CC BY
122
УДК614.7;537.56;579.63 СТЕРИЛИЗАЦИЯ МИКРОФЛОРЫ ВОЗДУХА ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ С
ПЕРЕЗАРЯДКОЙ ЧАСТИЦ
А.Г. Варехов1
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
В статье обосновывается возможность использования электрополевых воздействий на микрофлору (одиночно живущие бактериальные клетки и споры плесневых грибов) воздуха жилых помещений с целью ее инактивации. Показывается, что для стерилизации биологически активных аэродисперсных систем (биоаэрозолей) невозможно применение часто используемых для этих целей эффектов протекания в водных средах, содержащих микроорганизмы, постоянного или импульсного электрического тока. Приводятся результаты экспериментальных исследований, показывающие возможность высокоэффективной инактивации биологических частиц в результате их зарядки и перезарядки в потоке через последовательно соединенные камеры с коронным разрядом противоположных знаков. Получены значения параметров устройств (разрядные токи, скорость движения потока и другие), необходимые для реализации способа.
Ключевые слова: внутренний воздух, биоаэрозоль, стерилизация, коронный разряд, зарядка и перезарядка частиц.
MICROFLORA'S STERILIZATION OF AIR PREMISES WITH THE RECHARGE OF PARTICLES
A.G.Varekhov
St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21.
There is substantiated possibility of use of electrofield impacts on air microflora (single living bacterial cells and spores of allergenic fungi) of living accommodations for the purpose of its inactivation in article. It is shown impossibility of application of direct or impulse current flowing effects for sterilization of biologically active aero disperse systems (bioaerosols) in the water environments containing microorganisms, which often used for these purposes. The results of the pilot studies showing possibility of a highly effective inactivation of biological particles as a result of their charging and a recharge in a stream through consistently connected cameras with the corona discharge of opposite signs are given. Values of parameters of devices (digit currents, speed of movement of a stream and others), necessary for realization of a way are received.
Keywords: indoor air, bioaerosol, sterilization, corona discharge, charging and recharge of particles
Чувствительность клеток или целостных организмов в отношении электрического поля сама по себе вполне естественна, поскольку электрическое поле всегда было действующим фактором в эволюции биологических систем любого уровня [1]. Известно, например, что отсутствие естественного электрического поля напряженностью 200-400В ■ м _ 1 приводит к угнетению жизненных функций культуры почвенных микроорганизмов B.subtilis [2]. Отсутствие естественного электрического поля в современных железобетонных зданиях, экранирующих поле, приводит к нарушению циркадных ритмов у человека [3].
Использование электрических полей для преципитации частиц и инактивации микроорганизмов, взвешенных в воздухе, началось достаточно давно. Однако широкое понимание процессов, происходящих при этом, особенно при использовании электрических воздействий для инактивации микроорганизмов, не позволяло рационально подойти к вопросам разра-
ботки и проектирования технических устройств.
Действие электрического тока на водные клеточные суспензии или на культуры клеток в физиологических жидкостях применяется также достаточно давно. Многие промышленные пищевые технологии используют импульсное электрическое поле для инактивации загрязняющих жидкости (воду) микроорганизмов [4]. Протекание тока в проводящем биологическом материале (тканевых электролитах) использовалось для заживления ран, сращивания костей и в других полезных терапевтических методах. Очень широкий спектр эффектов слабого постоянного тока (0,008 ^ 0,08 миллиампера), включая разрушение клеток, описали Петерфи и Уильямс [5] уже 80 лет назад.
В последнее время возник интерес к эффекту электропорации [6] клеточных мембран при протекании электрического тока, то есть образованию очень тонких (диаметром 0,5 нм) трансмембранных каналов или пор. Эти каналы могут быть использованы для транс-
порта в клетки лекарственных препаратов, экстракции из внутриклеточного объема нежелательных продуктов клеточного метаболизма, межклеточного обмена генетической информацией и многих других целей, включая стерилизацию микроорганизмов. Этот эффект привлек массовое внимание косметологов, занятых проблемами омоложения. В этих процедурах действующим фактором является электрический ток, протекающий в тканевых электролитах, но никак не электрическое поле, как это часто и совершенно безосновательно постулируется.
Диэлектрические аэродисперсные системы, содержащие биологически активные компоненты (бактерии и споры грибов), и прежде всего, воздух жилых помещений, напротив, могут быть подвержены действию электрического поля, но не электрического тока. При этом взвешенные в воздухе одиночно живущие бактериальные клетки и сухие споры аллергенных грибов могут быть столь же опасными, как и при контакте с водными системами.
