Экология и системы жизнеобеспечения ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ

Экология и системы жизнеобеспечения
УДК 661.183.1:579.63
В.В. Самонин1, М.Л. Подвязников2, Е.А. Спиридонова3
ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ
Escherichia coli ПУТЕМ ЕЕ
ОБРАБОТКИ СИЛИКАГЕЛЯМИ
С РАЗЛИЧНЫМ
РАСПОЛОЖЕНИЕМ
ФУЛЛЕРЕНОВ
1
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 190013.
Санкт-Петербург, Московский пр. д. 26
2
ОАО «Завод радиотехнического оборудования»
190103, г. Санкт-Петербург, Лермонтовский пр., 54
Показана возможность очиатки воды от микрофлоры на примере
Escherichia сoli, путем ее обработки пористыми материалами, содержащими фуллерены. В качестве пористых материалов в работе используются силикагели, объемно и поверхностно модифицированные фуллеренами. Значительное снижение величины КОЕ/мл (количество колониеобразующих единиц в 1 мл), более чем на два порядка, наблюдается при введении фуллерена на поверхность сорбента, что обеспечивает прямой контакт фуллеренов с микрофлорой.
Ключевые слова: адсорбенты, адсорбция, бактерицидные свойства,
E. coli, силикагель, фуллерены, модифицирование.
Наличие в питьевой воде вредных компонентов, при ее употреблении без очистки, сопровождается
большим риском возникновения чрезвычайных ситуаций, выраженных в массовом отравлении людей, что
особенно актуально в настоящее время в мировом масштабе [1]. Одним из таких компонентов является токсичная микрофлора, содержание которой в воде может
резко возрастать, особенно в теплое время года [2].
Для подавления микрофлоры воды используются различные безреагентные (УФ-обработка) и реагентные
методы обработки (хлорирование, озонирование, олигодинамия (обработка ионами серебра, меди и др.),
бромирование, йодирование и др.) [3]. С этих позиций
фуллерены, исследованию свойств которых посвящены
многочисленные публикации в различных областях
техники, также представляют значительный интерес.
Одним из перспективных направлений является создание на их основе бактерицидных материалов. В научно-технической литературе показано, что молекулы С60
обладают антимикробными и антивирусными свойствами даже в микроконцентрациях. В числе изученных
механизмов действия производных фуллерена называют специфичное взаимодействие «лиганд – рецептор» и мембранотропный эффект [4, 5].
Ранее авторами было показано, что активированные угли [6, 7] и силикагели [8], модифицированные микроколичествами фуллеренов (20–40 мкг/г),
характеризуются более высокими сорбционными свойствами при очистке воды от органических соединений,
остаточного содержания соединений хлора (используемых для обеззараживания) и катионов металлов.
1
При этом на примере силикагелей было показано [8],
что их высокие сорбционные свойства формируются
как при нанесении фуллеренов на поверхность адсорбентов, так и при введении в объем материалов, меняя
особенности электронного строения последних. Наряду
с высокими сорбционными характеристиками, поверхностно модифицированные фуллеренами материалы
обладают ярко выраженными бактерицидными характеристиками [9]. Бактериологические показатели воды, обработанной с использованием таких материалов,
соответствуют нормам СанПиН [10]. Кроме этого, в
отличие от материалов, содержащих серебро, бактерицидные свойства которых определяются переходом
ионов Ag+ в воду [11], фуллерены, ковалентно присоединённые к поверхности адсорбента, не переходят в
раствор, а проявляют антибактериальное действие на
границе раздела твёрдой и жидкой фаз. Это косвенно
подтверждается тем, что микроорганизмы, внесённые
в воду, очищенную с использованием модифицированного фуллеренами активного угля, не погибают [12].
