CC BY
41
Серия «Биология. Экология»
2008. Т. 1, № 1. С. 22-25 Онлайн-доступ к журналу: http://isu. ru/izvestia
И З В Е С Т И Я
Иркутского
государственного
университета
УДК 577.355; 62.01.94
Эффективность инактивации бактерий в воде УФ излучением эксилампы
Г. Г. Матафонова1, С. А. Астахова1, В. Б. Батоев1, M. Gomez2, N. Christofi3
1 Байкальский институт природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ
2 University of Murcia, Murcia, Spain
3 Napier University, Edinburgh, UK E-mail: [email protected]
Аннотация. Установлена эффективность инактивации различных бактерий при 102-107 КОЕ/мл в воде УФ излучением KrCl эксилампы при 222 нм без присутствия и в присутствии H2O2. Полная инактивация E. coli O157:H7 и S. aureus при 102-105 КОЕ/мл достигнута в течение 15 с облучения. Найдено, что константы скорости УФ/Н202 инактивации B. subtilis и B. cereus в два раза выше констант при УФ обработке без Н202. Эффект Н202 при облучении 107 КОЕ/мл Bacillus sp. и S. pyogenes не обнаружен.
Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, эксилампа, пероксид водорода, бактерии, инактивация, вода.
Для обезвреживания патогенных микроорганизмов в воде перспективно использование новых окислительных технологий на основе совместного действия ультрафиолетового (УФ) излучения и сильных окислителей, например, пероксида водорода (Н202) [5]. Эксилампы являются современными безртутными источниками УФ излучения, получаемого за счет распада эксимерных (димеров инертных газов или галогенов) или эксиплексных (галогенидов инертных газов) молекул. Спектр излучения экси-ламп, в отличие от ртутных ламп, представляет собой узкую полосу соответствующей молекулы, в которой может быть сосредоточено более 80 % от общей мощности излучения [1]. Инак-тивационный эффект УФ излучения эксиламп в присутствии Н202 представляет большой научный и технологический интерес, поскольку может быть использован для экспрессного обеззараживания водных сред. Целью работы являлось изучение эффективности инактивации бактерий в воде с помощью УФ излучения экси-лампы без и в присутствии пероксида водорода (УФ/Н2О2).
Материал и методы
В таблице представлены тестовые бактериальные штаммы и условия их культивирования для последующего облучения. Штамм B. cereus выделен из пруда-аэратора Байкальского ЦБК как деструктор 2,4-дихлорфенола и идентифицирован нами ранее [2]. Остальные штаммы
предоставлены университетом Нэйпер (Эдинбург, Великобритания).
Источником УФ излучения являлась эксилампа барьерного разряда на молекулах KrCl, излучающая на длине волны 222 нм. Вегетативные клетки каждого тест-штамма были приготовлены в стерильной воде из соответствующих односуточных культур методом предельных разведений. Полученные бактериальные суспензии, содержащие от 102 до 107 КОЕ/мл (N0), последовательно облучали в кювете в течение 5-300 с при температуре 23-25 °C. Интенсивность УФ излучения при данных условиях составила 1,95 мВт/см2.
При обработке по схеме УФ/Н202, 100 мкл раствора H2O2 помещали в кювету перед внесением бактериальной суспензии. После облучения 100 мкл аликвоты высевали в чашки Петри с агаризованным питательным бульоном и инкубировали при 28 °C (B. cereus и B. subtilis) или 37 °C (E. coli 0157:H7, S. aureus и S. pyogenes) в течение 24 ч в 3-5 повторностях для определения числа КОЕ выживших клеток (N).
Результаты и обсуждение
На рисунке представлены зависимости logio(N) от продолжительности облучения KrCl эксилампой без и в присутствии H2O2. Определены константы скорости инактивации первого порядка (k) для линейных зависимостей с коэффициентами корреляции 0,95-0,99 (не приведены).
Нелинейные зависимости наблюдались при высоких значениях N0 (106-107 КОЕ/мл) практически для всех тест-организмов, что можно объяснить эффектом экранирования, обусловленным поглощением и рассеянием излучения. Полная инактивация E. coli O157:H7 и S. aureus УФ излучением без H2O2 при 102-105 КОЕ/мл наблюдалась уже в течение 15 с (29,2 мДж/см2),
о чем свидетельствуют высокие значения констант (k > 1). При максимальной N0 (107КОЕ/мл) доза 351 мДж/см2 (180 с) в присутствии H2O2 обеспечивала снижение числа клеток S. aureus на 5,5 порядка (99,9 %). После обработки E. coli O157:H7 при этих же условиях достигнута эффективность инактивации 100 %. Облучение без H2O2 в течение 180 с было также более эффективно для E. coli O157:H7 (снижение на 5,2 порядка) по сравнению с S. aureus (снижение на 3,3 порядка). На наш взгляд, это может быть обусловлено большей степенью поглощения и рассеяния излучения на двумерных цепочках и трехмерных кластерах (агломератах), которые, как известно, образуют клетки S. aureus (а также S. pyogenes) при их высоких концентрациях в воде. Для достижения полной инактивации обоих видов при 106 КОЕ/мл по схеме UV/H2O2 потребовалось только 30 с.