Санитарное состояние воздуха жилых помещений определяется такими бактериальными компонентами, как S. aureus (золотистый стафилококк), Str. viridans и Str. haemolyticus (зеленящий и гемолитический стрептококки), Sarcina lutea и другие виды сарцин, Candida albicans и другие виды рода Candida, а также присутствием многочисленных представителей (например, B.subtilis) почвенных микроорганизмов. Аллергенные грибы в Санкт-Петербурге, как и во многих других городах, представлены, в основном, P.chrisogenum,
A.niger и Rhizopus nigricans. A. niger известен, кроме того, как наиболее эффективный деструктор неметаллических материалов (пластмасс, резин, дерева, герметиков, клеев, лакокрасочных покрытий и многих других).
Недостаточная вентиляция, особенно, на верхних этажах зданий, отсутствие вентиляционных отверстий в жилых комнатах, понижение воздухообмена вследствие использования герметичных пластиковых стеклопакетов, повышенная влажность, отсыревшие бумажные обои и другие факторы способствуют развитию различных патологий [7]. Стандартные бытовые кондиционеры часто оказываются местами роста плесневых грибов [8] или смертельно опасной бактерии Legionella pneumophila. Нормой содержания в воздухе спор принято считать значение 500 колониеобразующих единиц (КОЕ) в кубическом метре, но в нижних этажах некоторых старых домах в Санкт-Петербурге это значение может доходить до 40 000 КО Е ■ м - 3.
Рыночная номенклатура устройств, предназначенных для очистки и обеззараживания воздуха жилых помещений, достаточно обширна, однако их декларируемая эффективность может быть сильно преувеличена. Характерно, что Федеральная Торговая Комиссия -независимое агентство правительства США,
защищающее права потребителей, - с 1995-го года запретила производителям оборудования для очистки и обеззараживания воздуха жилых помещений заявлять в своих рекламах, что производимые ими устройства экстремально эффективны, не производят побочных вредных продуктов и облегчают условия жизни для людей, подверженных действию аллергенов, астматиков и т.д.
Методы стерилизации воздуха жилых помещений можно разделить на несколько основных существенно отличающихся друг от друга типов.
1.Обработка воздуха озоном, являющимся сильным окислителем и оказывающим губительное действие на все микроорганизмы. Для производства озона используется тлеющий барьерный разряд, который для промышленного производства озона впервые использовал и запатентовал соответствующее устройство («озонатор Сименса») Вернер Сименс в 1857-м году. Проблема озонирования воздуха помещений с целью стерилизации микрофлоры заключается в том, что эффективная с точки зрения инактивации микроорганизмов концентрация озона во много раз превышает предельно допустимую концентрацию для человека.
2. Высокоэффективная фильтрация частиц, включая биологические частицы, общеизвестная как HEPA (High Efficiency Particulate Air), неэффективна с точки зрения стерилизации, если она не сопряжена с дополнительным аппаратным комплексом, предназначенным специально для этой цели. Напротив, осадки биологических частиц в таких системах, как правило, становятся очагами реинфекции воздуха микроорганизмами.
3.Ультрафиолетовое излучение (ртутная линия 253,7 нм), эффективность которого объясняется тем, что излучение в этой области хорошо поглощается ДНК микроорганизмов. Метод оптимален и широко используется для операционных отделений больниц, но практически непригоден для жилых помещений.
4.Использование действия электрического тока на осадки частиц в фильтрующих устройствах. Единственное используемое в медицинских учреждениях РФ изделие «Поток 150М- 01» имеет экстремально высокую эффективность в отношении фильтрации и стерилизации, однако технологические детали этих процессов нигде не обсуждаются.
5.Ионизация воздуха помещений с использованием коронного разряда, обеспечивающая, хотя и достаточно медленно, эффективное освобождение воздуха помещений от всех примесей. Метод не оказывает специфического стерилизующего эффекта. При умеренной производительности ионного источника производство озона и уровень УФ-излучения могут быть сведены к минимуму. Экспериментально показано [9], что при уровне напряжения на электродах коронных излучателей до 10 кВ производство озона не превосходит значения ПДК
(0,1 мг м"3)), а суммарное производство окислов азота NОх в десятки раз ниже ПДК (5,0 мг м"3).
