в превращении органических соединений с образованием продуктов их неполного окисления, накапливающихся в культуральной среде [46]. Эти окислительные реакции называют «окислительной ферментацией» [47]. Такой тип метаболизма является эволюционным преимуществом микроорганизмов. На ранних стадиях роста бактерии выделяют в среду много продуктов окисления, что не позволяет развиваться другим микроорганизмам в кислой среде. Gluconobacter способны окислять широкий спектр субстратов с образованием соединений, многие из которых являются ценными лекарственными препаратами и находят применение в пищевой и парфюмерной промышленности. Уникальной особенностью уксуснокислых бактерий является то, что они обладают высокой скоростью окисления субстратов и низким приростом биомассы, что делает бактерии перспективными биокатализаторами в биотехнологических процессах [47-50]. Gluconobacter oxydans окисляет D-маннит, D-арабит, D-рамнит, D-сорбит, эритрит и глицерин в соответствующие кетосоединения [49]. Современные биотехнологические процессы, основанные на асимметричном окислении субстратов [51, 52], такие как производство L-сорбозы [53], синтез витамина С [54, 55] и 6-амино-Ь-сорбозы (синтез антидиабетического препарата миглитола) [49], проводятся с участием этих бактерий. Кроме того, бактерии Gluconobacter используются в производстве дигидроксиацетона [56, 57], лактата [58], глицериновой кислоты [59], глюконата и кетоглюконата [58, 60, 61]. Таким образом, бактерии рода Gluconobacter интересным объектом для промышленного применения.

Все перечисленные выше особенности бактерий Gluconobacter, которые широко используются в биотехнологии, определяются, прежде всего, организацией ферментных систем, в том числе строением дыхательной цепи бактерий.

Несмотря на то, что первые публикации об особенностях функционирования дыхательной цепи уксуснокислых бактерий появились более 20 лет назад [62], строение электронтранспортной системы в G. oxydans является все еще спорным вопросом. Дыхательная цепь Gluconobacter содержит большое количество хинопротеиновых дегидрогеназ с широкой субстратной специфичностью, коферментами которых является пирролохинолинхинон (PQQ); убихинон-10 (Qio); два типа цитохромов с; два типа цитохромов о, которые последовательно участвуют в передаче электронов. Дыхательная цепь бактерий разветвляется на уровне убихинона на цианид-чувствительную и цианид-нечувствительную (Сіо) цепи (рис. 1) [63,64].

Физико-химические методы определения є-капролактама в водных средах

В качестве медиаторов могут выступать многие редокс-соединения, которые используются как окислительно-восстановительные индикаторы в электроанализе. В некоторых ранних обзорах суммированы сведения о возможности использования этих соединений при разработке медиаторных биосенсоров на основе ферментов [33, 120, 170, 171].

Из особенностей внеклеточного переноса электронов вытекает целый ряд важных требований, которым должен удовлетворять медиатор, чтобы обеспечить эффективный транспорт электронов: - Медиатор в окисленном состоянии должен легко диффундировать через внешнюю мембрану бактерий, как в окисленной, так и в восстановленной форме. - Величина редокс-потенциала медиатора должна обеспечивать термодинамическую возможность электронного транспорта. - Окисленный медиатор не должен вступать в другие метаболические процессы (не должен ингибировать их и не должен претерпевать изменения в них). - Скорость электрохимического окисления медиатора на электроде должна быть высокой. Это предполагает большие значения константы скорости переноса электрона на границе электрод-раствор. - Медиатор должен быть устойчивым как в окисленной, так и в восстановленной форме.

Практически всем требованиям удовлетворяют соединения ферроценового ряда. В области медиаторных ферментных биосенсоров наиболее распространенными медиаторами являются ферроцен и его производные (27%) [171]. Ферроцен (бис-л5-циклопентадиенилжелезо) -представитель класса сэндвичевых соединений. Ферроцен легко и обратимо окисляется до катион-радикала ферроцения (кислородом воздуха в кислой среде, перекисью водорода, иодом, хлоридом железа(Ш) и т. п.). При окислении не происходит заметных изменений в геометрии молекулы ферроцена. Пара ферроцен - катион ферроцения является одной из наиболее высокоообратимых окислительно-восстановительных систем. Электронный обмен между восстановленной и окисленной формами в этой системе происходит с очень большой скоростью, значительно превышающей скорость электронного обмена в таких системах, как [Fe(CN)6]37 [Fe(CN)6]4" [172]. Вследствие достаточно высокой стабильности ферроценов, их растворимости в различных растворителях в зависимости от свойств заместителей, и превосходных окислительно-восстановительных свойств (низкого восстановительного потенциала и обратимых окислительно-восстановительных реакций пары ферроцен/ферроцений), эти соединения являются наиболее перспективными медиаторами электронного транспорта и находят широкое применение в конструкции сенсорных платформ, в том числе, биосенсорных устройств [173]. Электрохимические свойства производных ферроцена можно изменять, вводя заместители различных типов в циклопентадиенильные кольца. В зависимости от природы заместителей и их положений редокс-потенциал ферроценов составляет от 0,15 до 0,60 В относительно насыщенного каломельного электрода [174]

Известны лишь единичные исследования, посвященные разработке биосенсоров на основе целых клеток с применением в качестве медиаторов ферроценов. Таким образом, изучение возможности применения ферроцена и ряда его производных как медиаторов электронного транспорта при создании безреагентных биосенсорных систем на основе бактерий Gluconobacter oxydans является актуальной задачей. В качестве потенциальных медиаторов электронного транспорта нами выбраны производные ферроцена с заместителями, которые изменяли растворимость в воде и восстановительные потенциалы медиатора (табл. 10).

Другим классом соединений, широко применяемым в амперометрических биосенсорах в качестве переносчиков электронов от биомолекул на электрод является бензохинон и различные его производные, например, дурохинон (тетраметил-1,4-бензохинон) [175], и-бензохинон [136, 176-178], убихинон Qo (2-метил-5,6-диметоксибензохинон) [179] 2,6-диметилбензохинон [180]. Соединения хинонового ряда являются аналогами убихинона - промежуточного переносчика электронов в дыхательной цепи, что, возможно и возможно и определяет их медиаторные свойства. Нами была исследована возможность переноса заряда в системах «графитовые электроды, модифицированные 2,5-дибром-1,4-бензохиноном, 2-метил-1,4-бензохиноном, 1,2-нафтохиноном (рис. 19)- иммобилизованные бактерии G. oxydans».

Макет микробного сенсор кюветного типа для детекции капролактама

Капролактам является одним из токсикантов. При длительном воздействии относительно небольших доз капролактама на организм человека мишенями могут быть нервная система, система крови, репродуктивная функция [199-201]. По оценкам экспертов аналитической компании PCI Nylon, мировой объем производства капролактама в 2012 году составил 4,58 млн. тонн. В настоящее время в России существует несколько предприятий по производству капролактама. Одним из крупнейших производителей является ОАО «Щекиноазот» в Тульской области. На производствах капролактама образуется значительное количество органических отходов. На стадии выделения и очистки готового продукта образуется смоляной сток следующего состава: капролактам 30 - 50%; сульфат аммония 2 - 10 %; вода и водорастворимые смолы 30-68 % [19]. Эти отходы подвергают термическому обезвреживанию в зоне огневого факела. В атмосферу выбрасывается до 40 млн. м дымовых газов в год, содержащих оксиды азота.

