Zastosowanie czujników biologicznych (biosensorów) do oceny jakości wody.

Kołwzan, B.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Zastosowanie czujników biologicznych (biosensorów) do oceny jakości wody.

Autorzy

Kołwzan B.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Use of biosensors for the assessment of water quality

Języki publikacji

Abstrakty

Ocena jakości wody opiera się na analizie wybranych wskaźników fizycznych, chemicznych i bakteriologicznych. Do określenia ich wartości niezbędna jest specjalistyczna aparatura oraz wykwalifikowany personel. Czas trwania poszczególnych analiz jest zróżnicowany, przy czym wykonanie analizy bakteriologicznej wraz z potwierdzeniami trwa nawet kilka dób. Konieczność zapewnienia odpowiedniej jakości wody dostarczanej odbiorcom zmusza do poszukiwania nowych technik umożliwiających uzyskanie potrzebnych informacji w krótkim czasie. Jest to niezwykle ważne z uwagi na możliwość rozprzestrzeniania się drobnoustrojów chorobotwórczych drogą wodną oraz fakt, że droga ta może być wykorzystywana w atakach terrorystycznych. Rozwój nauki, a przede wszystkim biotechnologii, pozwolił na konstrukcję nowego typu czujników o wysokiej selektywności, pozwalających na wykrycie w wodzie obecności zanieczyszczeń chemicznych i biologicznych w krótkim czasie. Czujniki biologiczne - biosensory - łączą czułość i selektywność klasycznych metod analitycznych z szerokim wachlarzem rozwiązań konstrukcyjnych, dostosowanych do określonego zastosowania tych urządzeń. W pracy omówiono materiały biologiczne stosowane jako detektory w czujnikach biologicznych oraz rodzaje przetworników przekształcających zjawiska biologiczne na sygnały elektryczne. Szczególną uwagę poświęcono porównaniu czułości i selektywności czujników biologicznych w stosunku do klasycznych metod analitycznych. Wykazano, że zastosowanie czujników biologicznych jest bardzo obiecującym kierunkiem rozwoju badań zmian jakości wody, umożliwiającym wykrywanie obecności nie tylko substancji chemicznych, ale także mikroorganizmów chorobotwórczych (wirusów, bakterii i pierwotniaków) w wodzie. Dzięki ich zastosowaniu można przeprowadzić szybką ocenę zarówno pojedynczych wskaźników jakościowych używanych w analizie wody, jak i wskaźników zbiorczych (uogólnionych), takich jak zawartość substancji organicznych, toksyczność, mutagenność i rakotwórczość. Wykorzystanie czujników biologicznych w monitoringu dystrybucji wody przyczyni się do znacznego podniesienia jakości i bezpieczeństwa wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.

Water quality assessments are based on the analysis of the physical, chemical and bacteriological parameters chosen, which requires customized apparatus and trained staff. Such analytical procedures differ in duration. For example, a bacteriological analysis with the relevant replications may take as long as several days. The need of supplying the user with water of the quality desired has triggered action to find new techniques that would enable the results of analysis to be obtained within a shorter time. Time is a crucial factor, as there is the potential risk that pathogens will be transmitted in the aquatic environment, which is also open to bioterrorist attacks. Recent advances in science and technology, and biotechnology in particular, have lead to the design and construction of high-selectivity biosensors enabling the presence of chemical and biological water pollutants to be detected in a short time span. Biosensors combine the sensitivity and selectivity of classic analytical methods with a wide spectrum of advanced technological designs. The study reported on in this paper is focused on examining the biological materials used as detectors in biosensors, as well as various types of biological phenomenon/electric signal converters. Particular consideration is given to the problem of how the sensitivity and selectivity of the biosensors compare with the sensitivity and selectivity of the classic analytical methods. It has been demonstrated that the use of biosensors is very promising for the determination of water quality variations, as they enable a quick detection not only of chemical substances but also pathogens (viruses, bacteria, protozoa) that are present in the water. This offers the possibility of producing quick assessments of both 'single' water quality parameters that are used in water analysis and 'groups' of water quality parameters (organic matter content, toxicity, mutagenicity, carcinogenicity), which have also found wide acceptance in analytics. The use of biosensors in the monitoring of water distribution systems will substantially upgrade the quality and safety of the water supplied for human consumption.

Słowa kluczowe

jakość wody czujnik biologiczny jakość chemiczna jakość biologiczna

water quality biosensor chemical quality biological quality

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2009

Tom

vol. 31, nr 4

Strony

3--14

Opis fizyczny

Bibliogr. 72 poz.,

Twórcy

autor

Kołwzan B.

Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Biologii i Ekologii, Wybrzeże S. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, barbara.kolwzan@pwr.wroc.pl

Bibliografia

1. M. ŚWIDERSKA-BRÓŻ: Wybrane problemy w oczyszczaniu wody do picia i na potrzeby gospodarcze. Ochrona Środowiska 1999, vol. 21, nr 3, ss. 7–12.
2. S. BELKIN, M. STEIBER, A. TIEHM, F.H. FRIMMEL, A. ABELIOVICH, P. WERNER, S. ULITZUR: Toxicity and genotoxicity enhancement during polycyclic aromatic hydrocarbons biodegradation. Environmental Toxicology and Water Quality 1994, Vol. 9, pp. 303–309.
3. M. ŁEBKOWSKA: Występowanie bakterii antybiotykoopornych w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Ochrona Środowiska 2009, vol. 31, nr 2, ss. 11–15.
4. V.J. CABELLI, A.P. DUFOUR, L.J. McCABE, M.A. LEVIN: Swimming-associated gastroenteritis and water quality. Am. J. Epidemiol. 1982, Vol. 115, pp. 606–616.
5. B. PUZANOWSKA, A. CZAUŻ-ANDRZEJUK: Bioterroryzm. Przegląd Epidemiologiczny 2001, nr 55, ss. 379–86.
6. K. SZATKIEWICZ: Rewizja dyrektywy 98/83/WE w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, dotycząca oceny zagrożeń i zarządzania ryzykiem. Ochrona Środowiska 2009, vol. 31, nr 3, ss. 41–44.
7. M. FILIPIAK, K. FLUDRA, E. GOSCIMINSKA: Enzymatic membranes for determination of some disaccharides by means of an oxygen electrode. Biosens. Bioelectron. 1996, Vol. 11, pp. 355–364.
8. M. PRZYBYT, B. HAGGETT, R. DEMBCZYŃSKI, T. JANKOWSKI: Biosensory. W: Metody pomiarów i kontroli jakości w przemyśle spożywczym i biotechnologii [red. M. JANKIEWICZ, Z. KĘDZIOR]. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu, Poznań 2003, ss. 253–321.
9. Z. BRZÓZKA [red.]: Mikrobioanalityka. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009.
10. M.K. BŁASZCZYK: Mikroorganizmy w ochronie środowiska. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007, ss. 175–183.
11. S. RODRIGUEZ-MOZAZ, M.J. LOPEZ DE ALDA, M.P. MARCO, D. BARCELO: Biosensors for environmental monitoring. Talanta 2005, Vol. 65, pp. 291–297.
12. D.Y. CHEN, B. LIU CAO, J. KONG: A BOD biosensor based on a microorganism immobilized on an Al2O3 sol-gel matrix. Anal. Bioanal. Chem. 2002, Vol. 372, pp. 737–739.
13. M.V. GONCHAR, M. STRZELCZYK, M.M. MAIDAN, J. BIEŃ, A.A. SIBIRNY: Zastosowanie metody enzymatycznej do analizy formaldehydu w roztworach wodnych. Ochrona Środowiska 1998, vol. 20, nr 3, ss. 35–38.
14. B. HOCK, M. SEIFERT, K. KRAMER: Engineering receptors and antibodies for biosensors. Biosens. Bioelectron. 2002, Vol. 17, pp. 239–249.
15. G. MARRAZZA, I. CHIANELLA, M. MASCINI: Disposable DNA electrochemical biosensor for environmental monitoring. Analytica Chimica Acta 1999, Vol. 387, pp. 297–307.
16. R. KIZEK, J. VACEK, L. TRNKOVA, B. KLEJDUS, V. KU-BAN: Electrochemical biosensors in agricultural and environmental analysis. Chem. Listy 2003, Vol. 97, pp. 1003–1010.
17. H.C. TSAI, R.A. DOONG, H.C. CHIANG, K.T. CHEN: Sol-gel derived urease-based optical biosensor for the rapid determination of heavy metals. Anal. Chim. Acta 2003, Vol. 481, pp. 75–81.
18. K. LANGE, B.E. RAPP, M. RAPP: Surface acoustic wave biosensors: a review. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2008, Vol. 391, No. 5, pp. 1509–1519.
19. B. FILANOSKI, G.K. MAKI: Ultrasensitive detection of bacterial toxin with silicon nanowire transistor. Lab. Chip 2008, No. 8, pp. 868–871.