С целью получения стерилизующего эффекта при использовании последнего из перечисленных методов мы исследовали влияние зарядки и перезарядки в коронном разряде частиц биоаэрозоля (клеток). Можно предположить, что такое воздействие на состояние клеточной поверхности и развивающиеся после воздействия вторичные эффекты могут оказаться гибельными для клетки, но не эквивалентны эффектам, которыми сопровождается протекание тока проводимости в клеточных суспензиях. Отметим также, что перезарядка оставляет частицы заряженными и, таким образом, способствует осаждению инактивированных частиц на поверхностях, ограничивающих помещение.
Устройство для обеззараживания (стерилизации) клеток, взвешенных в воздухе, представляло собой две зарядные камеры на основе коронного разряда обоих знаков, положительного и отрицательного. Обе камеры располагались последовательно друг за другом в трубе, через которую продувался воздух с взвешенными в нем клетками. Каждая камера имела простую коаксиальную конструкцию и представляла собой короткий металлический цилиндр длиной 10 миллиметров и диаметром 40 миллиметров и центральную коронирую-щую иглу, расположенную на оси цилиндра. Небольшая длина цилиндров была оптимальной для того, чтобы свести к минимуму потерю клеток за счет их осаждения (преципитации) и одновременно получить заряд частиц, близкий к предельному.
Использовались клетки Candida albicans, Staphylococcus aureus, Escherichia Coli и Sarcina lutea, непрерывно генерируемые источником - стандартным атомизатором. Концентрация клеток находилась в пределах 106 -107 см 3 и определялась с помощью стандартного щелевого импактора с вращающейся чашкой Петри.
Для измерения заряда частиц (клеток) использовался следующий простой метод. Воздух, содержащий заряженные частицы, прокачивался через хорошо изолированный электрически металлокерамический цилиндр с размерами пор не более 1 микрона с последующим измерением потенциала электрода - цилиндра с помощью чувствительного электростатического вольтметра. Для расчетов заряда использовался начальный линейный участок кинетической кривой. Точное измерение заряда в каждом случае требовало детального анализа временного хода потенциала и знания электрической емкости, в том числе собственной емкости вольтметра и полной емкости измерительной системы. Число клеток (при условии, что все они задерживались измерительным электродом) определялось как произведение объема воздуха и клеточной концентрации. Этот метод давал очень точные значения заряда, ограничи-
ваемые по точности только измерениями концентрации.
Коэффициент стерилизации определялся посредством отбора проб непосредственно из генератора и после стерилизатора, для чего использовались одновременно два щелевых импактора, скомпенсированные по параметрам. Для получения надежных данных каждый эксперимент включал 15 ^ 20 образцов. Коэффициент стерилизации определялся как отношение исходной концентрации клеток к конечной концентрации (табл. 1).
Таблица1 - Результаты измерения коэффициента стерилизации
Напряжение на электродах обеих зарядных камер составляло 12кВ; ток отрицательной короны i_ = 35 мкА; ток положительной короны i+=25 мкА; объемный расход воздуха составлял 2,4 м в час; последовательность изменения знаков зарядки от (+) к (—). Коэффициент стерилизации определялся выражением, полученным исходя из простых вероятностных соображений:
Кст = 1 — ( 1 — К* )( 1 — К)( 1 — Кз )( 1 — К4),
где коэффициент, учитывающий инакти-
вацию под действием озона и ультрафиолета, сопровождающих коронный разряд; инактивация в результате прямого действия электрического поля; потеря частиц вслед-
ствие преципитации (осаждения); К4 — инактивация за счет перезарядки. Таким образом, каждый из этих коэффициентов имеет смысл вероятности инактивации при действии каждого из факторов в отдельности и при условии их независимого действия. Для определения стерилизующего действия озона ( ) поверхность
предварительно засеянных чашек Петри подвергалась действию озонированного воздуха, полученного из стерилизатора. Для этого также и в тех же условиях использовался щелевой импактор: сначала для засева чашек, а затем для обработки посевного материала озонированным воздухом. Коэффициент К определялся по уменьшению числа колоний на обработанных озоном чашках по отношению к числу контрольных колоний. Стерилизующий эффект электрического поля ( ) определялся путем
исключения коронного разряда при сохранении картины электростатического поля. Эффект фильтрации ( ) измерялся с помощью стан-
дартного лабораторного нефелометра. Например, значения коэффициентов для
культуры Candida albi., полученные экспериментально, оказались равными:
. Соответственно, рас-
Культура Коэффициент стерилизации
Candida albicans 0,9846
Staphylococcus aureus 0,9300
Escherichia Coli 0,9865
Sarcina lutea 0,9707
считанное значение = 0,9 644 определяет эффект перезарядки.