В настоящей статье рассматривается влияние
расположения фуллерена в сорбенте на его бактерицидные свойства по отношению к E. coli. В качестве
модифицируемого материала выбран силикагель, который используется в экспериментальной медицине
для очистки крови [13, 14] и наряду с высокими сорбционными характеристиками также должен обладать
бактерицидными свойствами. Получение силикагеля
проводили по методу «золь-гель технологии». При
этом применяли два типа модифицирования – «поверхностное», когда нанесение фуллерена осуществ-
Самонин Вячеслав Викторович, д-р техн. наук, профессор каф. химической технологии материалов и изделий сорбционной техники СПбГТИ(ТУ),
e-mail samonin@lti-gti.ru
2
Подвязников Михаил Львович, д-р техн. наук,, доцент каф. химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» СПбГТИ(ТУ),
генеральный директор ОАО «Завод радиотехнического оборудования» e-mail zrto@zrto.spb.ru
3
Спиридонова Елена Анатольевна, к.т.н., науч. сотр. каф. химической технологии материалов и изделий сорбционной техники СПбГТИ(ТУ), email spiridonova_elena@live.ru
Дата поступления – 18 мая 2011 года
ляли из водного раствора на готовый материал, и
«объемное», когда раствор фуллерена вводили на стадиях синтеза силикагеля. Введение фуллеренов в материалы проводили с использованием их водных дисперсий, стабилизированных краун-эфирами, выполняющих функцию ПАВ. Более подробно методика получения и сорбционные свойства таких силикагелей
изложены в статье [8].
В качестве микробиологического параметра,
характеризующего бактерицидные свойства материала, выбрана величина КОЕ/мл, определяемая по количеству образуемых колоний E. coli на питательной среде агар Эндо ГРМ. Исследования проводили в соответствии с [15]. Посев производили на нескольких чашках
Петри, причем расхождение количества колоний между параллельными опытами составляло не более 12 %.
Исследования осуществляли в статических условиях в режиме перемешивания. Навеску исследуемого образца помещали в емкость с определенным объемом воды, содержащей клетки кишечной палочки. Модуль (отношение массы навески к объему воды) составлял 0,5/0,3 г/л, время экспозиции – 6 часов.
Бактерицидные свойства силикагелей, модифицированных фуллеренами, наряду с характеристиками активных углей, приведены в таблице.
Таблица. Бактерицидные свойства адсорбентов, модифицированных фуллеренами, по отношению к микрофлоре воды
Образец
Методика введения модификатора
Содержание
фуллеренов,
мкг/г
КОЕ/мл
−
860
−
−
830
−
поверхностное
краун-эфир
20
700
30
10
780
40
480
−
750
Исходная вода
Силикагель
объемное
Активный
уголь
−
Как видно из представленных в таблице результатов, сорбенты, модифицированные микроколичествами фуллеренов, проявляют бактерицидные
свойства по отношению к E. coli с различной эффективностью, которая зависит от методики введения модификатора. Так количество бактерий после контакта
с силикагелем или активным углем [6, 9], «поверхностно» модифицированными фуллеренами, снижается
от начальных 800–900 до конечных 0–30 КОЕ/мл, что
свидетельствует о ярко выраженных бактерицидных
свойствах полученных материалов.
При введении модификатора на стадии получения силикагеля и его распределении во всём объеме
материала, их бактерицидные свойства оказались значительно менее выраженными. При содержании фуллерена в сорбенте 10 мкг/г, количество E. coli, с учетом погрешности, практически не изменяется. При
содержании фуллерена 40 мкг/г происходит снижение
от 800–900 до 400–500 КОЕ/мл. При проведении контрольных экспериментов для определения влияния
краун-эфира, используемого при введении фуллеренов
в адсорбенты, на бактерицидные свойства получаемых
материалов, было замечено, что стабилизатор может
оказывать незначительное негативное воздействие на
микрофлору в воде, но не приводит к полной гибели E.
coli. Таким образом, фуллерен, являясь бактерицидным
агентом, приводит к гибели бактерий лишь при непосредственном контакте с микроорганизмами, будучи
закреплённым на поверхности носителя.
Анализ материалов, модифицированных фуллеренами в процессе их получения, показывает, что
при таком способе обработки происходит закрепление
фуллеренов в объеме материала. Это подтверждается
спектрофотометрическим исследованием содержания
фуллеренов в о-ксилоле, с использованием которого
производилось экстракционное извлечение фуллеренов из модифицированных материалов. При обработке
о-ксилолом «поверхностно» модифицированного адсорбента, фуллерен количественно переходит в раствор экстракта, а при обработке «объемно» модифицированного материала, концентрация фуллерена в
растворе о-ксилола равна нулю, в пределах точности
данного метода. Увеличение количества модификатора
в «объемно» модифицированном материале приводит
к тому, что фуллерен не только закрепляется в структуре силикагеля, но и частично располагается на поверхности материала, тем самым, повышая вероятность контакта между фуллереном и бактериями, что
приводит к их гибели (таблица). Максимально бактерицидные свойства материала проявляются при «поверхностном» модифицировании, когда бóльшая часть
молекул фуллерена закрепляется во внешних слоях
микрочастиц, образующих глобулярную структуру силикагеля.
