Способ обеззараживания воды и оценки его эффективности

Способ обеззараживания воды и оценки его эффективности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области медицины как способ применения нерастворимых в воде гетерогенных сенсибилизаторов, а именно силикагелей, содержащих в составе активной фазы ковалентно связанные с ними молекулы замещенных фталоцианинов, для фотообеззараживания воды от индикаторных (Escherichia coli, Enterococcus faecalis), потенциально-патогенных (Klebsiella pneumonia) и патогенных (Staphylococcus aureus и Salmonella infantis) бактерий.

В настоящее время широко используемыми методами в практике обеззараживания воды являются хлорирование и озонирование. Однако при этом возникают проблемы неблагоприятного действия на человека опасных для здоровья человека продуктов, образующихся в результате хлорирования (тригалометаны, хлорфенолы, хлороформ и многие другие соединения) и озонирования (альдегиды, кетоны, формальдегид, броматы). Эти соединения обладают высокой токсичностью, выраженным комулятивным и канцерогенным действием.

Разработка новых эффективных и безопасных методов обеззараживания воды является одной из основных задач повышения эпидемической безопасности водопользования. В последние годы проводятся исследования с целью разработки метода обеззараживания воды с использованием цитотоксических свойств активных форм кислорода, генерируемых при световом воздействии на фотодинамически активные красители - фотосенсибилизаторы.

Известны способы фотообеззараживания воды с использованием катионных фталоцианинов, растворимых в воде, являющихся сенсибилизаторами образования синглетного кислорода под действием видимого света [патент РФ №2375371, кл. C07F 7/28, 2009; RU 2235688 С2, 10.09.2004; RU 2281953 С1, 20.08.2006; RU 2358909 С1, 20.06.2009]. Несмотря на высокую эффективность в отношении Escherichia coli, эти методы имеют существенный недостаток, который заключается в необходимости последующего удаления сенсибилизатора из обеззараженной воды, так как доказана токсичность для человека воды, содержащей остатки фотосенсибилизаторов и продукты их фотодеградации. Для снятия этих негативных аспектов применения фотообеззараживания воды в практике водоподготовки разрабатывается проблема создания высокоэффективных твердофазных фотосенсибилизаторов, нерастворимых в воде, но способных осуществить инактивацию бактерий в водной среде в гетерогенных условиях. Это обеспечит простоту полного извлечения реагента после процесса инактивации, что будет гарантировать отсутствие нежелательных примесей в обработанной воде.

Синтезированы гетерогенные сенсибилизаторы путем химической прививки замещенных фталоцианинов к аминопропилированным силикагелям. Для ковалентной прививки использовали металлофталоцианины, производные которых эффективно генерируют цитотоксический синглетный кислород в растворах и, как показано в [J. Porphyrins Phthalocyanines 2011; 15:718-726], после гетерогенизации сохраняют способность сенсибилизировать образование этой активной формы кислорода (патент РФ №2447027, кл. C02F 1/50, C09B 4/04, C02F 1/30 2010).

Известен способ обеззараживания воды от бактерий Escherichia coli с использованием нерастворимых в воде гетерогенных сенсибилизаторов (RU 2447027 С1). Данный способ является наиболее близким к заявленному и выбран в качестве прототипа. Следует отметить, что этот способ позволяет провести обеззараживание воды с использованием одного сенсибилизатора и от одного вида бактерий и недостаточно эффективен при обеззараживании воды от потенциально патогенных и патогенных бактерий, которые являются важными показателями бактериального загрязнения воды и нормируются при оценке качества.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности обеззараживания воды в отношении индикаторных, потенциально-патогенных и патогенных бактерий путем выбора на основании экспериментальных исследований параметров способа обеззараживания, обеспечивающих наибольшую эффективность используемых гетерогенных сенсибилизаторов.

