Метод и средства контроля токсичности водных сред по реакции бактерий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Суворова, Татьяна Владиславовна

• Суворова, Татьяна Владиславовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Суворова, Татьяна Владиславовна

Введение.

1. Основы аппаратурного биотестирования.

1.1. Контроль токсичности водных сред.

1.2. Необходимость разработки биотестовых методов и средств с использованием бактерий.

1.3. Аппаратурно-регистрируемые реакции популяции бактерий

1.3.1. Рост-размножение.

1.3.2. Биолюминесценция.

1.3.3. Хемотаксис.

1.4. Биотестовый метод и средства как элементы биотехнической системы (БТС).

1.4.1. Общие понятия.

1.4.2. Особенности организации биотестового t эксперимента.

1.4.3. Особенности бактериального тест-объекта.

1.5. Методы исследования бактериальных популяций.

1.5.1. Оптические методы исследования взвесей частиц.

1.5.2. Универсальные приборы.!.

1.5.3. Специализированные измерительные преобразователи.

Ф 1.6. Методы обработки данных биотестирования.

1.7. Выводы.

-32. Разработка и исследование биотехнической биотестовой системы

2.1. Обобщенная схема биотестовой биотехнической системы

2.2. Линия подготовки тест-объекта.

2.2.1. Выбор тест-объекта.

2.2.2. Исследование влияния линии подготовки тест-объекта на тест-реакцию.

2.3. Исследование особенностей возникновения тест-реакции

2.3.1. Методика формирования и регистрации тест-реакции

2.3.2. Исследование факторов, оказывающих влияние на тест-реакцию.

2.4. Линия подготовки пробы.

2.4.1. Выбор контрольной среды для тест-реакции.

2.4.2. Исследование возможности расширения видов тестируемых проб.

2.5. Сервисные элементы БТС.

2.5.1. Линия подготовки принадлежностей и материалов.

2.5.2. Блок термостатирования.

2.6. Концепция полосового хемотаксиса.

2.7. Выводы.

3. Модели измерительных преобразователей и их исследование.

3.1. Измерительный преобразователь (ИП) индикаторного типа

3.1.1. Вывод зависимости отношения световых потоков,

Ф прошедшего через полосу к фоновому.

3.1.2. Исследование зависимости отношения световых потоков, прошедшего через полосу к фоновому.

3.1.3. Передвижной индикаторный ИП.

3.1.4. Измерительный преобразователь для исследования структуры полосы.

3.2. Измерительный преобразователь для измерения высоты подъема бактериальной полосы.

3.3. Выводы.

4. Экспериментальные исследования измерительных преобразователей.

4.1. Исследование спектра ослабления тест-объекта.

4.2. Исследование измерительных преобразователей.

4.2.1. ИП индикаторного типа.

4.2.2. ИП для регистрации высоты подъема бактериальной полосы с функциональной маской треугольной формы.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средства контроля токсичности водных сред по реакции бактерий»

В связи с постоянно увеличивающейся антропогенной нагрузкой на окружающую среду и возрастанием количества загрязняющих веществ возникает острая необходимость контроля токсичности - биологической вредности водных сред: питьевой, природной и сточных вод. Контроль токсичности с использованием биологических методов, в отличие от химико-аналитических, позволяет учитывать ее изменение при трансформации загрязняющих веществ, образовании различных комплексов и смесей. Для получения показателей токсичности водных сред необходимо применять несколько организмов различных систематических групп, объединенных в трофическую цепь. Такими важными звеньями трофической цепи простейших, мелких ракообразных являются бактерии. Достоинствами использования бактерий при контроле токсичности являются возможность их получения пользователем в больших количествах для опытов из готовых, широко доступных споросодержащих фармацевтических препаратов медицинского назначения, уменьшение стоимости тестирования по сравнению с применением многоклеточных организмов и получение статистически значимой реакции.

Для контроля токсичности водных сред целесообразно использовать количественно, регистрируемые реакции организмов с помощью аппаратурных методов. Они обеспечивают объективность получения показателей токсичности большого объема проб и снижают трудоемкость. Недостаток разработанных в настоящее время методов и средств контроля токсичности заключается в том, что используемые в них организмы не связаны трофически.

В качестве возможной количественно измеряемой реакцииперспективен полосовой бактериальный хемотаксис. Он проявляется в подъеме плоского слоя, проецирующегося на стенку сосуда в виде тонкой полосы. Высота подъема полосы уменьшается при действии токсических веществ. Применение этой реакции для аппаратурного контроля токсичности водных сред сдерживается отсутствием удобных для пользователя методов, малой изученностью воздействий токсичных веществ на тест-реакцию, сложностью аппаратуры для ее регистрации.

