Биоцидный полимерный сорбент для обеззараживания водных сред

Биоцидный полимерный сорбент для обеззараживания водных сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области разработки сорбционных материалов для очистки и обеззараживания воды и водных сред, в том числе биологических жидкостей организма.

Потребность в таких разработках связана с возросшей необходимостью борьбы с возбудителями опасных инфекционных болезней, в особенности в связи с вероятностью их использования в террористических целях.

К группе возбудителей опасных инфекционных болезней, вероятность использования которых в террористических целях велика (1-я группа опасности), относится сравнительно большое число биологических агентов как вирусной, так и бактериальной природы. В первую очередь, к их числу относят возбудителей сибирской язвы, туляремии, чумы, ботулизма, натуральной оспы, геморрагических лихорадок, гриппа, сапа, сыпного тифа и венесуэльского энцефалита. Проблема очистки и обеззараживания воды и водных сред от данных агентов в этой связи приобретает особое значение.

Одним из наиболее безвредных для человека и животных способов обеззараживания воды является ее пропускание (фильтрация) через колонку с биоцидным сорбентом, то есть сорбентом, обладающим бактерицидными, спороцидными, вирулицидными и фунгицидными свойствами. При таком способе контакт микроорганизмов, находящихся в воде, с дезинфицирующим агентом происходит на поверхности неподвижной фазы, а сам агент не растворяется в водной среде. Так как дезинфектанты представляют собой химически активные и далеко не безвредные для организма вещества, переход на сорбционные методы обеззараживания является более предпочтительным.

Большинство существующих в настоящее время биоцидных сорбционных материалов получают в основном путем модифицирования органических или неорганических сорбентов серебром, реже йодом.

Например, известен бактерицидный сорбент (патент RU 2221641, B01J 20/26, B01J 20/20, C02F 1/50, 20/01/2004), используемый в безнапорных и напорных фильтрах для обеззараживания и очистки воды из водопровода и пресноводных источников. В качестве основы (подложки) сорбента используется углеродсодержащий материал, в качестве бактерицидной добавки - иодсодержащий и серебросодержащий ионнообменные компоненты. Известно (RU 2172720, C02F 1/50, 27.08.2001) использование для обеззараживания воды композиционных материалов, содержащих в различных сочетаниях равномерно распределенные гранулы йодсодержащей анионообменной смолы, гранулированного активированного угля, катионообменной смолы и анионообменной смолы с серебросодержащим сорбентом между амфотерными волокнами. Описана композиция (RU 2191163, C02F 1/50, C02F 1/28, 20.10.2002), предназначенная преимущественно для дезинфекционной обработки природных и сточных вод, питьевой воды из открытых пресных водоемов (рек, озер), подземных источников (артезианского водозабора) и хозяйственно-питьевого водоснабжения. Композиция содержит в качестве биоцидной добавки серебросодержащий препарат, включающий или раствор йода, или перекиси водорода, или перманганата калия, а в качестве сорбента - глауконит или активированный уголь.

В таких материалах серебро (или йод) находится на поверхности сорбента либо в виде изолированных ионов, либо в виде комплексных соединений с органическими молекулами. Однако серебро- и йодсодержащие вещества ограничены в диапазоне своего применения только бактерицидными и в значительно меньшей степени - вирулицидными свойствами, и их действие не распространяется на биологически активные вещества грибковых и споровых форм.

Кроме того, известно, что вода, содержащая ионы серебра, оказывает токсикологическое воздействие на организм человека, так как по степени вредного воздействия на высшие организмы серебро относится ко 2-му классу опасности, то есть к высокоопасным веществам согласно ГОСТ 12.1.007-76. Это означает, что средняя смертельная доза при введении в желудок находится в пределах 15-150 мг/кг. Согласно санитарным нормам ПДК серебра в питьевой воде составляет 0,05 мг/л, что сопоставимо с такими токсичными веществами, как свинец (ПДК 0,03 мг/л). Кроме того, серебро может накапливаться в организме.

Наиболее близким к заявляемому сорбенту является сорбционный материал с бактерицидными свойствами на основе оксида алюминия (RU 2254163, B01J 20/08, 20/02, 20/06, 20.06.2005). Сорбционный материал представляет собой матрицу окиси алюминия с мезо- и макропористой структурой, поверхность которой модифицирована комплексом серебра с поливинилпирролидоном.