Для расчетов заряда частиц была использована хорошо разработанная теория зарядки частиц [10]. Уравнение кинетики зарядки в электрическом поле (так называемая дрейфовая составляющая зарядки) обычно записывается в форме
<г «) = <?„ ""“‘ь ,
4?ТС£ о67lk.it
где (?„ — предельная величина заряда; к ( — подвижность ионов; п — концентрация ионов; р = еп — объемная плотность ионного заряда у поверхности частицы; за-
ряд электрона;
электрическая постоянная. Для расчетов времени нейтрализации заряда в процессе перезарядки использовалось уравнение для плотности ионного тока зарядки или перезарядки частицы в электрическом поле у поверхности частицы:
= к *рЕ — О д г а й пр , в котором Е — компонента поля, нормальная к поверхности частицы; коэффициент диффузии ионов; нормальная к поверх-
ности частицы составляющая градиента плотности ионного объемного заряда. Кинетика зарядки показана на рис.1, где введены следующие обозначения: время зарядки частицы в первой камере; время движе-
ния частицы от одной камеры к другой;
время нейтрализации заряда; £4 — £3 = £с2 — время зарядки частицы во второй камере; £4 — £2 = — время полного изменения заряда; 1 + (? 2 = — суммарное изме-
нение заряда.
Рисунок 1. Кинетика зарядки и перезарядки клеток Численные расчеты были проделаны для трех значений скорости течения
. Как и прежде, напряжение на разрядных электродах было равно 12кВ, токи короны - равными £ + = 2 5 м кА; £ _ = 3 5 м кА. Экспериментальное определение подвижности ионов и объемной плотности ионного заряда представляют значительные трудности; к тому же подвижность зависит еще и от напряженности поля. Однако это и не требуется, так как оба этих параметра входят в уравнения всегда в виде произведения , которое определялось экспериментально
по измерениям потенциала специального коллектора, на котором осаждались заряженные частицы. В качестве такого коллектора, как уже отмечалось выше, использовался металлокерамический цилиндр с размерами пор не более 1мкм, через который продувался исследуемый биоаэрозоль. В результате для обеих зарядных камер было получено значение ( )
(к (Р)2 = 3, 2 3 ■ 1 0 _ 1 0Сим-мЛ Величина предельного заряда для клеток Е.СоИ была равна 2,25-10-1бКл или примерно 1406 в единицах е=1,б-10-19Кл.
Время нейтрализации заряда рассчитывалось по формуле
/ _ 47Г£0
полученной как результат решения приведенного выше уравнения нейтрализации. Расчетные и экспериментальные значения для клеток Е.Соїі представлены в табл. 2 ниже.
Таблица 2 - Расчетные и экспериментальные значения для клеток Е.СоИ
1 V м ON сЗ ON ^ п (N OJ ON О Ч OJ Ч к н
53,3 5 О 5 9 о 2 4 in 8 <N (N 0, ,0 0,0375 0,9865 5 ЧО ЧО 9, ,0
i06,6 8 (N 3 о 9 (N 4 0,0i37 0,0i87 3 8 т чо ,0 0 7 о 3, ,0
2i 3,2 б О СО 7 О 2 7 0 О OS ,0 9 ,0 5 2 ,0 0 °° ,0
На рис.2 значения коэффициента стерилизации Т^4 для клеток Е.СоИ представлены в зависимости от суммарного изменения заряда , выраженного в единицах ( ) где число
элементарных зарядов на частице. Таким образом, например, при получаем
п = 1 2 5 .
1,2
О 200 400 600 800 1000
Суммарное изменение заряда
Рисунок 2. Коэффициент стерилизации в зависимости от величины суммарного изменения заряда
Из представленной таблицы, как и из рис.2, следует, что изменение суммарного заря-
да ведет к почти полной инакти-
вации клеток. При скорости V >2мс 1 заряд, получаемый в первой камере, сравнительно высок, но при этом переход заряда клетки через нулевое значение, вероятно, отсутствует, так как значение заряда противоположного знака, полученного во второй камере, соизмеримо с естественным отрицательным зарядом частиц. Для увеличения коэффициента стерилизации в этом случае следовало бы увеличить длину в направлении потока второй камеры.
