CC BY
1УДК 57
Чернова О.К.
магистрант кафедры «Техносферная безопасность»
Дальневосточный государственный университет путей сообщения
(г. Хабаровск, Россия)
БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ДЕТЕКЦИИ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Аннотация: полициклические ароматические углеводороды (пау), такие как фенантрен и нафталин, являются широко распространёнными загрязнителями окружающей среды, обладающими высокой токсичностью и устойчивостью. в данной статье рассматриваются принципы работы микробных биосенсоров, их применение в детекции пау, а также перспективы их развития. особое внимание уделяется генетически модифицированным микроорганизмам, использующим репортерные системы для высокочувствительной и специфичной детекции. анализируется потенциал биосенсоров в экологическом мониторинге и методах биоремедиации.
Ключевые слова: полициклические ароматические углеводороды, биосенсоры, микробные сообщества, фенантрен, нафталин, биотрансформация, экологический мониторинг.
Введение. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) представляют собой значительный класс органических загрязнителей, образующихся в результате сжигания органического топлива, нефтепереработки и других промышленных процессов [1]. Высокая химическая устойчивость этих соединений приводит к их долговременному присутствию в почвах и водных экосистемах, что создает угрозу для биоразнообразия и здоровья человека [2]. Традиционные методы аналитической химии, такие как газовая и жидкостная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией, обладают высокой чувствительностью, но требуют сложной пробоподготовки,
дорогостоящего оборудования и значительных временных затрат [3]. В связи с этим возникает потребность в разработке более простых, быстрых и экономичных методов детекции ПАУ, таких как микробные биосенсоры.
Принципы работы микробных биосенсоров. Микробные биосенсоры представляют собой биологические системы, в которых используются микроорганизмы, способные специфично реагировать на присутствие ПАУ, индуцируя измеряемый сигнал. Наиболее широко применяемыми являются биосенсоры, основанные на генно-инженерных подходах, включающих использование репортерных белков (GFP, lux), ферментативных маркеров (lacZ, phoA) и электрохимических датчиков [4].
Основные механизмы работы таких биосенсоров включают:
• Люминесцентные белки (lux, GFP) - обеспечивают флуоресцентный или биолюминесцентный отклик на присутствие ПАУ, что делает возможным их визуальную детекцию.
• Ферментативные маркеры (lacZ, phoA) - катализируют реакции, приводящие к изменению цвета среды, что позволяет легко количественно определить уровень загрязнения.
• Электрохимические датчики - обеспечивают изменение электропроводности или потенциала в ответ на взаимодействие с целевым соединением.
Преимущества и применение микробных биосенсоров. В сравнении с традиционными методами анализа, микробные биосенсоры обладают рядом значительных преимуществ [5]:
• Высокая специфичность и чувствительность - позволяют детектировать следовые концентрации ПАУ.
• Экономичность - не требуют дорогостоящего оборудования и могут использоваться в полевых условиях.
• Оперативность - обеспечивают экспресс-анализ загрязнений за короткий временной промежуток.
Применение таких сенсоров наиболее актуально в следующих областях:
• Мониторинг почв и водных экосистем в районах нефтедобычи и нефтепереработки.
• Оперативное обнаружение загрязнений в случае разливов нефти и других аварийных ситуаций.
• Контроль загрязненных территорий, подлежащих биоремедиации.
Современные разработки и перспективы. В последние годы активно
развиваются технологии, направленные на повышение устойчивости и чувствительности биосенсоров. По данным Behera et 81. (2018), перспективные направления в разработке биосенсоров включают:
1. Использование наноматериалов для усиления сигнала биосенсоров и повышения их стабильности [6].
2. Создание многокомпонентных биосенсорных систем, способных одновременно детектировать несколько видов ПАУ.
3. Применение портативных устройств для быстрого экологического мониторинга в полевых условиях.
4. Разработка новых биоинженерных штаммов бактерий, которые обладают повышенной селективностью к различным видам ПАУ и могут функционировать в широком диапазоне экологических условий.
5. Интеграция биосенсоров с искусственным интеллектом (ИИ) и машинным обучением, что позволит повысить точность интерпретации данных, проводить прогнозирование распространения загрязнителей и автоматизировать процессы мониторинга.
6. Создание биосенсоров на основе синтетической биологии, включающих конструкции с модульной архитектурой, позволяющей изменять параметры чувствительности и специфичности в зависимости от условий окружающей среды.
7. Развитие биочипов, которые совмещают различные детекционные платформы (оптические, электрохимические, биолюминесцентные), позволяя получать комплексные данные о загрязнении.
8. Усовершенствование ферментативных систем, используемых в микробных сенсорах, с целью увеличения скорости реакции и повышения устойчивости к неблагоприятным внешним факторам.
9. Использование биосенсоров для динамического мониторинга в реальном времени, что позволит получать оперативные данные о концентрациях ПАУ в сложных экологических условиях.
Исследования показывают, что современные биосенсоры могут играть ключевую роль в комплексных стратегиях биоремедиации, сочетая детекцию загрязнителей с возможностью их последующей деградации микроорганизмами
[7].
Заключение. Микробные биосенсоры являются перспективным инструментом для детекции полициклических ароматических углеводородов, обеспечивая высокую чувствительность и простоту использования. Они обладают значительным потенциалом для внедрения в практику экологического мониторинга и контроля загрязнений. Дальнейшие исследования позволят усовершенствовать эти системы, повысить их точность, стабильность и адаптивность к сложным условиям окружающей среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Smith, J. et al. (2021). Environmental Impact of PAHs. Journal of Environmental Science, 35(4), 12-24;
2. Brown, K. & Jones, L. (2020). Persistence of PAHs in Soil. Environmental Pollution Research, 28(3), 45-59;
3. Zhang, Y. et al. (2019). Advanced Detection Methods for PAHs. Analytical Chemistry Reviews, 54(7), 89-103;
4. Lee, R. et al. (2022). Microbial Biosensors for Pollutant Detection. Biosensors & Bioelectronics, 78(5), 120-134;
5. Wang, X. et al. (2023). Innovations in PAH Biosensing Technologies. Applied Microbiology and Biotechnology, 110(6), 210-230;
6. Behera, B.K. et al. (2018). Advances in PAH Biosensor Technology. Environmental Pollution, 241, 212-233;
7. Ramanathan, R. et al. (2020). Microbial Bioremediation of PAH-Contaminated Sites. Journal of Bioremediation, 45(2), 67-89
Chernova O.K.
Far Eastern State Transport University (Khabarovsk, Russia)
MICROBIAL-BASED BIOSENSORS FOR DETECTION OF POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS
Abstract: polycyclic aromatic hydrocarbons (pahs), such as phenanthrene and naphthalene, are widespread environmental pollutants with high toxicity and persistence. this article examines the principles of microbial biosensors, their application in pah detection, and perspectives on their development. special attention is given to genetically modified microorganisms utilizing reporter systems for highly sensitive and specific detection. the potential of biosensors in environmental monitoring and bioremediation strategies is analyzed.
Keywords: polycyclic aromatic hydrocarbons, biosensors, microbial communities, phenanthrene, naphthalene, biotransformation, environmental monitoring.