Технический результат достигается тем, что в способе обеззараживания воды в отношении индикаторных, потенциально-патогенных и патогенных бактерий используют нерастворимые в воде гетерогенные сенсибилизаторы, в концентрации не менее 4 г/дм³, в структуре активной фазы которых содержатся фталоцианины металлов - алюминия, цинка, а также кремния, при концентрации активной фазы от 4 до 5 мкм/г, при положительном электрическом заряде. Выбранные гетерогенные сенсибилизаторы вводят в инфицированную бактериями воду и выдерживают в течение 30 минут в темноте с последующим освечиванием на расстоянии 10 см электрической лампой со световым потоком 9100 lm, при активном барботировании кислорода воздуха в течение 1-2 часов при температуре 22-25°C. Эффективность обеззараживающего действия оценивают, в отличие от прототипа, путем отбора проб только из надосадочной жидкости после осаждения сенсибилизаторов в течение 5 минут, производят посевы воды на плотные дифференциальные питательные среды не только прямым посевом, но и методом мембранной фильтрации всего обеззаражного объема воды, посевы инкубируют в течение 24 часов при температуре 37°C в термостате с последующим подсчетом выросших колоний на поверхности питательных сред и вычисляют эффективность обеззараживающего действия гетерогенных сенсибилизаторов, оценивая эффективность обеззараживания как высокую при значении ≥99,99, среднюю при значении от 80,9 до 99,98, низкую при значении ≤80,9.

Гетерогенные сенсибилизаторы были синтезированы в ФГУП «ГНЦ» НИОПИК по разработанной методике [N. Kuznetsova, О. Yuzhakovaa, М. Strakhovskaya, A. Shumarina, A. Kozlov, A. Krasnovsky and O. Kaliya. New heterogeneous photosensitizers with phthalocyanine molecules covalently linked to aminopropyl silica gel. J. Porphyrins Phthalocyanines 2011; 15:718-726].

В качестве тест-микроорганизмов использовали штаммы музейных бактериальных культур, полученные из коллекции ФГУН ГИСК им. Л.А. Тарасевича: Escherichia coli 1257, Salmonella enteritidis 5765 ATCC, Staphylococcus aureus 906, Enterococcus faecalis 29212, и микроорганизмы, выделенные из различных водных объектов РФ («дикие» штаммы) - Klebsiella pneumonia, Salmonella infantis.

В качестве обеззараживающих средств использовали гетерогенные сенсибилизаторы на основе фталоцианинов, привитых к аминопропилированному силикагелю Диасорб-100амин, Диасорб-250амин и Диасорб-750амин (носители), при этом использовали гетерогенные сенсибилизаторы: Д-100ам/5мкм-А1(ОН)PcChol₇; Д-100ам/5мкм-ZnPcChol₇; Д-100ам/5мкм-Ga(OH)PcChol₇; Д-100ам/5мкм-Si(ОН)PcChol₇ - полихолинил-замещенные фталоцианинны на Диасорб-100амин; образцы с полихолинил-замещенными тетра-3-тиофенилфталоцианинами цинка и алюминия в качестве активной фазы на различных силикагелях: Д-750ам/5мкм-Al(ОН)Pc(SPh)₄Chol₇, Д-750ам/1.5мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇; Д-250ам/1,5мкм-7пРс(Sph)₄Chol₇, Д-250aM/5мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇, Д-250aM/10 мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇ с содержанием активной фазы 1.5, 5 и 10 мкм/г; гетерогенные сенсибилизаторы с различным электрическим зарядом: Д-250ам/5мкм-Аl(ОН)Рс(SPh)₄Chol₇(положительный), Д-250ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄Chm₇(нейтральный), Д-250ам/5мкм-Al(ОН)Рс(SPh)₄(CH₂NHCH₂CH₂SO₃Na)₇(отрицательный)).

Эксперименты проведены на воде модельных водоемов с внесением, в зависимости от задачи эксперимента, гетерогенных сенсибилизаторов в разной концентрации, с различным электрическим зарядом, с различным составом и концентрацией активной фазы и последующим заражением суточной культурой бактерий в концентрации n·(10⁴-10⁵)КОЕ/100 мл. После выдерживания модельных водоемов в течение 30 минут в темноте контрольные пробы воды отбирали сразу после внесения бактериальных культур, до освечивания и после освечивания и барботирования. Освечивание опытных водоемов проводили в заданный интервал времени 30, 60, 90, 120 минут.

