CC BY
45
УДК 537.52:614.48
Р.В. Якушин*, В.А. Бродский, В.А. Колесников, Е.С. Бабусенко, А.В. Чистолинов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНАКТИВАЦИИ В ВОДЕ УСЛОВНО ПАТОГЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ BACILLUS SUBTILIS ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ
Исследовано влияние барьерного и искрового разрядов на воду, содержащую клетки сенной палочки (Bacillus subtilis). Показано снижение концентраций жизнеспособных клеток микроорганизмов после обработки суспензий. Отмечена разница эффективности обеззараживания электроразрядов.
Ключевые слова: очистка воды; обеззараживани; барьерный разряд; искровой разряд; сенная палочка
Распространение наиболее часто встречающихся инфекционных заболеваний в воде связано с несоответствием режимов обеззараживания санитарно-гигиеническим нормам. С питьевой водой могут передаваться бактериальные (холерный вибрион, сальмонеллы, иерсинии), вирусные (энтеровирусы, вирусы гепатита А, ротавирусы) и протозойные (кишечные амебы, лямблии) инфекции.
Наиболее распространенными методами обработки воды с целью ее обеззараживания на сегодняшний день являются хлорирование и озонирование. Применение химических реагентов в процессе водоподготовки не лучшим образом сказывается на качестве воды, так как после обработки в ней могут оставаться продукты неполного окисления.
В настоящее время особое внимание уделяется развитию высокоэффективных окислительных технологий водоподготовки воды, в которых отсутствует введение в воду химических реактивов. К безреагентным относятся методы обработки воды, воздействие в которых осуществляется посредством ультрафиолетового и ультразвукового излучения, кавитации и импульсных электрических разрядов.
Обработка жидкости неравновесной
низкотемпературной плазмой является
перспективным методом обеззараживания воды [1].
Метод, исследуемый в данной работе, заключается в создании электрического поля высокой напряженности и формировании разряда на границе сред воздух-вода. Электроразряд провоцирует эффективные электронно-молекулярные
столкновения, сопровождающиеся накоплению в жидкой фазе активных окислителей с различным временем жизни (пероксид водорода (H2O2), гидроксил-радикалы (НО), гидропероксид-радикалы
дат
Гидроксил-радикал, образующийся при искровом и барьерном разрядах, известен как один из наиболее сильных окислителей. Окислительно-
восстановительный потенциал ОН-радикалов достегает значения 2,8 эВ, частицы хорошо растворимы в воде и имеют время полураспада порядка 10-9с [3, 4].
Противомикробное действие электроразрядной плазмы обусловлено рядом факторов: генерацией ОН-радикалов, УФ-излучением, образования ударных волн.
В работе проведены сравнительные исследования противомикробного воздействия электроразрядной плазмы на клетки сенной палочки. Bacillus subtilis -палочковидная, грамположительная бактерия, обладающая способностью формировать эндоспоры. Является типичным представителем рода бацилл, относящихся к условно-патогенным бактериям, вызывающим токсикоинфекции и язвенные образования у человека.
Обработка модельных растворов проводилась искровым и барьерным разрядами. Организация искрового типа разряда осуществлялась посредствам использования реактора электроразрядной плазмы, обеспечивающего тангенциальную подачу среды и течение тонкого слоя жидкости по внутренней стенке корпуса [2]. Разряды возникали в пространстве между центральным стержневым электродом и корпусом реактора. Формирование электрического поля в реакторе обеспечивали за счет подведения напряжения от высоковольтного источника импульсного питания. Частота переменного напряжения на выходе источника питания составляла 45 кГц, амплитуда 6 кВ. Электрофизические характеристики источника питания контролировали осциллографом [2].
Организация барьерного типа разряда осуществлялась в реакторе аналогичной конструкции, отличающегося тем, что его центральный электрод был изолирован диэлектрическим стеклянным барьером и имел водяное охлаждение в виде проточного электролита. Подобный тип организации разряда является эффективным способом генерации активных окислителей гидроксил-радикалов и озона в воздухе
[5].
Для организации барьерного типа разряда использовался тот же источник питания, что и для организации разряда искрового типа. Скорость потока жидкости через реакторы подбиралась таким образом, чтобы обеспечить одинаковый энерговклад
на единицу массы проточной жидкости в единицу времени в обоих реакторах. Обработка осуществлялась циклически. Объем обрабатываемой жидкости подбирался так, чтобы один цикл обработки в обоих реакторах составлял 1 мин.
Концентрация вегетативных клеток Bacillus subtilis в модельных растворах составляла Ы04 КОЕ/мл, что отражает кривая 1 на рисунке 1.