Известно, что при отсутствии заряда клетки ( ), наступает ее гибель, сопро-
вождающаяся денатурационными явлениями в протоплазме. Хорошо известно также, что многие ферменты быстро денатурируют, если среды переходит через нулевую точку, называемую изоэлектрической. Такой переход может быть непосредственно индуцирован путем перезарядки клеточной поверхности, как это было сделано в описанных экспериментах. При этом процесс перезарядки в газовой дисперсионной среде, по времени занимающий 10 ^ 20 миллисекунд, термодинамически следует рассматривать как адиабатический. В жидкостной дисперсионной среде, то есть в водных суспензиях клеток, изменение (закисление или защела-чивание инкубационной среды) происходит значительно медленнее. Однако независимо от кинетики решающим фактором является, по-видимому, величина электрического заряда белковой молекулы, зависящего от и определяющего, в конечном итоге, конформацию мембранных белков. При атомизации клеточных суспензий, а также в результате таких банальных процессов, как кашель или чихание, взвешенные в воздухе клетки несут на поверхности тонкие водные слои, а сам процесс ато-мизации представляет собой разрыв сплошности исходной, то есть водной дисперсионной среды по границе «вода-частица», соответствующей радиусу гидродинамического скольжения гс частицы. Этот вывод принципиально основывается на том, что именно на поверхности гидродинамического скольжения имеет место равновесие (равенство химических потенциалов) среды и периферического адсорбированного слоя (плотной части двойного электрического слоя). Следовательно, поверхностный потенциал атомизированной клетки должен быть равен ее электрокинетическому потенциалу (дзета-потенциалу) [11]. Для оценки величины этого потенциала на границе раздела «жирная кислота-вода» можно использовать значение £= — 1 2 0 м В [11]. Наибольшему значению коэффициента стерилизации (Т^4 = 0,9 66 5 в таблице 2), соответствует наибольшее суммарное изменение заряда ( или
приблизительно 534е). Нетрудно подсчитать, что для сферической частицы радиуса 1,5 мкм это соответствует изменению поверхностного потенциала около 160 милливольт. Это значение достаточно близко соответствует типичным значениям поверхностного и трансмембранного потенциалов клеток. Внесение свободного заряда на поверхность клетки изменяет значение р Н наружного обводненного слоя и приводит в действие денатурационные механизмы, приводящие к инактивации, причем в том же масштабе времени, в котором происходит перезарядка. Этот временной масштаб, как уже было отмечено, составляет несколько единиц или десятков миллисекунд.
Литература:
1.Knave B. Electric and magnetic fields and health outcomes an overview. Scand. J. of Work, Environment & Health. 1994. 20, Spec. issue.pp.78-89.
2.Busch H.I. Nachweisen an der Einfluss des elektrosta-tisches Feldes auf die lebende Zelle. Naturwissenschaf-ten, 1961, B.48, 20,s.654;
3.Wever R. Human circadian rhythms under the influence of weak electric field and the different aspects of these studies. Int. J. Biometeorol.,1973, v.17, pp.227-232.
4.Dutreux N., Notermans S., Wijtzes T., Gongora-Nieto M.M., Barbosa-Canovas G.V., Swanson B.G. Pulsed electric fields inactivation of attached and free-living Escherichia coli and Listeria innocua under several conditions. Int. J. Food Microbiol. 2000, vol. 54, pp.91-98.
5.Peterfi T., Williams S. Elektrische Reizversuche an gezuechteten Gewebezellen. II Versuche an verschie-denen Gewebkulturen. Arch. Exp. Zellforsch., 1934,
B.16, s.230.
6.Weaver J. C., Chizmadzhev Y. Theory of electroporation: A review. Bioelectrochem. and Bioen-
erg. 1996. Vol.41. pp.135-160.
7.Small B.M. Creating healthier buildings. Toxicol. and Health. 2009,v.25 (9-10) pp.731-735;
8.Hamada N., Fujita T. Effect of air-conditioner on fungal contamination. Atmospheric Environment. 2002, vol. 36, pp.5443-5448.
9.Черный К.А. Методологический подход к применению коронных аэроионизаторов при проведении коррекции аэроионного состава воздуха помещений. Инженерно - строительный журнал. 2012, №6, сс.48-
53.
10.Kirsch A.A., Zagnit’ko A.V. Diffusion charging of submicrometer aerosol particles by unipolar ions. J. