Умные биосенсоры: стражи экологической безопасности

Гуркин, Г. К. Биоэлектрохимические системы на основе нановолокон полианилина и Rhodococcus fascians: мониторинг БПК, очистка сточных вод и биоэлектрогенерация / Г. К. Гуркин, Р. Н. Перчиков // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. – 2025. – № 3. – С. 38–53. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=82966569 (дата обращения: 04.09.2026).

Сформированы биоэлектрохимические системы на основе нановолокон полианилина (ПАНИ(нв)), синтезированных методом межфазной полимеризации в системе хлороформ–вода. ПАНИ(нв) продемонстрировали преимущество перед гранулированным ПАНИ в формировании зрелых биопленок микроорганизмов Rhodococcus fascians-MAS-P, выделенных из активного ила (биообъем составил 27,9 ± 0,2 мкм³/мкм², толщина 43 ± 4 мкм). На их основе сформирован БПК-биосенсор с линейным диапазоном 0,9–70 мг O2/дм³ и высокой корреляцией к стандартному методу определения БПК5 (R=0,9904). Электроды интегрированы в микробные топливные элементы (МТЭ). В компактных 3D-печатных ячейках с мембраной NafionN117 достигнутая удельная мощность составила 56±2 мВт/м², а очистка сточных вод по показателю БПК5 составила 64 %. Масштабированная система МТЭ (24 л) на углеродном войлоке генерировала 2,2–3,9 В, обеспечивая зарядку ионистра и мобильного телефона.

Краевская, А. Г. Мультиферментные биосенсоры нового поколения на основе природоподобных носителей / А. Г. Краевская, С. В. Изутина // Биология и интегративная медицина. – 2026. – № 1. – С. 581–596. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=88916410 (дата обращения: 04.09.2026).

Представлена концепция создания мультиферментных биосенсорных платформ нового поколения на основе иммобилизованных ферментных каскадов с использованием природоподобных наноструктурированных носителей. Проект демонстрирует практическую реализацию НБИКС-конвергенции (нано-, био-, инфо-, когнито- и социогуманитарных технологий) и позиционирует природоподобные технологии как стратегический приоритет развития биосенсорики. Предложенные биосенсорные системы обладают тремя ключевыми преимуществами перед существующими аналогами: использование ферментных каскадов для повышения точности измерений в десять раз, реализация биокаталитической детоксикации с разрушением токсинов непосредственно в организме и применение биомиметических наноструктур вместо синтетических носителей. Разработанные системы позволяют осуществлять одновременный мониторинг пяти-десяти биохимических параметров, включая глюкозу, лактат, мочевину и холестерин, в режиме реального времени, что открывает перспективы для персонализированной медицины, экологического мониторинга и промышленного биокатализа. Применение экстремофильных ферментов термофильного, психрофильного и галофильного типов обеспечивает стабильность биосенсорных систем в широком диапазоне условий.

Лунева, А. А. Применение люминесцентных бактериальных биосенсоров для экспресс-оценки токсичности водных сред / А. А. Лунева, Л. А. Порожнюк // Актуальные аспекты и перспективы развития современной биотехнологии : cб. докл. III Междунар. науч. конф., Белгород, 25–27 марта 2026 г. – Белгород, 2026. – С. 306–310. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=91276238 (дата обращения: 04.09.2026).

Рассмотрено применение люминесцентных бактериальных биосенсоров для экспресс-оценки токсичности водных сред. Описаны ключевые штаммы (Aliivibrio fischeri, Photobacterium phosphoreum и др.) и стандартизированные методики (ISO 11348). Метод отличается высокой скоростью анализа, объективностью и низкой себестоимостью по сравнению с традиционными подходами биотестирования. Сделан вывод о его эффективности для оперативного экологического мониторинга водных объектов.