20. M. POHANKA, P. SKLADAL: Electrochemical biosensors – principles and applications. Journal of Applied Biomedicine 2008, No. 6, pp. 57–64.
21. J.W. CHOI, Y.K. KIM, I.H LEE, J. MIN, W.H. LEE: Optical organophosphorus biosensor consisting of acetylcholinester-ase/viologenhetero Langmuir-Blodgett film. Biosens. Bioelectron. 2001, Vol. 16 (9–12), pp. 937–43.
22. C. ERCOLE, M. DEL GALLO, M. PANTALONE, S. SANTUCCI, L. MOSIELLO, C. LACONI, A. LEPIDI: Biosensor for Escherichia coli based on a potentiometric alternating biosensing (PAB) transducer. Sens. Actuators B 2002, Vol. 83, pp. 48–52.
23. D.W. CAMPBELL, C. MULLER, K.F. REARDON: Development of fiber optic enzymatic biosensor for 1,2-dichloromethane. Biotechnology Letters 2006,Vol. 28, pp. 883–887.
24. M. NIELSEN, L.H. LARSEN, M.S. M.JETTEN, N.P. REVSBECH: Bacterium-based NO2-biosensor for environmental applications. Applied Environmental Microbiology 2004, Vol. 70 (11), pp. 6551–6558.
25. R.W. BOGUE: Biosensors for monitoring the environment. Sensor Review 2003, Vol.23, No. 4, pp. 302–310.
26. T.C. TAN, C. WU: BOD sensors using multi-species living or thermally killed cells of a BIOSEED microbial culture. Sensors and Actuators 1999, B54, pp. 252–260.
27. G.J. CHEE, Y. NOMURA, K. IKEBUKURO, I. KARUBE: Stopped-flow system with ozonizer for the estimation of low biochemical oxygen demand in environmental samples. Biosens. Bioelectron. 2007, Vol. 22 (12), pp. 3092–3098.
28. M. MATEJCZUK: Bakteryjne biosensory. Postępy Mikrobiologii 2004, vol. 43, nr 2, ss. 155–165.
29. Z. KAŃSKA, M. ŁEBKOWSKA: Badania toksykologiczne dla kontroli jakości wód. Biotechnologia 1994, nr 2, ss. 98–113.
30. B. KOŁWZAN: Bioremediacja gleb wraz z oceną ekotoksykologiczną Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005.
31. G. NAŁĘCZ-JAWECKI, J. SAWICKI: Microtox – szybki system bioindykacyjny do oceny toksyczności wód i ścieków. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 1996, nr 2, ss. 47–51.
32. H. WANG, X.J. WANG, J.F. ZHAO, L. CHEN: Toxicity assessment of heavy metals and organic compounds using CellSense biosensor with E.coli. Chinese Chemical Letters 2008, Vol. 19, No. 2, pp. 211–214.
33. J. NAWROCKI: Uboczne produkty utleniania i dezynfekcji wody – doświadczenia ostatnich 30 lat. Ochrona Środowiska 2005, vol. 27, nr 4, ss. 3–12.
34. J. NAWROCKI: Nitrozoaminy – uboczne produkty dezynfekcji wody. Ochrona Środowiska 2007, vol. 29, nr 3, ss. 13–18.
35. B. KOŁWZAN: Badania nad bioindykacją metali ciężkich o właściwościach mutagennych i rakotwórczych w wodach powierzchniowych. Ochrona Środowiska 1988, vol. 10, nr 1, ss. 13–15.
36. B. KOŁWZAN, M. PAWLACZYK-SZPILOWA, W. ADAMIAK: Bioindykacja zanieczyszczeń mutagennych i rakotwórczych w próbach środowiskowych. W: Człowiek – Środowisko – Zagrożenie [red. J. ZWOŹDZIAK], Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002, ss. 165–181.
37. Y. ODA, S. NAKAMURA, I. OKI, T. KATO, H. SHINAGAWA: Evaluation of the new system (umu-test) for the detection of environmental mutagens and carcinogens. Mutation Research 1985, Vol. 147, pp. 219–229.
38. P. QUILLARDET, M. HOFNUNG: The SOS Chromotest, a colorimetric bacterial assay for genotoxins procedures. Mutation Research 1985, Vol. 147, pp. 65–78.
39. B.M. AMES, J. McCANN, E. YAMASAKI: Methods for detecting carcinogens and mutagens with the Salmonella/mammalian-microsome mutagenicity test. Mutation Research 1975, Vol. 31, pp. 347–364.
