"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9136
ETF9136 "BIONINA ORGAANILISE REOSTUSE KVALITATIIVSEKS JA KVANTITATIIVSEKS ANALÜÜSIKS (1.01.2012−31.12.2015)", Timo Kikas, Eesti Maaülikool, Tehnikainstituut, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Keemia Instituut.
ETF9136
BIONINA ORGAANILISE REOSTUSE KVALITATIIVSEKS JA KVANTITATIIVSEKS ANALÜÜSIKS
BIOELECTRONIC NOSE FOR QUALITATIVE AND QUANTITATIVE ANALYSIS OF ORGANIC POLLUTION
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.12. Bio- ja keskkonnateadustega seotud uuringud, näiteks biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika, majandus- ja tehnoloogiauuringudT360 Biokeemiatehnoloogia 1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201217 400,00 EUR
01.01.2013−31.12.201317 400,00 EUR
01.01.2014−31.12.201417 400,00 EUR
01.01.2015−31.12.201517 400,00 EUR
69 600,00 EUR

Orgaanilist reostust väljendatakse keskkonnaanalüüsis tavaliselt läbi universaalse parameetri biokeemiline hapnikutarve (BHT). BHT iseloomustab hapniku hulka, mis on vajalik vees leiduva orgaanilise materjali biokeemiliseks lagundamiseks. Kuigi BHT test omab laia kasutust reoveepuhastite koormuse ning nende orgaanilise reostuse eemaldamise efektiivsuse hindamisel on sellel mitmeid puudujääke. Standardne BHT test nõuab tulemuse saamiseks vähemalt 5 – 7 päeva inkubatsiooni aega. Selline meetod ei sobi bioprotsesside efektiivseks juhtimiseks. Bioloogiliste süsteemide, näiteks reoveepuhastite, haldamine nõuab pidevat informatsiooni sisse ja välja voolava vee kvaliteedi kohta ning kohest reageerimist kõrvalekalletele. BHT määramismeetodi aegluse kõrvaldamiseks on välja töötatud mitmeid biosensoreid. Ka Tartu Ülikoolis on uuritud võimalusi BHT määramiseks biosensori abil. Siiski on ka biosensori kasutamisel probleemid. Kõige olulisem neist on BHT7 ja sensor-BHT lahknemise ning sensori eluea vaheline pöördvõrdeline sõltuvus. Selleks, et tavapärase meetodiga saadud BHT7 väärtus ja biosensoriga mõõdetav sensor-BHT langeksid kokku on oluline, et biosensoris oleks esindatud mitmete erinevate biolagunemisradade ensüümid on tarvis kasutada erinevate bakterite segusid. Segabakterite kooslus aga ei ole stabiilne ning tingib seeläbi ka biosensori ebastabiilsuse ja lühikese eluea. Samas ei ole ühegi puhaskultuuri puhul kõikide vajalike ensüümide olemasolu võimalik. Meie uuringud on näidanud, et bakterite hulgas on mitmeid kultuure, mis on võimelised lagundama lisaks kergesti biolagundatavatele ühenditele ka spetsiifilisemaid ja raskemini biolagundatavaid ühendeid. Selline poolspetsiifilisus võimaldab nendel bakteritel põhinevate biosensoritega täpsemini määrata orgaanilist reostust reovetes, mis sisaldavad spetsiifilisi ühendeid. Samas teist tüüpi spetsiifilise reostuse puhul alahindavad need sensorid reostuse määra. Seega oleksid poolspetsiifilised biosensorid kasulikud vaid teatud tüüpi reovee puhul. Nende probleemide kõrvaldamiseks pakume mitme erineva poolspetsiifilise biosensori ühendamist sensorriviks ning mitmemõõtmelise analüüsi kasutamist signaali tõlgendamisel. Lisaväärtuse annaks ka läbivoolusüsteemi kasutamisega kogu süsteemi automatiseerimine. Selline bionina annaks võimaluse mitte ainult BHT määramiseks, aga ka orgaanilise reostuse üldisemaks mõõtmiseks, kuna bionina kasutamine annaks informatsiooni ka orgaanilise reostuse kvalitatiivse koostise kohta.