Экспериментальные исследования по оценке фотообеззараживающего действия от бактерий гетерогенного сенсибилизатора проводили методами бактериологического анализа воды (прямого посева и мембранной фильтрации).

В результате проведенных исследований обоснован алгоритм оценки реального фотообеззараживающего действия гетерогенных фотосенсибилизаторов в отношении индикаторных, потенциально-патогенных и патогенных бактерий, включающий методы отбора проб воды из надосадочной жидкости после 5-минутного отстаивания. За это время происходит осаждение частиц нерастворимого в воде гетерогенного сенсибилизатора, используемого для обеззараживания воды. Экспериментально установлена необходимость взаимодействия сенсибилизатора с инокулятом без доступа света в течение 30 минут для установления взаимодействия между клетками бактерий и сенсибилизатором, в том числе для адсорбции бактерий на частицах сенсибилизатора. Установлена необходимость интенсивного барботирования воздухом при использовании для обеззараживания воды нерастворимых гетерогенных сенсибилизаторов для образования активного синглетного кислорода и кислородо-центрированных радикалов, которые окисляют жизненно важные биомолекулы, инактивируя таким образом микроорганизмы. Экспериментально установлено, что под действием света электрической лампой OSRAM, мощностью 500 Вт, напряжением 230 V, световым потоком 9100 lm на расстоянии 10 см в воде происходит генерация синглетного кислорода при освечивании и обеззараживании инфицированной бактериями воды видимым светом. Установлено необходимое время освечивания от 60 до 120 минут. В сравнительных экспериментах выявлены наиболее эффективные методы бактериологического анализа воды (прямого посева и мембранной фильтрации).

Эффективность обеззараживающего действия гетерогенных сенсибилизаторов вычисляли по формуле

Q=100-[(N_опыт*100)/N_{контроль}], где

Q - эффективность обеззараживания воды от бактерий в процентах, N_опыт - число выросших на чашках с плотными питательными средами колоний после обеззараживания воды гетерогенными сенсибилизаторами, N_{контроль} - число бактерий в исходной воде до обеззараживания. Предложена шкала оценки эффективности обеззараживания: высокая при значении ≥99,99, средняя при значении от 80,9 до 99,98, низкая при значении <80,9.

На основании экспериментальных исследований выявлены наиболее эффективные для обеззараживания воды от бактерий нерастворимые в воде гетерогенные сенсибилизаторы, содержащие в качестве активной фазы поликатионные фталоцианины алюминия и кремния (Д-100ам/5мкм-Al(OH)PcChol₇, Д-100ам/5мкм-Si(ОН)PcChol₇); менее эффективным в заданных условиях оказался гетерогенный сенсибилизатор с фталоцианином цинка (Д-100ам/5мкм-ZnPcChol₇) в активной фазе. Выявлена эффективная доза гетерогенных сенсибилизаторов в отношении обеззараживания бактерий от 4 до 5 г/дм³, использование более высокой дозы сенсибилизаторов для обеззараживания экономически не выгодно и экологически небезопасно. Установлено влияние концентрации активной фазы гетерогенного сенсибилизатора Д-250aM/ZnPc(SPh)₄Chol₇ на эффективность обеззараживания воды от бактерий, наибольшая эффективность получена при концентрации активной фазы 5-10 мкм/г. При сравнительной оценке эффективности в отношении бактерий при воздействии трех сенсибилизаторов с различным электрическим зарядом выявлена наибольшая эффективность фотодинамической инактивации бактерий при воздействии гетерогенных сенсибилизаторов с положительным зарядом (Д-250ам/5мкм-Al(ОН)Рс(SPh)₄Chol₇) и наименьшая - с отрицательным зарядом (Д-250ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄(CH₂NHCH₂CH₂SO₃Na)₇).