40. G. WĘGRZYN, A. CZYŻ: Detection of mutagenic pollution of natural environment using microbiological assays. Journal of Applied Microbiology 2003, Vol. 95, pp. 1175–1181.
41. A. CZYŻ, J. JASIECKI, A. BOGDAN, H. SZPILEWSKA, G. WĘGRZYN: Genetically modified Vibrio harveyi strains as potential bioindicators of mutagenic pollution of marine environments. Applied and Environmental Microbiology 2000a, Vol. 66, pp. 599–605.
42. T.S. SUN, H.M. STAHR: Evaluation and application of a bioluminescent bacterial genotoxicity test. J. AOAC International 1993, Vol. 76, pp. 893–898.
43. L. VERSCHAEVE, J. VAN GOMPEL, L. THILEMANS, L.REGNIERS, P. VANPARYS, D. VAN DER LELIE: VITOTOX bacterial genotoxicity and toxicity test for the rapid screening of chemicals. Environmental and Molecular Mutagenesis 1999, Vol. 33, pp. 240–248.
44. I. KARUBE, E. TAMIYA: Biosensors for environmental control. Pure & Applied Chemistry 1987, Vol. 59, No. 4, pp. 545–554.
45. L.R. PTITSYN, G. HORNECK, O. KOMOVA, S. KOZUBEK, E.A. KRASAVIN, M. BONEV, P. RETTBERG: A biosensor for environmental genotoxin screening based on an SOS lux assay in recombinant Escherichia coli cells. Applied and Environmental Microbiology 1997, pp. 4377–4384.
46. G. BITTON: Wastewater Microbiology. Wiley-Liss, 1999.
47. B. KOŁWZAN, W. ADAMIAK K. GRABAS, A. PAWEŁCZYK: Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005, www.dbc.wroc.pl/publication/918.
48. R.W. TREPETA, S.C. EDBERG: Methyllumbelliferyl-b-D-glucuronide-based medium for rapid isolation and identification of E. coli. J. Clin. Microbiol. 1984, Vol. 19, pp. 172–174.
49. T.C. COVERT, E. W.RICE, S.A. JOHNSON, D. BERMAN, C.H. JOHNSON, P.J. MASON: Comparing defined-substrate tests for detection of Escherichia coli in wastewater. J. Am. Water Works Assoc. 1992, Vol. 84, pp. 98–105.
50. S.C. EDBERG, M.J. ALLEN, D.B. SMITH: Rapid specific autoanalytical method for the simultaneous detection of total coliforms and E. coli from drinking water. Water Science Technolnology 1989, Vol. 21, pp. 173–177.
51. S.C. EDBERG, M.J. ALLEN, N.J. KRIZ: Enumeration of total coliforms and Escherichia coli from source water by the defined substrate technology. Applied Environmental Microbiology 1990, Vol. 56, pp. 366–369.
52. G.W. CHANG, J. BRILL, R. LUM: Proportion of β-glucoro-nidase negative Escherichia coli in human fecal samples. Applied Environmental Microbiology 1989, Vol. 55, pp.335–339.
53. R.J. DAVIES-COLLEY, R.G. BELL, A.M. DONNISON: Sunlight inactivation of enterococci and fecal coliform in sewe-rage effluent diluted in seawater. Applied Environmental Microbiology 1994, Vol. 60, pp. 2049–2058.
54. A.G. GEHRING, J.D. BREWSTER, P.L. IRWIN, S.-I. TU, L.J. VAN HOUTEN: 1-naphthyl phosphate as an enzymatic substrate for enzyme-linked immunomagnetic electrochemistry. Journal of Electroanalytical Chemistry 1999, Vol. 469, pp. 27–33.
55. A.K. DEISINGH, M. THOMPSON: Biosensors for the detection of bacteria. Can. J. Microbiol. 2004, Vol. 50, pp. 69–77.
56. P.M. FRATAMICO, T.P STROBAUGH: Evaluation of an enzyme-linked immunosorbent assay, direct immunofluorescent filter technique and mutiplex polymerase chain reaction for detection of Escherichia O157:H7 seeded in beef carcass wash water. Journal of Food Protection 1998, Vol. 61, pp. 934–938.
57. A.K. BEJ, J. STEFFAN, L. DICESARE, L. HAFF, R.M. AT-LAS: Detection of coliform bacteria in water by polymerase chain reaction and gene probes. Applied Environmental Microbiology 1990, Vol. 56, pp. 307–314.