Перчиков, Р. Н. Влияние модификации поверхности электродов углеродными нанотрубками на формирование электроактивной биоплёнки как основа биосенсора для экологического мониторинга / Р. Н. Перчиков // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем : материалы ХXIII Всерос. науч.-практ. конф. c междунар. участием, Киров, 17–19 нояб. 2025 г. – Киров, 2025. – С. 41–44. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=88990285 (дата обращения: 04.09.2026).

Представлен биосенсор для определения биохимического потребления кислорода на основе биопленок микроорганизмов, выделенных из активного ила, используемого на очистных сооружениях. Определена субстратная специфичность для биосенсора на основе выделенных микроорганизмов, направленно сформированных на поверхности модифицированных электродов.

Чернова, О. К. Биосенсоры на основе микроорганизмов для детекции полициклических ароматических углеводородов / О. К. Чернова // Вестник науки. – 2025. – Т. 1, № 3. – С. 698–702. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=80389950 (дата обращения: 04.09.2026).

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), такие как фенантрен и нафталин, являются широко распространенными загрязнителями окружающей среды, обладающими высокой токсичностью и устойчивостью. Рассмотрены принципы работы микробных биосенсоров, их применение в детекции ПАУ, а также перспективы их развития. Особое внимание уделено генетически модифицированным микроорганизмам, использующим репортерные системы для высокочувствительной и специфичной детекции. Проанализирован потенциал биосенсоров в экологическом мониторинге и методах биоремедиации.

Biosensor technologies for water quality: detection of emerging contaminants and pathogens / A. Fdez-Sanromán, N. Bernárdez-Rodas, E. Rosales [et al.] // Biosensors. – 2025. – Vol. 15, iss. 3. – Article number: 189. – URL: https://doi.org/10.3390/bios15030189 (date of access: 04.09.2026).

Переведенное заглавие: Контроль качества воды с помощью биосенсорных технологий: обнаружение современных загрязнителей и патогенов.

Представлена классификация различных типов биосенсоров по типу биорецептора и преобразователя с акцентом на специфику их проектирования для выявления новых загрязняющих веществ (emerging contaminants, ECs) и патогенов в водных средах. Критическому анализу подвергнуты ключевые технологические инновации, в том числе передовые методы, такие как систематическая эволюция лигандов экспоненциальным обогащением (SELEX), молекулярно импринтированные полимеры (MIPs) и самоорганизующиеся монослои (SAMs), обеспечивающие создание сенсоров с повышенной чувствительностью и селективностью. Дополнительно проанализирована интеграция микрофлюидных систем в биосенсорные платформы, демонстрирующая существенное повышение производительности и скорости детекции. На основе рассмотренных достижений подчеркнута фундаментальная роль биосенсоров как ключевых инструментов обеспечения санитарно‑эпидемиологического благополучия и сохранения экологической целостности окружающей среды.

Desai, S. Pigment-based biosensors for environmental monitoring / S. Desai, S. Desai // Talanta open. – 2025. – Vol. 11. – Article number:100471. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666831925000736 (date of access: 04.09.2026).

Переведенное заглавие: Биосенсоры на основе пигментов для мониторинга окружающей среды.

Пигментные биосенсоры обеспечивают колориметрическое и визуальное детектирование без необходимости использования сложного измерительного оборудования. Реакция таких биосенсоров может формироваться либо за счет прямого взаимодействия аналита с пигментом, либо посредством участия аналита в генетическом пути, приводящем к синтезу пигмента – в обоих случаях это сопровождается изменением окраски. Рассмотрены области применения пигментных биосенсоров для экологического мониторинга различных загрязняющих веществ, включая тяжелые металлы и пестициды, в сопоставлении с традиционными методами детектирования.

Lawson, R. Biosensor advancements for addressing agricultural and environmental challenges: a review / R. Lawson, A. Grunden, C. Sayde // Journal of Sustainable Agriculture and Environment. – 2025. – Vol. 4, iss. 4. – Article number: e70119. – URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sae2.70119 (date of access: 04.09.2026).

Переведенное заглавие: Современные разработки в области биосенсоров и использование их для решения сельскохозяйственных и экологических задач: обзор.