Литература
1. Мосин О.В. Загрязнение воды. URL6
http://www.o8ode.ru/article/planetwa/zagraznenie_vody.h
tm. Дата обращения 28.07.2011
2. Терентьев В.И. Инженерные системы безопасного водоснабжения и водоотведения городов и
населенных мест. СПб.: Гуманистика, 2002. 221 с.
3. Яковлев С.В, Воронов Ю.В. Водоотведение и
очистка сточных вод / Учебник для вузов. М.: АСВ,
2002. 704 с.
4. Скворцевич Е.Г., Романов Р.В. Биологические
эффекты фуллеренов. // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. 2002. № 1. С.
32-36.
5. Shinazi R.F., Siybesma R., Sradnov G.A. Synthesis and virucidal activity of a water-soluble, configurationally, stable, derivatized C60 fullerene Antimikrob. // Agents
chemother. 1993. V. 37, № 8. P. 1707-1710.
6. Самонин В.В., Никонова В.Ю., Спиридонова
Е.А., Подвязников М.Л. Материалы на основе фуллеренов для комплексной очистки воды // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. Т. 44, № 6. С. 34-38.
7. Самонин В.В., Никонова В.Ю., Ким А.Н., Грун
Н.А. Модифицирование активных углей фуллеренами и
их исследование в процессах кондиционирования водопроводной воды в режиме сорбция – регенерация //
Известия СПбГТИ(ТУ). 2010. № 8(34). С. 77-80.
8. Подвязников М.Л., Самонин В.В., Спиридонова Е.А., Никонова В.Ю. Получение и свойства фуллерен-силикагелей // Химическая промышленность сегодня. 2008. №10. С. 24-30.
9. Самонин В.В., Никонова В.Ю., Спиридонова
Е.А. Влияние модифицирующих фуллереновых добавок
на бактерицидные свойства активированных углей //
Альтернативная энергетика и экология. 2006. №2. C.
59-62.
10. Методические указания 2.1.4.559-96 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
централизованных систем питьевого водоснабжения.
Контроль качества". Государственный комитет санитарно-эпидемиологического надзора РФ 20 декабря
1997 г. N СанПиН 2.1.4.559-96. Утверждены решением
Госкомсанэпиднадзора РФ от 20 декабря 1997 года.
Дата введения: с 1 января 1998 года.
11. Khaydarov R.A, Khaydarov R.R., Estrin Y., Cho
S., Scheper T, and Endres C, «Silver nanoparticles: Envi-
ronmental and human health impacts», Nanomaterials:
Risk and Benefits, Series: NATO Science for Peace and
Security Series C: Environmental Security. Springer. 2009.
P. 287-299.
12. Самонин В.В., Подвязников М.Л., Никонова
В.Ю., Спиридонова Е.А., Шевкина А.Ю. Сорбирующие
материалы, изделия, устройства и процессы управляемой адсорбции. СПб: Наука, 2009. 271 с.
13. Подосенова Н.Г., Седов В.М., Кузнецов А.С.,
Князев А.С. Новые сорбенты для электронно-обменной
адсорбции липопротеидов низкой плотности // Журн.
Физ. химии. 1999. Т. 73, № 1. С. 103-106.
14. Самонин В.В., Подвязников М.Л., Спиридонова Е.А., Никонова В.Ю., Дорофейков В.В., Кузнецов
А.С. Применение наноуглерода фуллероидного типа в
медицине. Тез. докл. на Всероссийской научнопрактической конференции с международным участием «Высокотехнологичные методы диагностики и лечения заболеваний сердца, крови и эндокринных органов» Санкт-Петербург 23-24 мая 2008 г. // Артериальная гипертензия. 2008. Т. 14, № 1. С. 111.
15. Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных
водных объектов: метод. указ. М.: 2005. 75 с.