Таким образом, актуальность проблемы, лежащей в основе данной диссертации, обусловлена необходимостью разработки нового экспрессного метода контроля токсичности водных сред и новых аппаратурных средств для регистрации популяционной реакции бактериального хемотаксиса.

Целью диссертационной работы является - разработка метода у аппаратурного контроля токсичности водных сред по экспресс-реакции бактериального полосового хемотаксиса.

Задачи работы, связанные с достижением поставленной цели:

1. Обосновать выбор безвредного бактериального организма, обладающего полосовым хемотаксисом и методику его организации для аппаратурного контроля. Разработать способ получения бактериальных организмов для массовых опытов.

2. Исследовать воздействие биологических и физических факторов на полосовой хемотаксис, возможность его применения для экспресс-контроля острой токсичности различных водных сред. Выделить информативные, аппаратурно-регистрируемые характеристики полосового хемотаксиса, отражающие воздействие на данную реакцию бактерий токсичных водных сред.

3. Разработать и исследовать модели измерительных преобразователей для получения аппаратурно-регистрируемых характеристик полосового хемотаксиса, разработать на их основе аппаратурные средства.

4. Провести экспериментальные исследования аппаратурных средств, позволяющие проверить полученный метод и теоретические зависимости.

Объектами исследования данной работы является метод и средства биотестирования с использованием бактериального организма, предназначенные для применения в области экологического мониторинга.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы биотехнологии, физико-математического моделирования, микробиологии, статистики, фотометрии взвесей частиц.

Научные положения, выносимые на защиту:

• для контроля токсичности широкого круга природных и техногенных сред с помощью реакции бактериального полосового хемотаксиса следует учитывать взаимодействие биологических и физических факторов, оказывающих влияние на формирование и протекание данной реакции;

• концентрация бактериальных клеток в полосе, близкая по распределению к нормальному, мало изменяющаяся в процессе подъема, позволяет производить ее регистрацию с помощью турбидиметрических измерительных преобразователей на основе линейки фотоприемников или фотоприемника с функциональной маской треугольной формы; для увеличения отношения световых потоков, прошедшего через полосу к фоновому, необходимо учитывать геометрию фотосенсоров.

Научные результаты. При выполнении диссертационной работы получены следующие научные результаты:

• предложены критерии выбора бактериальных организмов для контроля острой токсичности водных сред, обладающих реакцией полосового хемотаксиса;

• исследованы особенности спектра пропускания бактериального слоя и влияния на реакцию полосового хемотаксиса биологических и физических факторов, позволяющие выявить условия разрушения бактериального слоя при взаимодействии с границами сред;

• разработаны модели турбидиметрических„измерительных

--преобразователейдг!я получения количественных характеристик реакции полосового хемотаксиса;

• разработан метод экспресс-контроля острой токсичности водных сред с использованием споросодержащих препаратов промышленного производства, основанный на бактериальной реакции полосового хемотаксиса.

Практическую ценность работы для экологического мониторинга представляют:

• методика получения бактериальных организмов с использованием споросодержащих препаратов и организации реакции полосового хемотаксиса для контроля острой токсичности пресной и солоноватых водных сред;

• метод экспресс-контроля токсичности природной, питьевой и сточных вод с учетом биологических и физических факторов воздействия на реакцию полосового хемотаксиса;

• рекомендации к выбору источников и приемников излучения, необходимых для контроля реакции полосового хемотаксиса;

• структурные схемы аппаратурных средств для контроля реакции полосового хемотаксиса, представляющие собой элемент биотехнической системы;

• результаты экспериментальных исследований аппаратурных средств контроля полосового хемотаксиса.

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и прикладных исследований, полученных в диссертационной работе, использовались при выполнении в 2002-2004 гг. научно-исследовательской работы "Исследование биотехнических проблем создания многоканальных приборов с микробиологическими измерительными преобразователями для контроля сложных сред" номер гос. регистрации 01200312014.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по Мягким вычислениям и измерениям -Санкт-Петербург, 2002, 2003, 2004, научно-практических конференциях «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» - Санкт-Петербург, 2002, 2003, всероссийской научно-техническая конференции "Информационные технологии и модели в решении современных проблем экологии" - Тула, 2002, восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" - Москва, 2002, на III международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" и на Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического Университета (ЛЭТИ) 2003 и 2004 годов.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них - пять статей, тезисы к шести докладам на международных и российских научно-технических конференциях, одно учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, и 2-х приложений. Основная часть работы изложена на 103 страницах машинописного текста. Работа содержит 10 таблиц и 51 рисунок.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Суворова, Татьяна Владиславовна

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проведен анализ применения бактерий для биотестирования токсичности водных сред и обоснована актуальность создания широкодоступных приборов для измерения популяционной реакции полосового хемотаксиса как наиболее информативной и аппаратурно-регистрируемой. Произведен выбор безвредного бактериального тест-объекта, обладающего необходимой тест-реакцией, и разработана методика его ф получения для массовых опытов с использованием споросодержащих коммерческих препаратов.