В случае Bacillus sp. при 102-104 КОЕ/мл константы скорости инактивации по схеме УФ/ H2O2 были в два раза выше, чем константы без H2O2. Полная инактивация B. subtilis при 102103 КОЕ/мл наблюдалась уже после 5 с облучения (9,7 мДж/см2). Исходная численность Bacillus sp. при 106 КОЕ/мл после облучения в течение 300 с (585 мДж/см2) снизилась на 4,0 (B. cereus) и 3,6 порядка (B. subtilis).
После комбинированной обработки УФЩ2С2 отмечен рост лишь двух колоний B. subtilis, тогда как в случае B. cereus рост не выявлен.
Видимый эффект H2O2 после комбинированной обработки Bacillus sp. при 107 КОЕ/мл не наблюдался, о чем также сообщалось по отношению к энтеробактериям [5]. В этом случае эффективность инактивации составила 99,9 %
после 300 с облучения. Подобная закономерность была установлена и для S. pyogenes при высокой исходной численности (106-107 КОЕ/мл). При более низких величинах N0 (104-105 КОЕ/мл) эффект Н202 также не отмечен, что отражается близкими значениями констант скорости инактивации. В течение первых 10 с облучения наблюдалась выраженная резистентность S. pyogenes.
Известно, что в результате фотолиза Н202 генерируются реакционноспособные гидроильные радикалы (0№), инактивирующие клетку по двум основным механизмам: 1) окисление и разрушение клеточной стенки и мембраны с последующей дезинтеграцией клетки; 2) их диффузия в клетку, приводящая к инактивации ферментов, повреждению органелл, нарушению синтеза белка и т. д. [5]. Причем наибольший выход OH генерируется излучением в области 200-280 нм [4]. Поскольку максимум поглощения Н202 составляет 220 нм, целесообразно использовать УФ лампы, излучающие в диапазоне 210-240 нм. Однако Н202 может абсорбировать фотоны при 222 нм и действовать как светофильтр. С другой стороны, это может способствовать увеличению выхода OH и, тем самым, повышать эффективность дезинфекции. В целом, заметное уменьшение эффекта Н202 при увеличении N0 можно отметить для Bacillus sp., тогда как для остальных тест-организмов это не установлено.
Заключение
Эффективность инактивации составила 99,9 % после облучения бактериальных суспензий в течение 5-300 с, несмотря на экранирование при 106-107 КОЕ/мл. Эффект комбинированной обработки UV/H202 зависит от тест-организма, его исходной численности в воде и имеет потенциал при обработке воды, содержащей до 105 КОЕ/мл и имеющей относительно низкие коэффициенты поглощения.
Таблица
Тест-штаммы и условия культивирования
Штамм Условия культивирования в питательном бульоне, 180 об/мин
Bacillus cereus BIP507 28 °С, аэробно, 1 сут
Bacillus subtilis NCIMB 3610 28 °С, аэробно, 1 сут
Escherichia coli O157:H7 NCTC 12900 37 °С, аэробно, 1 сут
Staphylococcus aureus NCIMB 6571 37 °С, аэробно, 1 сут
Streptococcus pyogenes NCIMB 8884 37 °С, аэробно, 1 сут
24
Г. Г. МАТАФОНОВА, С. А. АСТАХОВА И ДР.
E. coli O157:H7
Продолжительность облучения (с)
S. aureus
Продолжительность облучения (с)
Продолжительность облучения (с)
-Х--
-Д—
-о--
-о--
Продолжительность облучения (с)
.0+e2 (УФ)
.0+e4 (УФ)
.0+e6 (УФ)
.0+e3 (УФ)
.0+e5 (УФ)
.0+e7 (УФ)
.0+e3 (UV/H2O2) .0+e5 (UV/H2O2) .0+e7 (UV/H2O2) .0+e2 ^/H2O2) .0+e4 (УФ/H202) .0+e6 (УФ/H202)
Продолжительность облучения (с)
Рис. Кривые выживания клеток E. coli O157:H7, S. aureus, B. cereus, B. subtilis и S. pyogenes в воде после УФ облучения без и в присутствии пероксида водорода
Известия Иркутского государственного университета
Литература
1. Ломаев М. И. Эксилампы - эффективные источники спонтанного УФ- и ВУФ-излучения / М. И. Ломаев, В. С. Скакун, Э. А. Соснин и др. // Успехи физ. наук. - 2003. - Т. 173, № 2. - C. 201-217.