58. M.T. MARTINS, I.G. RIVERIA, D.L. CLARK, B.H. OLSON: Detection of virulence factors in culturable Escherichia coli isolates from water samples in DNA probes and the recovery of toxin-bearing strains in minimal ο-nitrophenol-β-D92 galalctopyranoside-4-methyllumbelliferyl-β-D-glucuronide media. Applied Environmental Microbiology 1993, Vol. 58, pp. 3095–3100.
59. A.K. BEJ, J. STEFFAN, L. Di CESARE, L. HAFF, R.M. ATLAS: Detection of Escherichia coli and Shigella spp. in water by using polymerase chain reaction and gene probes for uid. Applied Environmental Microbiology 1991, Vol. 57, pp. 1013–1017.
60. P. CLEUZIAT, J. ROBERT-BAUDOUY: Specific detection of Escherichia coli and Shigella species using fragments of gene coding for B-glucuronidase. FEMS Microbiology Letters 1990, Vol. 72, pp. 315–322.
61. G.R. CAMPBELL, J. PROSSER, K. KILLMAN: Detection of Escherichia coli O157:H7 in soil and water using multiplex PCR. Journal of Applied Microbiology 2001, Vol. 91, pp. 1004–1010.
62. R.H. DEIBEL: The group D Streptococci. Bacteriological Review 1964, 3, pp. 330–366.
63. F.M. AARESTRUP, F. BAGER, J.S. ANDERSEN: Association between the use of avilamycin for growth promotion and the occurrence of resistance among Enterococcus faecium from broilers: epidemiological study and changes over time. Microb. Drug. Resis. 2000, Vol. 6, pp. 71–75.
64. F. BAGER, M. MADSEN, J. CHRISTENSEN, F.M. AARESTRUP: Avoparcin used as a growth promoter is associated with the occurrence of vancomycin-resistant Enterococcus faecium on Danish poultry and pig farms. Prev. Vet. Med. 1997, Vol. 31, pp. 95–112.
65. K.L. ANDERSON, J.E. WHITLOCK, V.J. HARWOOD: Persistence and differential survival of fecal indicator bacteria in subtropical waters and sediments. Applied Environmental Microbiology 2005, Vol. 71, pp. 3041–3048.
66. K.F. ECKNER: Comparison of membrane filtration and multiple tube fermentation by the Colilert and Enterolert methods for the detection of waterborne coliform bacteria, Escherichia coli, and enterococci used in drinking and bathing water quality monitoring in southern Sweden. Applied Environmental Microbiology 1998, Vol. 64, pp. 3079–3083.
67. J.W. SANTO DOMINGO, S.C. SIEFRING, R.A. HAUGLAND: Real-time PCR method to detect Enterococcus faecalis in water. Biotechn. Letters 2003, Vol. 25, pp. 261–265.
68. S.T. PATHIRANA, J. BARBAREE, B.A. CHIN, M.G. HARTELL, W.C. NEELY, V. VODYANOY: Rapid and sensitive biosensor for Salmonella. Biosens. Bioelectron. 2000, Vol. 15, pp. 135–141.
69. V. KOUBOVA, E. BRYNDA, L. KARASOVA, J. SKVOR, J. HOMOLA, J. DOSTALEK, P. TOBISKA, J.ROSICKY: Detection of foodborne pathogens using surface plasmon resonance biosensors. Sens. Actuators B 2001, Vol. 74, pp. 100–105.
70. G.P. ANDERSON, C.A. ROWE-TAITT: Water quality monitoring using an automated portable fiber optic biosensor. RAPTOR, proc. SPIE 4206, 2001, pp. 58–63.
71. R.A. GUY, P. PAYMENT, U.J. KRULL, P.A. HORGEN: Real-time PCR for quantification of Giardia and Cryptosporidium in environmental water samples and sewage. Applied Environmental Microbiology 2003, Vol. 69, No. 9, pp. 5178–5185.
72. C. GARCÍA-ALJARO, X. MUÑOZ-BERBEL, A.T. JENKINS, A.R. BLANCH, F.X. MUÑOZ: Surface plasmon resonance assay for real-time monitoring of somatic coliphages in wastewaters. Applied Environmental Microbiology 2008, Vol. 74, pp. 4054–4058.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BPOC-0052-0001