Новости

17 июня, 2022 13:47

Биосенсор на основе бактерий помог оценить чистоту воды

Российские ученые разработали биосенсор на основе бактериальных клеток, который позволяет определить количество додецилсульфата натрия в воде. Это вещество, входящее в состав порошков, шампуней и моющих средств, в высоких концентрациях становится токсичным для человека и животных. Предложенная аналитическая система позволяет быстро и точно определить уровень загрязнения, поэтому может использоваться экологами для мониторинга состояния водоемов и качества питьевой воды. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в World Journal of Microbiology and Biotechnology.
Схема экспериментов, проведенных в ходе исследования. Источник: Velichko et al. / World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2022
 
Додецилсульфат натрия (SDS) — высокоактивное чистящее средство, которое входит в состав большинства стиральных порошков, жидкостей для мытья посуды, шампуней и зубных паст. Кроме того, это соединение способно разрушать оболочку вирусных частиц, поэтому его используют в антисептиках. С каждым годом растущий спрос на подобную бытовую химию, особенно в условиях пандемии, привел к тому, что использование SDS также увеличилось. По оценкам специалистов, на сегодняшний день объем рынка этого вещества достигает 500 миллионов долларов и за ближайшие пять лет вырастет примерно на 4%. Это, в свою очередь, заставляет задуматься о вреде, который SDS наносит природе, попадая со сточными водами в окружающую среду. Оказываясь вместе с загрязненной водой в организме животных и человека, SDS может вызвать отравление, ослабление иммунитета и даже развитие злокачественных опухолей. В связи с этим экологи пристально отслеживают содержание додецилсульфата натрия в питьевой и технической воде, где его количество не должно превышать 0,5 и 1,0 мг/л соответственно.
 
Для мониторинга содержания SDS существует множество аналитических методов, однако они крайне затратны по времени и требуют дорогого оборудования. Хорошей альтернативой выступают биосенсоры на основе клеток бактерий. В них используются микроорганизмы определенного штамма, способные тем или иным образом реагировать на присутствие интересующего компонента в среде. Например, они могут потреблять его в пищу, а ученые электрическими датчиками фиксируют изменения, происходящие при этом в растворе или в клетках бактерий.
 
Исследователи из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) и Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевскогo (Саратов) разработали биосенсор для определения содержания SDS на основе бактерий Herbaspirillum lusitanum. Эти микроорганизмы используют додецилсульфат натрия в качестве единственного источника углерода — необходимого для их жизнедеятельности макроэлемента. Сначала авторы проанализировали геном бактерии и подтвердили, что она имеет ферменты, необходимые для разложения SDS. Далее экспериментально проверили их активность, поместив культуру клеток в среду с додецилсульфатом натрия. Оказалось, что H. lusitanum разлагал до 92% этого соединения, если его количество не превышало 50 мг/л. При более высоких концентрациях рост бактерий и способность использовать SDS подавлялись из-за токсического эффекта.
 
Затем ученые проверили, можно ли использовать H. lusitanum в качестве основы биосенсора — для этого авторы измерили поляризацию клеточной мембраны у бактерий, то есть разницу заряда с ее внешней и внутренней стороны. С помощью мембраны микроорганизмы способны воспринимать различные химические и физические сигналы, например, о том, сколько питательных компонентов находится в среде, какая температура вокруг и есть ли поблизости угрозы. Затем этот «входящий сигнал» преобразуется в электрический, из-за чего изменяется поляризация клетки. Оказалось, что добавление всего 0,01 мг/л SDS снижало электрические сигналы на поверхности бактерий на 14% по сравнению с исходным значением, и дальнейший рост концентрации реагента еще более увеличивал разницу. Такой эффект объясняется тем, что SDS связывается с оболочкой и изменяет ее заряд.
 
«Мы разработали биосенсор на основе бактериальных клеток, который позволяет определить содержание SDS с точностью до 0,01 мг/л, что значительно ниже официальных требований по содержанию этого вещества в питьевой и технической воде. Это говорит о том, что предложенную систему можно использовать для быстрого и высокоточного мониторинга состояния водоемов. В дальнейшем мы планируем искать новые варианты биосенсоров для различных загрязнителей на основе других штаммов микроорганизмов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Наталья Величко, кандидат биологических наук, сотрудник Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН.
 
22 июня, 2022
Физики «научили» частицы рассеивать свет в форме гантели
Физики определили условия, в которых шарообразные частицы начинают рассеивать свет преимущественно в...
22 июня, 2022
Российские ученые улучшили элементы памяти для гибкой электроники, облучив фторированный графен тяжелыми ионами
Благодаря облучению ионами ксенона, исследователи модифицировали фторированный графен: удалили фто...