Зависимость концентрации клеток бацилл в воде от времени воздействия барьерного разряда описывается кривой 2 на рисунке 1. За первые две минуты воздействия концентрация уменьшилась в 3 раза, а десятикратная обработка позволила инактивировать более 99% бактерий.
Рис. 1. Зависимость натурального логарифма концентрации сенной палочки (Bacillus subtilis) (КОЕ/мл) от времени воздействия (мин): 1 - без электроразрядной обработки; 2 - барьерный разряд; 3 - искровой разряд.
Искровой разряд оказался неэффективным в отношении грамположительных бактерий Bacillus subtilis (кривая 3, рисунок 1). Подобный результат может быть связан со способностью образовывать этими микроорганизмами устойчивые к физическими факторам воздействия эндоспоры.
На рисунке 2 представлены фотографии высевов суспензий Bacillus subtilis до электроразрядной обработки (а) после 10 минут обработки барьерным (б) и искровым (в) разрядами, а так же контрольный высев суспензии после 10 минут циркуляции через установку электроразрядной обработки в отсутствие электрического разряда (г).
Противомикробное действие электроразрядной обработки воды обусловено окислительной деструкцией и нарушением целостности клеточных мембран под действием химически активных
окислителей. Предполагается, что диффундирующие в обрабатываемый раствор окислители проникают внутрь клетки микроорганизма и вступают в реакцию с жизненно важными макромолекулами, участвующими в обменных процессах. При этом может происходить окисление аминокислот и протеинов, деполяризация нуклеиновых кислот, расщепление других биологически активных веществ.
Дополнительным фактором повреждения клеточной мембраны бактерий под действием искрового и барьерного разрядов являются ударные волны, способные интенсифицировать химические процессы полимеризации, обрыва химических связей в клетке.. Более того, имеет место разрыв самого тела бактерии.
Рис. 2. Фотографии чашек Петри с клетками сенной палочки (Bacillus subtilis): а - высев исходной суспензии; б -высев суспензии после 10 минут обработки барьерным разрядом; в - высев суспензии после 10 минут обработки искровым разрядом; г - контроль в течение 10 минут без разряда
В результате проведенного эксперимента исследования взяты санитарно-показательные
показан противомикробный потенциал метода микроорганизмы Escherichia coli (кишечная палочка). обработки воды барьерным разрядом при высоких Работа выполнена при финансовой
концентрациях вегетативных клеток сенной палочки. поддержке Минобрнауки России в рамках проектной Полученный результат согласуется с нашими части государственного задания в сфере научной ранними работами, где в качестве объекта деятельности № 10.2093.2014/К.
Якушин Роман Владимирович, аспирант кафедры композиционных материалов и технологий защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Бродский Владимир Александрович, к.х.н., с.н.с. каф. ТЭПРХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Колесников Владимир Александрович, д.т.н., проф., ректор РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Бабусенко Елена Сергеевна, к.б.н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Чистолинов Андрей Владимирович, ст. инженер лаборатории "Сорбент", РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Якушин Р.В., Бродский В. А., Колесников В. А., Бабусенко Е.С., Чистолинов А.В. Эффективность инактивационного воздействия барьерного и искрового разрядов на Escherichia coli // Успехи в химии и химической технологии. - 2014. - Т. 28. - № 5 (154). - с. 78-80.
2. Якушин Р.В., Бродский В.А., Колесников В.А., Чистолинов А.В., Певгов В.Г. Исследование влияния разрядов низкотемпературной плазмы на валентное состояние переходных металлов в водных растворах и перспективы применения метода в процессе водоподготовки //Вода: химия и экология. - 2014. - № 3 (69), с. 89 - 95.
3. Евсеева Л.К. Качество воды, санитарное состояние водоемов /Л.К. Евсеева // ЖКХ . - 2003. - № 3. -с. 9-11.
4. Патент 2448768 РФ / Певгов В.Г. Способ плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения и устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения Заявлено 28.07.2010. Опубликовано 27.04.2012.
5. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с.
Yakushin Roman Vladimirovich*, Brodskyi Vladimir Aleksandrovich, Kolesnikov Vladimir Aleksandrovich, Babusenko Elena Sergeevna, Chistolinov Andrey Vladimirovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
THE STUDY OF INFLUENCE OF ELECTRIC-DISCHARGE ON INACTIVATION OF PATHOGENIC MICROORGANISMS BACILLUS SUBTILIS IN WATER
The influence of the barrier and spark discharges in water containing cells of hay Bacillus (Bacillus subtilis) was investigated. The decrease in the concentration of viable cells of microorganisms after treatment of suspensions has been shown. There is a difference in the efficiency of disinfection of discharges.
Key words: water purification; barrier discharge; spark pulse discharge; Bacillus subtilis
