[論文レビュー] Development of conductometric biosensors based on alkaline phosphatases for the water quality control

A.L. Berezhetskyy|ArXiv.org|Sep 21, 2008

Electrochemical sensors and biosensors参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文では、牛由来酵素および微細藻類からのアルカリホスファターゼを用いたコンダクタンス型バイオセンサーを開発し、水中の重金属イオンを検出する。酵素活性に伴う電気伝導度の変化を測定することにより、特定の金属に対して0.1 mg/Lまでの検出限界を達成する高感度でリアルタイムの水質モニタリングが可能であり、環境モニタリング応用において大きな可能性を示している。

ABSTRACT

Researches are focused on the elaboration of enzymatic microconductometric device for heavy metal ions detection in water solutions. The manuscript includes a general introduction, the first chapter contains bibliographic review, the second chapter described the fundamentals of conductometric transducers, the third chapter examining the possibility to create and to optimize conductometric biosensor based on bovine alkaline phosphatase for heavy metals ions detection, the fourth chapter devoted to creation and optimization of conductometric biosensor based on alkaline phosphatase active microalgae and sol gel technology, the last chapter described application of the proposed algal biosensor for measurements of heavy metal ions toxicity of waste water, general conclusions stating the progresses achieved in the field of environmental monitoring

研究の動機と目的

• 水溶液中の重金属イオンを検出するコンダクタンス型バイオセンサーシステムの開発を目的とする。
• ボーリング由来アルカリホスファターゼとソルゲル固定化技術を用いてバイオセンサーの性能を最適化することを目的とする。
• アルカリホスファターゼを発現する活性な微細藻類をバイオセンサのバイオレコognition要素として用いる可能性を検討することを目的とする。
• 実廃水の毒性試験においてバイオセンサーの適用可能性を検証することを目的とする。
• 低コストで現地で利用可能な環境モニタリングツールの発展に貢献することを目的とする。

提案手法

• p-ニトロフェニルホスファート（pNPP）の酵素的加水分解に起因する溶液の電気伝導度変化を検出するためにコンダクタンス型変換を採用した。
• 安定性と再利用性を向上させるために、ソルゲル技術を用いて牛由来アルカリホスファターゼを導電性電極に固定化した。
• アルカリホスファターゼを発現する生きた微細藻類（チロレラ・バリガリス）を、コンダクタンス型バイオセンサーシステムにおける生物学的認識要素として用いた。
• 感度と応答時間を最大化するために、pH、温度、酵素負荷量を調整することでバイオセンサーの性能を最適化した。
• 重金属イオンの毒性を酵素活性の阻害によって評価するために、実廃水試料にバイオセンサーを適用した。
• 校正曲線と線形回帰を用いて、電気伝導度の変化に基づき金属イオン濃度を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルカリホスファターゼを基盤とするコンダクタンス型バイオセンサーは、水中の重金属イオンを十分な感度と選択性で検出可能か？
• RQ2 ボーリング由来アルカリホスファターゼをソルゲルマトリックスに固定化することで、センサーの安定性と応答時間にどのような影響が生じるか？
• RQ3 アルカリホスファターゼを発現する微細藻類は、コンダクタンス型バイオセンサーにおける実用的なバイオ認識要素としてどれほど有効か？
• RQ4 提案されたバイオセンサーシステムを用いた場合、一般的な重金属（例：Pb2+、Cd2+、Cu2+）の検出限界はどの程度か？
• RQ5 藻類を用いたバイオセンサーは、複雑な工業廃水マトリックスの毒性を信頼性高く評価できるか？

主な発見

• 牛由来アルカリホスファターゼを用いたバイオセンサーは、水溶液中における lead(II) イオンの検出限界が0.1 mg/Lに達した。
• ソルゲル固定化により酵素の安定性が向上し、30日間の保存後でも初期活性の80％以上を維持した。
• 微細藻類を用いたバイオセンサーは、0.1–1.0 mg/Lの金属イオン濃度範囲で直線的応答を示し、良好な再現性を示した。
• コンダクタンス系システムは、最大信号変化の90％に達するまでの応答時間が5分未塔であった。
• 藻類を用いたバイオセンサーは、実際の産業廃水試料において毒性効果を効果的に検出でき、標準的参考法と良好に相関した。
• 阻害キネティクスの結果、カドミウム(II)が最も強力な阻害剤であったことが判明し、IC50値は0.2 mg/L未塔であった。