Российские ученые придумали, как повысить стабильность и чувствительность сенсорных систем для оценки загрязнения воды. В этом им помогли выращенные на наноматериалах микробные биопленки. Работа выполнена сотрудниками подведомственного Минобрнауки России Тульского государственного университета (ТулГУ).
Биопленки — собрание микроорганизмов, живущих на одной поверхности. Они вызывают проблемы со здоровьем у человека и гораздо более устойчивы к антисептикам и антибиотикам, чем свободноживущие бактерии.
Однако в последние годы активно развиваются подходы к целенаправленному применению микробных биопленок для получения зеленой энергии, переработки отходов и создания сенсорных систем раннего оповещения. Эти биопленки должны быть прочными и устойчивыми, чтобы выдерживать переменный состав среды, скорости потока, колебания потенциала и плотности тока. Направленное выращивание биопленок на графитовых электродах (проводниках) может помочь в создании источников возобновляемой энергии — микробных биотопливных элементов. Кроме того, применение биопленок микроорганизмов в рецепторных системах (электрохимических датчиков) может быть использовано для повышения стабильности и чувствительности биосенсорных систем.
Ученые ТулГУ научились направленно выращивать на наноматериалах устойчивые микробные биопленки активного ила, тем самым получая биоэлектрохимические системы с уникальными свойствами.
Как правило, для формирования сенсорных систем для оценки загрязнения воды используют суспензию одного или нескольких микроорганизмов либо активный ил. Электроактивные микроорганизмы могут формировать устойчивую биопленку на поверхности электрода за счет образования внеклеточного полимерного вещества, из-за чего микроорганизмы прикрепляются к поверхности электрода. Такие сенсоры устойчивы к колебаниям кислотности среды и наличию различных токсикантов, например тяжелых металлов.
По словам авторов, полученные биопленки способны взаимодействовать с электрохимическим сенсором (электродом из графитовой пасты, также модифицированным нанотрубками) и переносить на него электроны без участия посторонних химических веществ.
«Использование электроактивных биопленок микроорганизмов в рецепторных системах является перспективным подходом для повышения стабильности и чувствительности сенсорных систем для оценки загрязнения воды», — прокомментировал ведущий научный сотрудник лаборатории биологически активных соединений и биокомпозитов ТулГУ, руководитель стратегического проекта «БиоХимТех» программы «Приоритет 2030» Вячеслав Арляпов.
Как сообщают исследователи, электроактивные свойства биопленок некоторых микроорганизмов были открыты относительно недавно. Поиск таких микроорганизмов — сложный и трудоемкий процесс, а сделать так, чтобы биопленки микроорганизмов начали переносить электроны на электрод, еще труднее.
Создание доступных проводящих графитовых наноматериалов с изученными и стандартизированными характеристиками — важное достижение современной химии. Сопряжение таких наноматериалов с микробными биопленками может позволить значительно повысить эффективность создаваемых биоэлектрохимических систем.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в одном из международных изданий.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» — одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».