2. Исследовано влияние на тест-реакцию биологических и физических факторов. Обосновано ее применение для экологического мониторинга путем проведения серии исследований острой токсичности: водных растворов солей металлов и органических соединений, природных, сточных, технологических вод, питьевой воды.

3. Выделены аппарату рно-регистрируемые информативные характеристики тест-реакции полосового хемотаксиса и предложены турбидиметрические методы регистрации.

4. Предложены модели турбидиметрических измерительных преобразователей для измерения ослабления светового потока, вносимого бактериальной полосой, проведено исследование параметров полезного сигнала и зависимости его изменения от ряда мешающих факторов. На основе моделей датчиков синтезированы структурные схемы измерителей высоты подъема бактериальной полосы, позволяющих выделить полезный сигнал на фоне помех. Предложен способ поверки и контроля работоспособности аппаратуры.

5. На макетах приборов проведены экспериментальные исследования сигналов от времени при подъеме бактериальной полосы, подтверждающие основные положения модели.

-1256. Разработаны и исследованы метод и аппаратурные средства биотестового контроля водных сред на основе бактериального хемотаксиса.

Предложены варианты способы приготовления тест-объекта и выполнения биотестирования для условий практических лабораторий.

-124-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Суворова, Татьяна Владиславовна, 2004 год

1. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 208 с.

2. Бациллы. Генетика и биотехнология. М.: Мир, 1992. - 345 с.

3. Беспамятнов Г. П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1985. - 528 с.

4. Биотестирование природных и сточных вод. М.: «Лёгкая и пищевая промышленность», 1981. - 516 с.ф 5. Биотехнические системы: Теория и проектирование / Под. ред.

5. В.М.Ахутина. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.-220с.

6. Воронин A.M. Ризосферные бактерии рода Pseudomonas, способствующие росту и развитию растений//Соросовский образовательный журнал. 1998. - №10. -С.25-31.

7. Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств//Соросовский образовательный журнал. 1996. - №12. -С.26-32.

8. Варфоломеев С.Д. Биосенсоры//Соросовский образовательный журнал.1997. №1. -С.45-49.

9. Варфоломеев С.Д., Евдокимов Ю.М., Островский М.А. Сенсорнаябиология, сенсорные технологии и создание новых органов чувств человека/УВестник российской академии наук 2000. - Т. 70 - №2. - С.99-108.

10. Воропай Е.С., Карась В.И., Торпачев П.А. Оптимизация пары фотодиод-усилитель для измерений слабых световых потоков//Измерительная техника 1985. - №3. - С. 19-21.

11. Воропай Е.С., Торпачев П.А. Техника фотометрии высокого амплитудного разрешения. Минск, 1988. - 198 с.

12. Ганшин В.М., Чебышев А.В., Фесенко А.В. Комплексные системы мониторинга токсикологической и экологической безопасности//Специальная техника 1998., - № 4 - С.2-10.

13. Громов Б.В. Поведение бактерий//Соросовский образовательный журнал -1997. №6. - С.28-32.

14. Дмитриев М.Т. и др. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. — М.: Химия, 1989. 306 с.

15. Жуков А.И., Карелин Я.А., Колобанов С.К., Явлев С.В. Канализация. М.: Изд-во Литературы по строительству, 1969 - 590 с.

16. Захаров И.С., Пожаров А.В. Биотехнические методы охраны окружающей среды. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. - 80 с.

17. Захаров И.С., Пожаров А.В., Папутская Н.И. Качество воды качество жизни//Мониторинг - 1995. - №1. - С.39-42.

18. Захаров И.С., Пожаров А.В., Гурская Т.В., Финогенов А.Д. Биосенсорные системы в медицине и экологии. СПб: СПбГУТ, 2003. - 120 с.

19. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. — М.: Гидрометеоиздат, 1984. 560 с.

20. Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию. СПб.: «Химиздат», 1999. - 144 с.