Недостатками данного сорбционного материала являются низкая вирулицидность и полное отсутствие спороцидных и фунгицидных свойств, что характерно для соединений серебра, использующихся в качестве бактерицидов, и повышенная токсичность, возникающая в водной среде при ее пропускании (фильтрации) через сорбент вследствие того, что на поверхности сорбента находится легкодесорбирующийся комплекс серебра. Недостатком является также использование в качестве подложки сорбента оксида алюминия, обладающего низкой адсорбционной селективностью по отношению к большинству приоритетных ксенобиотиков.

Задачей изобретения является создание биоцидного сорбента, обладающего полным набором бактерицидных, вирулицидных, спороцидных и фунгицидных свойств и безвредного для высших организмов, предназначенного для обеззараживания водных сред, в том числе биологических, путем их пропускания (фильтрации) через сорбент. Подложка сорбента должна обладать свойствами повышенной селективности по отношению к основным группам ксенобиотиков и метаболитов экзо- и эндогенного происхождения. В процессе фильтрации не должно наблюдаться вымывания биологически активного компонента в водную среду.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым биологически активным сорбентом, включающим подложку из пористого сорбционного материала, на которую нанесен модифицирующий биологически активный компонент, в котором подложка из пористого сорбционного материала представляет собой ионообменный полимерный материал с развитой поверхностью, и который в качестве биологически активного компонента содержит гетероциклическое соединение каркасного типа теотропин - 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1^3,8]додекан (тетраметилендиэтилентетрамин), обладающее биоцидными свойствами широкого спектра действия и безвредное для высших организмов, в количестве 1,5-4 ммоль на 1 г ионообменного полимерного материала.

Предлагаемый сорбент в качестве ионообменного полимерного материала может содержать катионообменный гранульный или нетканый материал.

Выбор действующего начала для предлагаемого сорбента был обусловлен требованием полного набора биоцидных свойств и отсутствием токсичности. Таким требованиям отвечает теотропин, так как известно, что теотропин обладает широким спектром вирусоцидного и бактерицидного действия в отношении грамотрицательных, грамположителных бактерий, включая споровые формы и микоплазмы. Дезинфицирующая активность теотропина обусловлена его способностью проникать в бактериальные клетки и вирусы, взаимодействовать с аминогруппами пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот, блокируя их матрично-генетическую функцию.

По степени вредного воздействия на высшие организмы теотропин относится к 4-му классу опасности, то есть малоопасным веществам согласно ГОСТ 12.1.007-76. Это означает, что средняя смертельная доза при введении в желудок должна составлять более 5000 мг/кг, что в 30-300 раз больше, чем для серебра. Препарат не обладает кумулятивным и кожно-резорбтивным свойствами. В рекомендуемых для применения концентрациях не вызывает раздражения кожи и слизистых оболочек глаз (Временное наставление по применению теотропина для дезинфекции в ветеринарии. №13-7-2/1227 от 07 мая 1998 г. Министерство сельского хозяйства РФ. Главное управление ветеринарии).

Теотропин используется в агропромышленной сфере для дезинфекции объектов санитарного надзора (производственных, бытовых и вспомогательных помещений, оборудования, посуды, инструментов, приборов и пр.) в животноводческих и птицеводческих хозяйствах, на предприятиях мясной промышленности, убойных цехах птицефабрик, санитарно-убойных пунктах, на автомобильном транспорте, используемом для перевозки мяса и мясопродуктов, а также для вынужденной дезинфекции названных объектов при инфекционных болезнях бактериальной и вирусной этиологии, при споровых инфекциях (RU 2123337, А61К 31/645, A61L 2/16, A61L 2/18, 20.12.1998).