Предлагаемый способ поясняется примерами:

Пример 1: На примере фотосенсибилизатора Д-750ам/1,5мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇ изучена эффективность процесса фотообеззараживания в отношении бактерий Escherichia coli в зависимости от концентрации гетерогенного сенсибилизатора 1, 2, 4 г/дм³. Установлено, что при концентрации сенсибилизатора 1 и 2 г/дм³ после 60 минут освечивания число бактерий Escherichia coli уменьшилось только в 3 раза, эффективность составила около 70%. При увеличении дозы сенсибилизатора до 4 г/дм³ число бактерий снизилось на 3 порядка при эффективности 99,83%. Этот пример доказывает, что наибольшая эффективность действия гетерогенного сенсибилизатора проявляется при дозе более 4 г/дм³.

Пример 2: Проведено изучение эффективности фотообеззараживающего действия трех образцов гетерогенных сенсибилизаторов Д-250ам/1,5мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇, Д-250ам/5MKM-ZnPc(SPh)₄Chol₇, Д-250ам/10мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇ при одной и той же дозе 4 г/дм³, но различающихся концентрацией активной фазы фталоцианина цинка на аминопропиленовом силикагеле, которая составляла 1,5, 5 и 10 мкм/г. При использовании Д-250ам/1,5мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₇ с низкой концентрацией активной фазы (1.5 мкм/г) обеззараживающего действия после 30 и 60 минут освечивания не выявлено. При повышении концентрации активной фазы до 5-10 мкг/г и освечивании в течение часа эффективность обеззараживания существенно увеличилась (до 99,6%), при этом уровень бактерий по сравнению с контрольным снизился на два порядка с 2,5·10⁵ до 1,0·10³ КОЕ/100 мл. Результаты этого эксперимента использованы при синтезе новых сенсибилизаторов с концентрацией активной фазы 5 мкм/г.

Пример 3: Изучена эффективность фотообеззараживающего действия трех фотосенсибилизаторов, отличающихся электрическим зарядом. Анализ полученных результатов, представленных на рис.1, показал, что через 1 час воздействия наблюдались существенные различия в эффективности обеззараживания воды. В присутствии Д-250ам/5мкм-Al(ОН)Рс(SPh)₄Chol₇ с положительным зарядом эффективность составила 99,8%, Д-250ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄Chm₇ с нейтральным зарядом - 95,7%, Д-250ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄(CH₂NHCH₂CH₂SO₃Na)₇ с отрицательным зарядом - 90%. При увеличении времени освечивания до двух часов различия в эффективности обеззараживания более выражены. В водоемах с сенсибилизатором, обладающим положительным зарядом (на рис.1 обозначение - ФС 10), бактерии Escherichia coli обнаружены не были (эффективность 100%). В присутствии сенсибилизатора с нейтральным зарядом (на рис.1 обозначение - ФС 11) в воде оставались единичные клетки бактерий (эффективность 99,8%), а при действии сенсибилизатора с отрицательным зарядом (на рис.1 обозначение - ФС 12) через два часа освечивания сохранили жизнеспособность сотни клеток (эффективность 98,5%).

Пример 4: В следующей серии экспериментов проведено изучение зависимости эффективности фотообеззараживания от природы центрального атома в молекуле привитого фталоцианина. В экспериментальных условиях моделировали процесс фотообеззараживания в присутствии четырех фотосенсибилизаторов с одинаковым носителем (Диасорб-100амин) и концентрацией активной фазы (5 мкм/г), содержащих полихолинилзамещенные фталоцианины алюминия, цинка, галлия или кремния: Д-100ам/5мкм-Al(ОН)PcChol₇; Д-100aM/5мкм-Zn(OH)PcChol₇; Д-100ам/5мкм-Ga(ОН)PcChol₇; Д-100ам/5мкм-Si(OH)PcChol₇. На рис.2 дана сравнительная оценка эффективности фотообеззараживания тест-культуры Escherichia coli в присутствии гетерогенных сенсибилизаторов, содержащих в качестве активной фазы поликатионные фталоцианины: алюминия (на рис.2 обозначение - ФС 1); цинка (на рис.2 обозначение - ФС 2); галлия (на рис.2 обозначение - ФС 3); кремния (на рис.2 обозначение - ФС 4). В результате исследований установлено, что строение активной фазы гетерогенного сенсибилизатора существенно влияет на эффективность его действия в процессе фотообеззараживания воды от бактериального заражения. Наиболее эффективными оказались фотосенсибилизаторы, содержащие в качестве активной фазы фталоцианины кремния (99,68%) и алюминия (99,16%), менее эффективным - сенсибилизатор с фталоцианином цинка (93,02%) и практически неэффективным - сенсибилизатор с фталоцианином галлия (78,88%).