21. Исмаилов А.Д., Погосян С.И., Митрофанова Т.И., Егоров Н.С., Нетрусов А.И. Ингибирование бактериальной биолюминесценции хлорфенолами//Прикладная биохимия и микробиология Т. 36. - №4. -С.469-473.

22. Карпов Ю.А. Методы пробоотбора и пробоподготовки. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Бином, 2003,. -243 с.

23. Кендалл М., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. М.: Наука, 1973.-899 с.

24. Купер Дж., Макгилем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. М.: Мир, 1989. - 376 с.

25. Курдиш И.К. Закономерности взаимодействия микроорганизмов с твердыми материалами. // М1кробюл. журн. 2001. - Т. 63 -№6. -С.71-88.

26. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. М.: «Химия», 1973. -536 с.

27. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Общий курс. Т.1. М.: «Высшая школа», 1996. - 637 с.

28. Методические основы биотестирования и определения генетической опасности отходов, поступающих в окружающую среду. РД 64-085-89. -М.,1990.

29. Методическое руководство по биотестированию воды. РД 118-02-90. — М.: Госкомприрода СССР, 1991.

30. Методы общей бактериологии. Т. 1. -М.: Мир, 1983. -428 с.

31. Могилевский В.Д. Методология систем: вербальный подход. М.: ОАО «Издательство «Экономика», 1999. 360 с.

32. Методика определения токсичности воды по хемотаксической реакции инфузорий. ПНДФТ 14.1:2:3:4.2-98. -М., 1998.

33. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение. М.: Мир, 1990.344 с.

34. Новиков Ю.Ю., Ласточкина К.С., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды водоемов. М.: Медицина, 1990. - 263 с.

35. Пожаров А.В., Шелемотов С.А. Использование экспресс-биотестирования для оценки антропоэкологической ситуации//Экология (РАН) 1992. - №2. - С.94-95.

36. Ф. 45.Пожаров А.В., Суворова Т.В., Ананьева Е.П., Захаров И.С, Голядкин С.В.

37. Оценка возможности использования бактериального хемотаксиса для аппаратурного биотестового анализа//Вестник Северо-Западного регионального отделения Академии медико-технических наук. СПб, 2003 -Вып. 7.-С. 198-201.

38. Пожаров А.В., Папутская Н.И., Захаров И.С. Быстрый токсикологический тест с использованием хемотаксиса Paramecium саис!а1;ит//Межд. заочн. научно-практической конф. «Инфузории в биотестировании»: Сб. тез. докл. Окт. 1997. СПб: 1998. С. 45.

39. Попова Л.Ю., Медведева С.Е., Могильная О.А., Пузырь А.П., Печуркин Н.С. Использование светящихся бактерий для создания тест-системы нагексахлоранциклогексан//Прикладная биохимия и микробиология 1991. -Т. 27.-Вып. 6. - С.905-910.

40. Рубенчик JI. И. Микроорганизмы биологические индикаторы. - Киев: Здоровье, 1972. - 90 с.

41. Рубин А.Б. Биофизичесие методы в экологическом мониторинге//Соросовский образовательный журнал 2000. - Т. 6. - №4. -С.7-13.

42. Симонов А. И., Цыбань А. В. Микроорганизмы и загрязнение морской среды//Всес. симпозиум «Вопросы смешения сточных вод и самоочищение водоёмов 1975. - С. 44-150.

43. Скулачев В.П. Электродвигатель бактерий//Соросовский образовательный журнал 1998. - №9. - С.2-7.

44. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. СПб: Химия, 1995. - 240 с.

45. Тест-система для определения антибактериальных субстанций в моче: А.С. 2164946/ Султанов 3.3., Кулакова Л.С., Перепелица Л.Г. № 99110285/13; Заявл. 11.05.1999// Открытия. Изобретения. - 2001.

46. Толковый словарь по охране природы/Под ред. д-ра биол. наук В.В. Снакина. —М.: Экология, 1995. — 191 с.

47. Чувствительность и устойчивость водных организмов к токсическим веществам//Филенко О. П., Лебедева Т. Д., Путинцев А. И. и др./ Экспериментальная водная токсикология (Рига): Сб. статей, 1986. Рига: Зинатне.-С. 29-30.

48. Шеховцова Т.Н. Биологические методы анализа//Соросовский образовательный журнал 2000. - Т. 6. - №11. - С. 17-21.

49. Шмыков А.Ю. Исследование средств для комплексной эколого-токсикологической оценки воздействия флокулянтов на водные объекты: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. - 16с.

50. Экологическая химия. М.: Мир, 1997. - 396 с.

51. Юрин В.М. Основы ксенобиологии. М.: Новое знание, 2002. - 267 с.

