ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ДЛЯ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ДРОЖЖЕЙ

22 Apr 2021, 16:20
20m
oral Clean Technologies Clean Technologies

Speaker

Mr Sergey Murik (Irkutsk State University)

Description

Оценка функционального состояния (ФС) микроорганизмов – остается актуальной задачей как для биотехнологических производств, так и для оценки экологической обстановки в водных средах. Одним из подходов здесь могло бы быть использования биопотенциалов, в частности мембранного потенциала, который тесно связан с работой ионных насосов, в свою очередь зависящей от состояния внутриклеточного метаболизма, в том числе энергетического. Однако, внутриклеточная регистрация мембранного потенциала с помощью микроэлетродов для оценки ФС микроорганизмов достаточно сложна для её широкого применения.
Целью настоящей работы было исследование возможности оценки ФС взвеси микроорганизмов макроэлектродным методом. Для этого было проведено исследование ФС дрожжей Saccharomyces cerevisiae по данным электрохимического потенциала (ЭХП). Регистрацию ЭХП проводили с помощью хлорсеребряного и платинового электродов. Измерение потенциалов проводили между двумя стеклянными ячейками (объемом 100 мл), заполненными питательным раствором YEPD и соединенными между собой графитовым войлочным мостиком, в одну из которых вносились дрожжи (САФ-Момент, 2г). Регистрацию ЭХП проводили в течение 3-5 часов в сутки, периодически делая 1-мин измерения ЭХП с помощью измерителя Эксперт-001 (ООО "Эконикс-Эксперт", г.Москва). Всего один эксперимент продолжался 5 суток.
Дрожжи вносились в одну из ячеек в первые же сутки эксперимента после 10 мин измерения исходной разности ЭХП. На 4-е сутки обе ячейки (одна с YEPD, другая с YEPD+дрожжи) нагревали на водяной бане в течение 30 минут. После достижения в ячейках 86 0С они выдерживались при данной температуре еще на протяжении 15 мин. После окончания экспозиции повышенной температуры и остывании растворов до 29 0С измерение ЭХП возобновлялось. Проведено три серии опытов. Статистическая обработка осуществлялась с использованием t-теста (критерий Стьюдента) для зависимых выборок. Данные представлены как среднее арифметическое ± ошибка среднего.
Результаты регистрации и анализа электрического потенциала между ячейками показало, что ЭХП раствора YEPD равнялся +232±19 мВ. Внесение дрожжей в стакан с платиновым электродом привело к снижению ЭХП уже за первые 10 минут более чем на 50 мВ (р=0,014). Всего же в первый опытный день за три с половиной часа наблюдения ЭХП упал на 283±26,7 мВ (р=0,01). Развитие микроорганизмов в течение 3-х суток сопровождалось его дальнейшим уменьшением и приобретением отрицательных значений относительно электрода сравнения. При этом в отдельных исследованиях снижение потенциала достигало более 450мВ. Воздействие летальной для дрожжей температуры проявилось в уменьшении отрицательного потенциала на 195±67 мВ (p<0,05).
Регистрируемый при внесении дрожжей электрический потенциал в значительной части состоит из окислительно-восстановительного потенциала водного раствора питательной среды, в которой культивировали дрожжи, а также потенциала самих дрожжей. При гибели клеток, последний, по всей видимости, исчезал.
Таким образом, полученные результаты позволяют с оптимизмом смотреть на возможность оценки ФС суспензий одноклеточных на основе регистрации и анализа биоэлектрохимического потенциала.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Немецкого научно-исследовательского сообщества в рамках научного проекта № 21-54-12022 «Структурно-функциональные взаимодействия электродоактивных биопленок в микробных топливных и электролизных элементах».

THE USE OF BIOELECTROCHEMICAL POTENTIAL FOR ASSESSING OF FUNCTIONAL STATE OF YEAST
Murik S.E., Lazareva T.S., Antonova E.B., Sergienko S.E.
Irkutsk State University
A study of the functional state (FS) of Saccharomyces cerevisiae was conducted on electrochemical potential (ECP) data. ECP registration was carried out with Ag/AgCl and platinum electrodes. Potentials were measured between two glass cells filled with a YEPD nutrient solution and connected to each other by a graphite felt bridge, in one of which yeast was introduced. ECP registration was carried out for 3-5 hours per day, periodically taking 1-minute ECP measurements. Only one experiment lasted 5 days. Three series of experiments were conducted.
The results of recording the electrical potential showed that the ECP of the YEPD solution was +232 ± 19 mV. Introduction of yeast into a glass with a platinum electrode led to a decrease in ECP in the first 10 minutes by more than 50 mV (p = 0,014). In total, on the first experimental day in three and a half hours of observation, ECP fell by 283 ± 26.7 mV (p = 0.01). The development of microorganisms during 3 days was accompanied by its further reduction and acquisition of negative values relative to the reference electrode. At the same time, in individual studies, the decrease in potential reached more than 450mV. The effect of yeast lethal temperature was manifested in a decrease in negative potential by 195 ± 67 mV (p<0,05).
The obtained results make it possible to look optimistically at the possibility of evaluating FS suspensions of single cells based on the registration and analysis of bioelectrochemical potential.

Affiliation of speaker Russia
Position of speaker Associate Professor
Publication IOP Conference Series: Earth and Environmental Science

Primary author

Mr Sergey Murik (Irkutsk State University)

Co-authors

Ms Tamara Lazareva (Russia Irkutsk State University) Ms Elena Antonova (Russia Irkutsk State University) Ms Svetlana Sergienko (Irkutsk State University)

Presentation Materials