Капролактам является сырьем для получения полимерных материалов (полиамидов: капрон, нейлон-6), применяемых в различных областях промышленности, сельского хозяйства, медицины, быта. По оценкам аналитической компании BusinesStat, объем внутризаводского потребления капролактама (на производство полиамида) в России вырастет до 200 тыс.т. в 2017 г [202]. Обратимость процесса получения поликапроамида из капролактама приводит к тому, что продукты полимеризации всегда содержат определенное количество исходного капролактама и низкомолекулярных фракций олигомеров [203], которые экстрагируются из продукта полимеризации, подвергаются термохимической обработке и повторно используются в процессе полимеризации. Традиционно олигомеры 6-аминогексановой кислоты называют олигомерами капролактама или нейлоновыми олигомерами (nylon oligomer). Несмотря на то, что современные технологии обеспечивают изготовление полиамида замкнутым циклом, они также предполагают определенное количество отходов. Кроме того, широкое применение поликапроамида вместе с его низкой биодоступностью создает проблему утилизации изделий, пришедших в негодность. В связи с этим необходимо разрабатывать методы утилизации капролактама и его полимеров и олигомеров, в том числе биологические методы.

В наше время большое внимание в мире уделяется экологической безопасности, в том числе разработке технологий «зеленой» химии [204]. К «зеленой» химии, с точки зрения химика, можно отнести любое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду [205], в том числе в технологии синтеза капролактама [206]. Некоторые руководители компаний и крупные бизнесмены задумываются не только о высоких доходах химических предприятий, но и о состоянии окружающей среды вокруг этих предприятий. Так, в течение последних 10 лет руководство Самарской области и ОАО «Куйбышев-Азот» предпринимают усилия для реорганизации производства капролактама для увеличения экономической выгоды и экологической безопасности, причем инвестиции направляются не только непосредственно в производство, но и на научные исследования в этом направлении. В результате проведенных исследований разработаны новые технологии для синтеза капролактама и очистки стоков капролактамовых производств, в том числе с применением методов биологической очистки [207]. Результаты проведенных исследований изложены в диссертациях и опубликованы в научных статьях в химико-технологических журналах в последние годы [19, 208-210]. Такой гармоничный подход к развитию бизнеса, и следование правилам «зеленой» химии при разработке новых и реконструкции старых производств оправдывает себя. Несмотря на замедление темпов роста производства капролактама на других заводах в России и даже их снижение в годы кризиса, ОАО «Куйбышев-Азот» успешно развивает переработку капролактама в соответствии со стратегической программой повышения доли продукции с более высокой добавленной стоимостью.

На примере стоков ОАО «Куйбышев-Азот» показано, что сочетание химических и "биологических методов очистки дает наилучший результат, который позволяет отказаться от метода сжигания [207, 211]. В основе всех биологических методов очистки лежит жизнедеятельность микроорганизмов. Капролактам и олигомеры капролактама обладают низкой биодоступностью, поэтому микроорганизмы со специфическими системами метаболизма, обеспечивающими деградацию этих соединений могут играть важную роль в утилизации этих соединений. Специфичность ферментных систем бактерий -деструкторов капролактама может быть использована при разработке экспресс-методов для его определения в сточных водах этих производств, например с помощью микробных сенсоров. Исследование закономерностей функционирования микроорганизмов-деструкторов капролактама и их ферментных систем является необходимым этапом для дальнейшей реализации этих задач.

Взаимодействие искусственных акцепторов электронов с уксуснокислыми бактериями

Для разработанного биосенсора проточно-инжекционного типа этот показатель составил 1,9%, что в 6 раз ниже норматива оперативного контроля сходимости для газохроматографического определения є-капролактама в воде согласно МУК 4.1.1209-03 [212].

Оценку долговременной стабильности биосенсора проводили в течение 10 дней функционирования биораспознающего элемента. Между измерениями электрод с иммобилизованным биоматериалом хранили в буферном растворе при температуре 20 - 25 С. Для построения зависимости использовались средние значения ответов в течение дня (рис. 72).

Долговременная стабильность биосенсора проточно-инжекционного типа На второй день после иммобилизации микроорганизмов ответ биосенсора проточно-инжекционного типа возрастает, как и ответ биосенсора кюветного типа (п. 3.2.1). За 10 суток ответы биосенсора уменьшились на 30%. Аналитические и метрологические характеристики макетов биосенсора проточно-инжекционного типа и кюветного типа приведены в таблице 26.