In environmental analysis and monitoring the amount of organic pollution in water is commonly expressed through a universal parameter – biochemical oxygen demand (BOD). Although widely used, BOD as a parameter has many drawbacks. Firstly, by definition it requires at least 5-7 days of incubation time. In the context of environmental analysis that is far too long for taking proper action in case of negative results. To overcome this, a wide variety of biosensors have been developed during last decade to measure BOD. The main aim has been to reduce the time required to obtain the result. Even though sensors have reduced the time of analysis, about 80% of the sensors developed by different research groups never reach the consumer because of the various deficiencies such as short lifetime, poor response stability, and limited detection capacity for a wide spectrum of substrates. Secondly, the BOD test does not include in itself any qualitative information about the organic pollution in the water and often character of the pollution is paramount in the detection of the pollution origin and planning the countermeasures. In this project we propose a bioelectronic tongue, where different strains of microorganism cultures are used as a microbial component of sensors. Different strains will be chosen in a manner that in addition to a common substrate range each strain in the array will also have a substrate range that they can use as their energy source specific to just this strain of microorganism. In this way, when getting a signal out of the different sensors in the array, covered with different microorganisms, we will be able to subtract from those responses information about the character of the organic compounds responsible for the BOD by applying multivariate signal processing. Furthermore, by separating the different microorganisms we expect to achieve also longer lifetimes of the sensors.
Orgaanilist reostust väljendatakse keskkonnaanalüüsis universaalse parameetriga biokeemiline hapnikutarve (BHT). BHT iseloomustab hapniku hulka, mis on vajalik vees leiduva orgaanilise materjali biokeemiliseks lagundamiseks. Kuigi BHT test omab laia kasutust reoveepuhastite koormuse ning nende orgaanilise reostuse eemaldamise efektiivsuse hindamisel nõuab see tulemuse saamiseks vähemalt 5–7 päeva inkubatsiooni aega. BHT määramismeetodi aegluse kõrvaldamiseks on välja töötatud ja uuritud mitmeid biosensoreid. Antud projekti käigus eraldati mitmeid poolspetsiifilisi bakterkultuure: A. hydrophila (rasvale), M. phyllosphaerae (laktoosile) ja B. Subtilis ja Paenibacillus sp. (tselluloosile), mille baasil koostati piimatööstuse, lihatööstuse ja puidu ja paberitööstuse reovete anlüüsimiseks sobivaid biosensoreid. Üksikute biosensorite kasutamisel sai parimaid tulemusi kui kasutati tööstuslikule reoveele vastavat poolspetsiiflist biosensorit, muudel juhtudel biosensor alahindas lahuse BHT7 15-20%. Lisaks BHT biosensoritele uuriti ka Nitrosomonas sp. puhaskultuuril põhinevat mikroobsensorit NH4+N mõõtmiseks reovetes. Selleks, et hinnata täpsemalt tundmatu reovee proovide reostustaset kasutati biosensoreid koos, kus 7 erinevat poolspetsiifilist biosensorit kasutati tööstuslike reovete analüüsimiseks. Sensorite signaali analüüsiti mitmemõõtmelise analüüsi meetoditega. Mitmemõõtmelise analüüsi ja kõikide sensorite rakendamisel sensorrivina saavutati parem BHT ja sensor-BHT kokkulangevus ning PCA võimaldas eraldada kvalitatiivset informatsiooni proovi koostise kohta. Koostöös Aalto Ülikooliga Helsingis valmistati MEMS tehnoloogial põhinev sensor-rivi mikrokiip. Sensor-rivi kiip põhines borosilikaadist ja ränist tahvlitel millele oli sadestatud ja söövitatud Pt elektroodide muster. Mikrokiip, võimaldab senisest kergemini valmistada biosensor-rivi ning seda automatiseerida läbivoolusüsteemis. Teostati elektrokeemilisi mõõtmisi MEMS tehnoloogial põhineval mikrokiibiga selle edaspidiseks kasutamiseks sensorrivina BHT mõõtmiseks.