Пример 5: В экспериментальных исследованиях дана оценка фотодинамического действия гетерогенного сенсибилизатора Д-100ам/5мкм-Al(OH)PcChol₇ в отношении грамположительных бактерий Enterococcus faecalis, отличающихся иной формой клеток (кокки) и составом клеточных оболочек.

Результаты исследований, приведенные в таблице 1, показали, что в присутствии гетерогенного сенсибилизатора число Enterococcus faecalis через 90-120 минут освечивания уменьшилось на 2 порядка при эффективности обеззараживания 96-97%.

По сравнению с грамотрицательными бактериями Е. coli фекальные энтерококки обладают значительно большей устойчивостью к фотообеззараживанию в присутствии гетерогенного сенсибилизатора.

Пример 6. В таблице 2 представлены данные, показывающие фотодинамическую активность сенсибилизатора Д-100ам/5мкм-Al(ОН)PcChol₇ при освечивании воды модельных водоемов с первоначальным содержанием клеб-сиелл n·10⁵КОЕ/100 мл.

Установлено, что за время экспозиции 60 минут число клебсиелл снизилось в 70 раз, эффективность обеззараживания определена в 98,57%. За 120 минут число жизнеспособных бактерий снизилось на 2 порядка Продление экспозиции до 150 минут повысило эффективность до 99, 86%.

Пример 7: Выполнена оценка фотообеззараживающего действия гетерогенного сенсибилизатора D-100ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄Chol₇ в отношении патогенных бактерий Salmonella infantis. Установлено, что численность патогенного микроорганизма Salmonella infantis за 30 минут освечивания осталась на исходном уровне. В течение следующих 30 минут отмечена инактивация тест-микроорганизма, в результате чего через 60 минут воздействия численность Salmonella infantis сократилась в 2 раза, при этом эффективность обеззараживания составила 50%. Такое же медленное снижение наблюдалось и в последующие интервалы времени освечивания. Через 120 минут освечивания эффективность обеззараживания составляла всего 82% (рис.3).

Пример 8: Выполнена оценка фотообеззараживающего действия гетерогенного сенсибилизатора D-100ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄Chol₇ в отношении патогенных бактерий Staphylococcus aureus. Показана высокая чувствительность Staphylococcus aureus при исследовании фотообеззараживающего действия гетерогенного сенсибилизатора (таблица 3). Первый эксперимент проведен при низком уровне заражения Staphylococcus aureus 2,0×10³ КОЕ/100 мл. При этом сразу же после 30- минутного освечивания во всем объеме подвергнутой обеззараживанию воды бактерии Staphylococcus aureus обнаружены не были. Для подтверждения высокой (100%) эффективности фотообеззараживания в присутствии сенсибилизатора выполнена вторая серия экспериментов с увеличением дозы заражения 1,9×10⁴ КОЕ/100 мл. Результаты второго эксперимента полностью подтвердили полученную в первом опыте закономерность.

Пример 9: Проведенные исследования по оценке эффективности воздействия гетерогенного сенсибилизатора D-100ам/5мкм-Al(OH)Pc(SPh)₄Chol₇ в концентрации 4 г/дм³ в отношении различных видов бактерий в течение 120 минут освечивания показали, что бактерии Staphylococcus aureus оказались наиболее чувствительными по сравнению с другими изученными бактериями. Установлена высокая эффективность обеззараживания бактерий Е. coli 99,99% в присутствии этого гетерогенного сенсибилизатора в течение 120 минут. Выявлены небольшие различия в эффективности фотоинактивации в присутствии гетерогенного сенсибилизатора в концентрации 4 г/дм³ в отношении Klebsiella pneumonia - 99,78%, Enterococcus faecalis - 97,0%. Наиболее устойчивыми в процессе фотообеззараживания воды оказались патогенные бактерии Salmonella infantis (82,0%). Эффективность обеззараживания в присутствии гетерогенных сенсибилизаторов в отношении индикаторных (на примере Е. coli, Enterococcus faecalis), потенциально-патогенных (на примере Klebsiella pneumonia) и патогенных (на примере Staphylococcus aureus, Salmonella infantis) представлены на рис.4.