Предел обнаружения при проточно-инжекционном способе измерения составляет 0,005 мМ, что в четыре раза выше, чем в случае кюветного. Это позволяет определять концентрации капролактама с помощью биосенсора проточно-инжекционного типа ниже уровня ПДК капролактама. Следует отметить, что длительность единичного измерения капролактама для газохроматографического (при настроенном на данную задачу приборе) и фотометрического методов составляет более 30 мин, для метода тонкослойной хроматографии - более 1 часа [212, 216, 309]. Сходимость результатов значительно выше при проточно-инжекционном режиме измерений.

Важной характеристикой анализа является его селективность, т.е. возможность определения каждого компонента анализируемого объекта независимо от других. В случае биосенсорного анализа селективность определяется субстратной специфичностью биоматериала, используемого для формирования рецепторного элемента сенсора. Каждый микроорганизм имеет определенную субстратную специфичность, то есть способен окислять определенный круг субстратов. Потенциальными субстратами для реакций окислительного катаболизма бактерий, которые могут мешать биосенсорному определению капролактама, являются метаболиты биодеградации капролактама (є-аминокапроновая кислота, адипиновая кислота) и соединения, используемые при производстве капролактама, содержание которых в технологических водах предприятий по производству капролактама может достигать 4% - циклогексанон и циклогексанол (рис.73). Для проточно-инжекционного сенсора ответ на капролактам, по крайней мере, в 20 раз превышает ответы сенсора на остальные тестируемые соединения, что позволяет селективно определять концентрацию капролактама в водных средах. Предположительно, при снижении времени контакта биорецепторного элемента с пробой в проточной системе транспорт субстрата к ферментным системам становится лимитирующим фактором и определяет величину ответа биосенсора.

Селективность биосенсорного определения при кюветном и проточно-инжекционном способах регистрации ответа. За 100% принимали ответ сенсора на 1 мМ капролактам. Потенциальные субстраты окислительного катаболизма бактерий (концентрация 1 мМ): l-є-капролактам, 2-адипиновая кислота, 3-є-аминокапроновой кислота, 4-циклогексанол, 5-циклогексанон

Таким образом, биосенсорный анализатор с проточно-инжекционным способом измерений характеризуется большей чувствительностью, экспрессностью, операционной стабильностью и более высокой селективностью определения капролактама.

Макет биосенсора проточно-инжекционного типа применили для анализа реальных образцов, содержащих капролактам. Образец №1 представлял собой производственные воды цеха предприятия по производству капролактама «Щекиноазот» (г. Щекино, Тульская область), в которых содержатся капролактам, органические примеси - циклогексанон, циклогексанол и сульфат аммония; образец №2 -капролактам-олигомерный концентрат дистилляции - твердые отходы с предприятия по производству полимерных волокон «Химволокно» (г. Щекино, Тульская область), содержащие капролактам и его олигомеры. Результаты анализа содержания капролактама в этих образцах представлены в таблице 27.

Метод определения Образец №1 Образец №2 Биосенсорное определение 5,2±0,2 % 75±4% Тонкослойная хроматография 5,0±0,5 % 80±8% Фотометрический метод 5,3±0,2 % не определяли Макет биосенсора проточно-инжекционного типа характеризуется чувствительностью, селективностью и экспрессностью определения капролактама и может быть использован как прототип опытного образца прибора для анализа капролактама в водных средах, с его помощью можно легко проводить мониторинг биологической очистки капролактамсодержащих производственных отходов. На основании выполненных нами исследований дыхательной активности бактерий - деструкторов капролактама разработаны макеты биосенсоров кюветного и проточно-инжекционного типа для экспресс-определения капролактама в водных средах и показана принципиальная возможность применения этих устройств для мониторинга биологической очистки сточных.

Похожие диссертации на Закономерности функционирования ферментных систем микроорганизмов как биокатализаторов в амперомерических биосенсорах