Enzymatic sensor for measuring the biological oxygen demand

Patrycja Beata Michalec

Abstract

The degree of pollution is determined using three indicators: biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD) and total organic carbon (TOC). There are a number of publications, which are described alternative test method BOD circumventing a problem for a long time to wait for the results of the classical method. Typically they use to measure micro-organisms immobilized in the porous membrane and the oxygen probe. Rivers have low BOD due to the presence of organic compounds such as humic acids, lignin, tannic acid or gum arabic in the case of which biosensors containing microorganisms are not suitable for the analysis of low BOD. One of the possible solutions to the measurement of low BOD in rivers is the use of sensors using laccase enzyme to break down organic compounds such as lignin and tannic acid. The selection of the best biosensor was carried out by results of a a series of tests designed to identify the best system in terms of the quality of delivered results, response time and ease of implementation. Designed biosensor will be monitoring BOD level by measuring concentration of organic compounds in industrial wastewater present in the rivers. During the measurements the following types of electrodes were examined: graphite electrodes, gold and graphite paste. Measurements were carried out using different methods of enzyme immobilization: adsorption, covalent bonding and the use of glutaraldehyde and cystamine monolayer. As the test substance were used lignin, tannic acid and Arabic gum. In addition, the different kind of laccase were tested. The difference were in activity of the enzyme and source organism. As a result of the work it was found that the most optimum system is a system composed of a graphite electrode paste containing a laccase derived from Tremetes versicolor (activity= 2.05 U / mg) used as a working electrode, an AgCl electrode as reference electrode and the gold electrode as the auxiliary electrode. Additionally, it is noted that source organism from which the enzyme has been derived has an effect on the measurements and that the storage conditions of electrodes have an effect on the stability of the electrodes over time. In conclusion, the constructed enzyme sensor can be used to measure components of artificial waste waters with low BOD values. The results of the experiments showed that the use of an enzyme biosensor can be an alternative solution to the microbial biosensors allowing monitoring of industrial wastewater pollution which mainly goes into the rivers. In addition, such a sensor can be used in the paper industry, which produces waste water containing organic compounds which are not easily and rapidly degraded by the microorganisms.
Diploma typeMaster of Science
Author Patrycja Beata Michalec
Patrycja Beata Michalec,,
-
Title in PolishEnzymatyczny sensor do pomiaru biologicznego zapotrzebowania na tlen
Supervisor Łukasz Górski ZMB
Łukasz Górski,,
- Department Of Microbioanalytics
Certifying unitFaculty of Chemistry (FC)
Affiliation unitDepartment Of Microbioanalytics (DM)
Study subject / specializationMikrobioanalityka
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date15-02-2013
Issue date (year)2013
Keywords in Polish-
Keywords in English-
Abstract in PolishCelem pracy dyplomowej było stworzenie enzymatycznego biosensora przeznaczonego do oznaczania BZT w wybranych rodzajach próbek. Stopień zanieczyszczeń wód jest określany za pomocą trzech wskaźników: biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT), chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT) oraz całkowitego węgla organicznego (TOC). Istnieje szereg publikacji, w którym opisane zostały alternatywne metody badania BZT obchodzące problem długiego czasu oczekiwania na wyniki metodą klasyczną. Zazwyczaj wykorzystują one do pomiaru mikroorganizmy unieruchomione na porowatej membranie oraz sondę tlenową. Rzeki posiadają niskie BZT wynikające z obecności takich związków organicznych jak : kwasy humusowe, lignina, kwas taninowy czy guma arabska w przypadku których biosensory zawierające mikroorganizmy nie są odpowiednie do przeprowadzenia analizy niskiego BZT. Jednym z możliwych rozwiązań pomiaru niskiego BZT w rzekach jest stosowanie enzymatycznych sensorów wykorzystujących lakazę do rozkładu związków organicznych takich jak lignina czy kwas taninowy. W ramach wyboru najlepszego biosensora został przeprowadzony szereg testów mających na celu zidentyfikowanie najlepszego układu pod względem jakości dostarczanych wyników, czasu odpowiedzi oraz łatwości wykonania. Zaprojektowany biosensor służyłby do monitorowania BZT w wyniku pomiarów stężenia związków organicznych zawartych w ściekach przemysłowych znajdujących w rzekach. Podczas pomiarów zbadano elektrody grafitowe, złote oraz z pasty grafitowej. Przeprowadzono pomiary wykorzystując różne metody immobilizacji enzymu: adsorpcja, wiązanie kowalencyjne oraz użycie aldehydu glutarowego oraz monowarstwy cystaminy. Jako substancji badanej użyto ligniny oraz kwasu taninowego i gumy arabskiej. Dodatkowo sprawdzono enzym lakazę o różnych aktywnościach i pochodzący z różnych organizmów. W wyniku prac stwierdzono iż najbardziej optymalnym układem jest układ składający się z elektrody z pasty grafitowej zawierającej lakazę pochodzącą z wrośniaka różnobarwnego o aktywności równej 2,05 U/mg wykorzystywanej jako elektroda pracująca, elektrody chloro-srebrowej jako elektrody referencyjnej oraz elektrody złotej jako elektrody pomocniczej. Dodatkowo zauważono iż organizm z którego pochodzi enzym ma wpływ na otrzymywane wyniku pomiarów oraz że warunki przechowywania elektrod mają wpływ na stabilność elektrod w czasie. Podsumowując, zbudowany sensor enzymatyczny może być wykorzystywany do pomiarów składników sztucznych ścieków charakteryzujących się niskimi wartościami BZT. Wyniki przeprowadzonych pomiarów pokazały iż użycie biosensora enzymatycznego może być alternatywnym rozwiązaniem względem biosensorów mikrobiologicznych pozwalającym na monitorowanie zanieczyszczenia ścieków przemysłowych głównie trafiających do rzek. Dodatkowo taki czujnik może znaleźć zastosowanie w przemyśle papierniczym, który produkuje ścieki zawierające związki organiczne które nie ulegają łatwemu oraz szybkiemu rozkładowi przez mikroorganizmy.
File
Patrycja_Michalec_praca_magisterska.pdf 2.33 MB

Get link to the record
msginfo.png

Back