52. Adler Y., Dahl М.М. A Method for Measuring the Motility of Bacteria and Comparing Random and Non random Motility//Y. gen. Microbiol. - 1967(66). -№46.-pp. 161-173.

53. Banks G., Schaefer D.W., Alpert S.S. Light-scattering study of the temperature dependence of Escherichia coli motility//Biophys J. 1975. - vol. 15 - №3. -pp. 253-261.

54. Berk S.G. Reversal of Phenol and Naphthalene Chemoattraction of Ciliates//Bull. EnV. Cont. Toxicol. 1990. - V. 44. - pp. 181.

55. Culshaw B. and Dakin (1989) Optical Fiber Sensor, Vol 1, 2, Artech House, Norwood.

56. Keller EF, Segel LA. Traveling Bands of Chemotactic Bacteria: A Theoretical Analysis//Journal of Theoretical Biology 1971. - v. 30. - № 2. - pp. 235-248.

57. Greenberg E.P., Canale-Parola E. Chemotaxis in Spirocheata aurantia//Journal of bacteriology 1977. - vol. 130. - №1. - pp. 485-494.

58. Horak J. Chemotaxe bakterii//Biologicke listy 1976 - r. 41. - c. 4. - s. 269-279

59. Holz M, Chen SH. Spatio-temporal structure of migrating chemotactic band of Escherichia coli. I. Traveling band profile//Biophys J. 1979. - May;26(2). -pp.243-261.

60. Ingolia T.D., Koshland D.E. Response to a metal ion-citrate complex in bacterial sensing//J. Bacteriol. 1979. -Dec;140(3). -pp.798-804.

61. Judith P. Armitage, D.P. Josey and D.R. Smith A simple, quantitative method for measuring chemotaxis and motility in bacteria//Journal of general microbiology 1977. - vol. 102 - pp. 199-202.

62. Kihara М., Macnab R.M. Chemotaxis of Salmonella typhimurium towardcitrate//Journal of bacteriology 1979. - vol. 140 - №1. - pp. 297-300

63. Langer R. et al. A simple method for studying chemotaxis using sustained release of attractants from inert polymers//Canadian Journ. of Microbiology -1980. vol. 26. - № 2. - pp. 274-278.

64. Lapidus IR, Schiller R. A model for traveling bands of chemotactic bacteria. // Biophys J. 1978. - Apr; 22(1) - pp. 1-13.

65. Lawler D. M. (1995) "Turbidimetry and Nephelometry" / Encyclopedia of Analytical Science (s. ed. Worsfold), Academic Press Ltd, UK.

66. Lenger I. Chemotaxis bei gramnegativen Bakterien.//Biologische Zeitschrift1977 Vol. 7. -№ 1. - S. 15-20.

67. Maeda K. et. al. Effect of Temperature on Motility and Chemotaxis of Escherichia coli//Journal of Bacteriology 1976. - v. 127 -№ 3 - pp. 139-146.

68. R. Nossal Growth and movement of rings of Chemotactic Bacteria//Experimental cell research. 1972 - v. 75. - pp. 138-142.78.0rdal GW, Gibson KJ. Chemotaxis toward amino acids by Bacillus subtilis//J

69. Bacteriol. 1977. - Jan;129(l) -pp.151-155 79. Ordal GW, Villani DP, Rosendahl MS. Chemotaxis towards sugars by Bacillussubtilis//J Gen Microbiol. 1979. - Nov;l 15(1). - pp.167-72.

70. Ordal G. Control of Tumbling in Bacterial Chemotaxis by Divalent

71. Concentration Gradients in Agar Suitable for Studying Chemotaxis on a Solid

72. Surface. // Canadian Journ. of Microbiology 1979 - v. 25 - № 12 - pp. 14601467.

73. Tardiff R.G. In vitro methods of toxicity evaluation//Ann. Rev. Pharmacol. Toxicol- 1978.-v. 18.-pp. 357-369

74. Wang PC, Chen SH. Quasielastic light scattering from migrating chemotactic bands of Escherichia coli. II. Analysis of anisotropic bacterial motions.//Biophys J. 1981. - Oct;36(l) - pp.203-219.

75. Ward J.S., Parrish P.R. Toxicity Tests. In: Manual of methods in aquatic environment research, Rome, 1982., pp. 1-23

76. Zimmer MA, Szurmant H, Saulmon MM, Collins MA, Bant JS, Ordal GW. The role of heterologous receptors in McpB-mediated signalling in Bacillus subtilis chemotaxis//Mol Microbiol. 2002. - Jul;45(2). - pp.555-568.