Выбор сорбционного материала для подложки определялся химическими свойствами теотропина и поставленной задачей. Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что неорганические сорбенты, например оксид алюминия, углеродминеральные сорбенты и активированный уголь, не способны сорбировать и прочно удерживать достаточное количество теотропина для обеспечения высокой эффективности процесса обеззараживания водных сред. Кроме того, указанные сорбенты характеризуются низкой адсорбционной селективностью по отношению к большинству приоритетных ксенобиотиков. При исследовании полимерных анионитов было установлено, что молекулы теотропина образуют с функциональными ионообменными группами полимера сильные связи полярной и/или донорно-акцепторной природы и не переходят в жидкую фазу в процессе пропускания водных сред через сорбент. В полимерном сорбционном материале легко регулируется размер пор и величина их удельной поверхности. Полимерная подложка обладает свойствами повышенной селективности по отношению к основным группам ксенобиотиков.

При обеззараживании водных сред, загрязненных примесями металлов, предпочтительнее использовать в качестве сорбционной подложки катиониты.

Предлагаемый биоцидный сорбент получают следующим образом.

Полимерный анионит выдерживают в течение одной недели в водном растворе теотропина с исходной концентрацией 10 мг/мл. После этого разделяют на фильтре Шотта жидкую и твердую фазы. В жидкой фазе определяют оставшуюся концентрацию теотропина методом потенциометрического титрования. Твердую фазу промывают на фильтре Шотта дистиллированной водой, содержание теотропина в промывной воде контролируют потенциометрическим титрованием (анализируют по показателю рН). Промывку прекращают после того, как теотропин на выходе из фильтра не регистрируется.

Затем полученный сорбент промывают ацетоном и сушат на воздухе. Содержание теотропина в твердой фазе определяют гравиметрическим методом по привесу, с учетом процента влажности в полимере.

Изобретение иллюстрируется примерами и таблицами.

Пример 1. Навеску воздушно-сухого сульфокатионита в Н⁺-форме (на основе сополимера стирола и дивинилбензола гелевой структуры) 0,460 г помещают в плоскодонную колбу объемом 150 мл, вносят 50 мл водного раствора теотропина (М=168) с исходной концентрацией 10 мг/мл и выдерживают в течение одной недели. После этого содержимое колбы разделяют на фильтре Шотта на жидкую и твердую фазы. В жидкой фазе определяют оставшуюся концентрацию теотропина методом потенциометрического титрования. Твердую фазу промывают на фильтре Шотта дистиллированной водой до полного исчезновения следов теотропина на выходе из фильтра, затем пятью мл ацетона и сушат на воздухе. Содержание теотропина в твердой фазе определяют гравиметрическим методом. Экспериментальный привес - 0,65 г на 1 г сухого катионита; нанесено теотропина - 3,87 ммоль/г (сухого катионита).

Пример 2. Навеску воздушно-сухого карбоксильного катионита в Н⁺-форме (на основе сополимера акрилонитрила и дивинилбензола гелевой структуры) 0,456 г помещают в плоскодонную колбу объемом 150 мл, вносят 50 мл водного раствора теотропина с исходной концентрацией 10 мг/мл и выдерживают в течение одной недели. После этого содержимое колбы разделяют на фильтре Шотта на жидкую и твердую фазы. В жидкой фазе определяют оставшуюся концентрацию теотропина методом потенциометрического титрования. Твердую фазу промывают на фильтре Шотта дистиллированной водой (до достижения отсутствия теотропина на выходе из фильтра), затем пятью мл ацетона и сушат на воздухе. Содержание теотропина в твердой фазе определяют гравиметрическим методом. Экспериментальный привес 0,52 г/г сухого катионита, нанесено теотропина 3,10 ммоль/г сухого катионита.

Аналогичным образом были синтезированы остальные образцы биоцидных полимерных сорбентов, условия синтеза которых и количество нанесенного биоцида приведены в таблице 1.

Для проверки прочности связывания теотропина в предлагаемом биоцидном сорбенте - отсутствия его вымывания водной средой в динамическом режиме - образцы полученных сорбентов помещали в колонку и пропускали через сорбент дистиллированную воду и водные растворы с различным значением рН. Экспериментально (время контакта 3 суток) было показано, что теотропин практически не вымывается в кислой и в нейтральной средах. Из зависимости количества вымытого теотропина от концентрации гидроксида натрия в растворе (0,01-0,1 н.) следует, что вымывание теотропина начинается только при рН 12.