В результате сравнительной оценки эффективности обеззараживания воды при освечивании в присутствии гетерогенного сенсибилизатора изученные микроорганизмы можно расположить по мере возрастания устойчивости в следующей последовательности: Staphylococcus aureus → Escherichia coli → Klebsiella pneumonia → Enterococcus feacalis → Salmonella infantis.

С использованием разработанного способа обеззараживания воды в отношении индикаторных, потенциально-патогенных и патогенных бактерий были выбраны наиболее эффективные гетерогенные сенсибилизаторы при концентрации не менее 4 г/дм³, наличии в структуре активной фазы производных фталоцианинов алюминия, кремния и цинка, при концентрации активной фазы - от 4 до 5 мкм/г, при положительном заряде.

В результате были установлены параметры сенсибилизаторов и их оптимальная концентрация в воде для обеспечения эффективного фотообеззараживания воды от бактерий, что послужило основой для синтеза новых более эффективных фотосенсибилизаторов.

Разработан способ оценки эффективности обеззараживающего действия в отношении широкого спектра индикаторных, потенциально-патогенных и патогенных бактерий с различными биохимическими и морфологическими свойствами, которые подлежат контролю в обеззараженной воде в соответствии с нормативно-методическими документами, что, в свою очередь, обеспечивает эпидемическую безопасность водопользования.

Таблица 1
Варианты опыта	Время освечивания, мин	Enterococcus faecalis
КОЕ/100 мл	Эффективность, %
До освечивания после выдерживания в течение 30 минут в темноте	-	2,0·105	-
После освечивания	30	7,0·104	65,0
60	6,1·104	69,5
90	8,0·103	96,0
120	6,0·103	97,0

Таблица 2
Варианты опыта	Время освечивания, мин	Klebsiella pneumonia
КОЕ/100 мл	Эффективность, %
До освечивания после выдерживания в течение 30 минут в темноте		7,0·105
После освечивания	30	1,0·105	85,71
60	1,0·104	98,57
120	7,3·103	98,96
150	1,0·103	99,86

Таблица 3
Варианты опыта	Время освечивания, мин	Staphylococcus aureus
Опыт 1	Опыт 2
КОЕ/100 мл	Эффективность обеззараживания, %	КОЕ/100 мл	Эффективность обеззараживания, %
До освечивания		5,0·103		2,2·104
После освечивания	60	0	100	0	100
120	0	100	0	100

Способ обеззараживания воды и оценки его эффективности в отношении индикаторных, потенциально-патогенных и патогенных бактерий, включающий использование нерастворимых в воде гетерогенных сенсибилизаторов на основе фталоцианинов, привитых к аминопропилированному силикагелю, при излучении видимого диапазона и активном барботировании, отличающийся тем, что в качестве нерастворимых гетерогенных сенсибилизаторов на основе фталоцианинов, привитых к аминопропилированному силикагелю, применяют сенсибилизаторы с положительным электрическим зарядом, в структуре активной фазы которых содержатся фталоцианины алюминия, цинка или кремния, при концентрации активной фазы 5 мкМ/г, гетерогенный сенсибилизатор в концентрации 4 - 5 г/дм³ вводят в инфицированную воду и выдерживают ее в темноте с последующим освечиванием при активном барботировании кислорода воздуха, затем после осаждения сенсибилизатора из надосадочной жидкости отбирают пробы воды, производят посевы обеззараженного объема воды, подсчитывают число выросших колоний, вычисляют эффективность обеззараживающего действия сенсибилизатора и оценивают ее как высокую при значении ≥99,99%, среднюю при значении от 80,9 до 99,98%, низкую при значении <80,9%.