Красноярские ученые показали возможность использования биолюминесцентных ферментных систем из светящихся бактерий для оценки химического загрязнения почвы. Для получения более точных результатов исследователи также разработали специализированное программное обеспечение, которое учитывает особенности химического состава почв. Такая система может найти широкое применение в экологическом мониторинге. Результаты исследования опубликованы в журналах Environmental Technology & Innovation и Sensors.

Загрязнение почвы — одна из глобальных экологических проблем. Особенно остро она стоит в городах и их окрестностях, где в почву попадают промышленные и автомобильные выбросы и другие отходы. Загрязненная почва вызывает серьезные социальные и экологические проблемы. Для целей оперативного мониторинга необходимы простые и информативные методы оценки экологического состояния почвы.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и СФУ разработали биотест на основе ферментов из светящихся бактерий для прогнозирования токсичности почвы. Результаты тестирования зависели не только от количества загрязняющих веществ в пробах, но и от характеристик самой почвы. Для получения более точных и достоверных данных исследователи дополнили ферментный биотест программным обеспечением.

В основе биотеста комбинированная система из двух ферментов оксидоредуктазы и люциферазы, выделенных из светящихся микроорганизмов в лаборатории нанобиотехнологии и биолюминесценции Института биофизики СО РАН. Биотест фиксирует изменения интенсивности свечения ферментов под действием токсичных примесей. Подавление свечения пропорционально количеству токсичных веществ в пробах. Ферментные биосенсоры отличаются высокой скоростью анализа, специфичностью и чувствительностью.

Распространенными загрязнителями, которые часто обнаруживаются в городах, являются фтор, мышьяк и свинец. На почвах именно с такими загрязнителями ученые решили проверить действенность своего биотеста. Как показали результаты, чувствительность биосенсора зависела не только от концентрации токсиканта в почве, но и от свойств исследуемых образцов грунта. Для получения более точных результатов необходимо было учесть химические характеристики почвы и ее гранулометрический состав.

Ученые поняли, что им не хватает инструмента для интерпретации результатов, полученных при изучении таких сложных и многокомпонентных образцов. Тогда исследователи разработали специализированное программное обеспечение для ферментного биосенсора. Оно призвано упростить интерпретацию результатов при изучении такой сложной поли компонентной, полифункциональной среды, как почва. Программа содержит данные о нескольких десятках эталонных образцов почвы, разделенных на типовые категории, и их ингибирующем воздействии на ферментные системы различной сложности. Такой подход позволяет выявить фоновое влияние почвы на ферментные биосенсоры.

«Приложение содержит информацию о характеристиках стандартных образцов грунта и влиянии водных вытяжек из этих почв на ферментные системы. Речь идет о фоновом ингибирующем эффекте на компоненты биосенсора. Зная эти значения и исключив их из результатов измерений, мы получаем оценку степени загрязнения образца почвы. Разработанное программное обеспечение и биотест могут найти широкое применение в экологическом мониторинге», – рассказал доктор сельскохозяйственных наук, директор ФИЦ КНЦ СО РАН, один из соавторов работы Александр Шпедт.

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки и Министерства науки и высшего образования РФ.