Из таблицы 1 видно, что количество нанесенного теотропина, отнесенное к весу анионитной подложки, зависит от условий синтеза: времени зарядки полимерного сорбента и концентрации теотропина в используемом для зарядки растворе. Из общих соображений ясно, что степень эффективности биоцидного действия будет тем выше, чем больше биоцидного компонента нанесено на подложку. Таким образом, появляется возможность оптимизировать условия синтеза с целью регулирования биоцидных свойств сорбента.

С целью оценки биоцидных свойств синтезированных сорбентов была изучена антимикробная активность нескольких образцов, а именно образцов, соответствующих примерам 1 (шифр СБТ-3), 2 (шифр СБТ 4), 7 (шифр СБТ 2) и 9 (шифр СБТ 1).

Были оценены бактерицидное, споростатическое и спороцидное действие этих образцов в отношении грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов, а именно в отношении к стандартной тест-культуре Е. coli (кишечная палочка), а также к S. aureus (золотистый стафилококк) и к В. anthracis (сибирская язва) с помощью обычного луночного метода. Исследовалось подавление роста биоматериала вокруг проб сорбента круглой формы с радиусом R_проб, помещенных на поверхность чашки Петри, на которой находился штамм культуры. Экспериментальные данные представлены в таблице 2 и на чертеже, содержащем фотоснимки чашек Петри: а), б), в) и схематическое изображение одной пробы: г). Измерялся радиус наблюдаемой зоны подавления роста R_зоны=R_общ-R_проб, где R_общ - общий радиус наблюдаемого пятна подавления (см. схему г) на чертеже). На фотоснимке а) показана чашка Петри с культурой кишечной палочки, на фотоснимке б) - чашка Петри с культурой сибирской язвы. В скобках рядом с шифром образца биоцидного сорбента указана его доза (навеска в мг). На фотоснимке в), где показаны чашки Петри с культурой золотистого стафилококка, доза сорбента (навеска 5 или 10 мг) указана в знаменателе обозначения, в числителе приведены номера образцов, которые соответствуют следующим их шифрам: 2 - СБТ-1; 3 - СБТ-3; 4 - СБТ-4; 5 - СБТ-2.

Таблица 2
Результаты исследования антимикробной активности биоцидного сорбента.
Шифр сорбента, содержание в нем теотропина	Доза сорбента, мг	Наименование тест-культуры, радиус наблюдаемой зоны подавления роста Rзоны, мм
Е.coli К-12	S. aureus 290-P	B.anthracis 55-ВНИИВВиМ
СБТ-3 3,87 ммоль/г	5	1,5	0,5	5,0
10	2,5	4,5	7,0
СБТ-4 3,10 ммоль/г	5	1,0	1,0	3,0
10	1,5	3,0	3,5
СБТ-2 1,40 ммоль/г	5	-	0,5	-
10	-	3,0	-
СБТ-1 0,91 ммоль/г	5	-	0,0	-
10	-	0,0	-

Таким образом, предложен биоцидный сорбент для обеззараживания водных сред, пористая полимерная подложка которого имеет развитую поверхность, что позволяет закреплять на ней биологически активный компонент - теотропин - в эффективном количестве. Теотропин не вымывается с полимерной подложки водными средами в динамическом режиме. Предложенный биологически активный сорбент обладает полным набором бактерицидных, вирулицидных, спороцидных и фунгицидных свойств и безвреден для высших организмов. Сорбент обладает свойствами повышенной селективности по отношению к основным группам ксенобиотиков и метаболитов экзо- и эндогенного происхождения.

1. Биологически активный сорбент, включающий подложку из пористого сорбционного материала, на которую нанесен модифицирующий биологически активный компонент, отличающийся тем, что подложка из пористого сорбционного материала представляет собой ионообменный полимерный материал с развитой поверхностью, а в качестве биологически активного компонента сорбент содержит гетероциклическое соединение каркасного типа теотропин - 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1^3,8]додекан, обладающее биоцидными свойствами широкого спектра действия и безвредное для высших организмов, в количестве 1,5-4 ммоль на 1 г ионообменного полимерного материала.

2. Биологически активный сорбент по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионообменного полимерного материала он содержит катионообменный гранульный или нетканый материал.