2. Матафонова Г. Г. Bacillus cereus - микроорганизмы-деструкторы 2,4-дихлорфенола / Г. Г. Матафонова, В. Б. Батоев, Г. С. Ширапова, G.-W. Kohring, F. Giffhorn, В. Ж. Цыренов // Изв. РАН. Серия биол. -2007. - № 5. - С. 534-538.
3. Koivunen J. Inactivation of enteric microorganisms with chemical disinfectants, UV irradiation and
combined chemical / UV treatments / J. Koivunen, H. Heinonen-Tanski // Water Research. - 2005. - № 39. -P. 1519-1526.
4. Litter, M. I. Introduction to photochemical advanced oxidation processes for water treatment / Litter, M. I. // Handbook of Environmental Chemistry. -2005. - Vol. 2. - Part M. - P. 325-366.
5. Mamane H. Inactivation of E. coli, B. subtilis spores, and MS2, T4, and T7 phage using UV/H2O2 advanced oxidation / H. Mamane, H Shemer, K. G. Linden // J. of Hazardous Materials. - 2007. - Vol. 146, № 3. - P. 479-486.
Efficiency of inactivation of bacteria in water using uv radiation of excilamp
G. G. Matafonova1, S. A. Astakhova1, V. B. Batoev1, M. Gomez2, N. Christofi3
1 Baikal Institute of Nature Management SB RAS, Ulan-Ude
2 University of Murcia, Murcia, Spain
3 Napier University, Edinburgh, UK
Abstract. The efficiency of inactivation of bacteria at initial populations of 102-107 CFU/ml in water by UV radiation of KrCl excilamp at 222 nm with and without hydrogen peroxide has been studied. At populations of 102-105 FU/ml the total inactivation of E. coli O157:H7 and S. aureus was achieved during 15 s of irradiation. The UV/H2O2 inactivation rate constants for B. subtilis and B. cereus were two times higher than those observed for UV treatment alone. No effect of H2O2 was observed at 107 CFU ml-1 for Bacillus sp. and S. pyogenes.
Key words: ultraviolet radiation, excilamp, hydrogen peroxide, bacteria, inactivation, water.
Матафонова Галина Георгиевна Байкальский институт природопользования СО РАН, Аналитический цент 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 кандидат биологических наук, научный сотрудник, тел.: (3012) 60-25-68.
Е-mail: [email protected]
Астахова Светлана Александровна,
Байкальский институт природопользования СО РАН 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, ведущий инженер тел.: (3012) 60-25-68.
Батоев Валерий Бабудоржиевич Байкальский институт природопользования СО РАН,
670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, доктор биологических наук, заведующий аналитическим центром тел.: (3012) 60-25-68, (3012) 33-61-04,
Е-mail: [email protected]
Maria Gomez
University of Murcia, Campus de Espinardo,
Murcia 30071, Spain
PhD, Chemical Engineering Department
Nick Christofi
Pollution Research Unit, School of Life Sciences, Napier University,
Edinburgh EH10 5DT, Scotland, UK PhD, Professor
Matafonova Galina Georgievna Baikal Institute of Nature Management SB RAS, Analitical Center 670047, Ulan-Ude, 6, Sakhyanovoi St.
Ph. D. in Biology, research scientist phone: (3012) 60-25-68 Е-mail: [email protected]
Astakhova Svetlana Aleksandrovna Baikal Institute of Nature Management SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 6, Sakhyanovoi St. leading engineer phone: (3012) 60-25-68.
Batoev Valery Babudorzhievitch
Baikal Institute of Nature Management SB RAS,
670047, Ulan-Ude, 6, Sakhyanovoi St.
D. Sc. in Biology, Head of Analitical Center phone: (3012) 60-25-68, (3012) 33-61-04 Е-mail: [email protected]
Maria Gomez, PhD
University of Murcia, Campus de Espinardo
Murcia 30071, Spain
Chemical Engineering Department
Nick Christofi
Pollution Research Unit, School of Life Sciences, Napier University
Edinburgh EH10 5DT, Scotland, UK PhD, Professor