Рассмотрены современные достижения в области биосенсорных технологий и их возможности для решения задач в сельском хозяйстве и охране окружающей среды. Из‑за растущей нестабильности климата особенно востребованы инструменты для оперативного контроля состояния экосистем прямо на месте. Биосенсоры как раз позволяют в реальном времени определять содержание питательных веществ в почве (учитывая, что почва по своей природе неоднородна), выявлять болезни растений, оценивать степень засухи и следить за качеством воды. Значительный прогресс достигнут в разработке ферментных, чип‑ и оптоволоконных биосенсоров – это заметно расширило возможности их использования непосредственно в полевых условиях. В сочетании с технологиями искусственного интеллекта и Интернета вещей такие устройства помогают принимать обоснованные решения для устойчивого развития сельского хозяйства и защиты окружающей среды. При этом остается ряд проблем, мешающих широкому внедрению этих технологий: сложности с калибровкой, необходимость обеспечить надежную работу в полевых условиях, контроль качества и удобство для пользователя.

Microbial bioelectronic sensors for environmental monitoring / S. Li, X. Zuo, M. D. Carpenter [et al.] // Nature Reviews Bioengineering. – 2025. – Vol. 3, iss. 1. – P. 30–49. – URL: https://www.nature.com/articles/s44222-024-00233-x (date of access: 04.09.2026).

Переведенное заглавие: Микробиологические биоэлектронные сенсоры для мониторинга состояния окружающей среды.

В условиях прогрессирующего антропогенного загрязнения разнообразных природных сред критически востребована разработка экспрессных, высокочувствительных и экономически рациональных методов детекции сложных химических соединений. В данном контексте перспективным направлением выступают микробные биоэлектронные сенсоры, принцип действия которых базируется на трансдукции биологических процессов в измеримый электрический сигнал. Систематизированы подходы к проектированию полевых микробных биоэлектронных сенсоров. Рассмотрены критерии выбора микробного шасси, методы модификации внутриклеточных путей электронного транспорта, стратегии формирования эффективного интерфейса «клетка–электрод», а также технологические аспекты изготовления сенсорных устройств.

Sriram, A. Real-time soil contaminant monitoring using microbial biosensors and support vector machine / A. Sriram, T. N. Prabakar // Revue Roumaine des sciences techniques. Série: Électrotechnique et énergétique. – 2026. – Vol. 71, № 2. – P. 329–334. – URL: https://journal.iem.pub.ro/rrst-ee/en/article/view/1837 (date of access: 04.09.2026).

Переведенное заглавие: Использование микробных биосенсоров и метода опорных векторов для мониторинга загрязнителей в почве в режиме реального времени.

Предложена гибридная стратегия мониторинга почвы, сочетающая микробные биосенсоры с классификатором на основе метода опорных векторов (SVM) для быстрого выявления загрязняющих веществ. Специально модифицированные бактерии Escherichia coli модифицированы таким образом, чтобы избирательно реагировать на ионы свинца (Pb²⁺), ртути (Hg²⁺) и фосфорорганические соединения. Реакция была выражена в генерации электрических биосигналов с напряжением в диапазоне от 0,2 В до 1,5 В – при концентрациях загрязнителей выше 50 ppm. Биосигналы преобразуются в цифровую форму с помощью 12‑битного аналого‑цифрового преобразователя (АЦП) с частотой дискретизации 1 кГц, после чего проходят этапы фильтрации, нормализации и извлечения статистических признаков. Использован набор данных, включающий 3200 точек измерений, собранных в течение трех месяцев; из них 1200 точек применены для обучения и валидации модели SVM. При использовании ядра на основе радиальной базисной функции рассмотренная система демонстрирует точность классификации на уровне 96,8 % и значение F1‑меры – 96,4 % по пяти категориям состояния почвы. Компенсация дрейфа сенсора осуществляется за счет онлайн‑обновления модели, благодаря чему система остается надежной и пригодной для непрерывного мониторинга загрязнения почвы в полевых условиях.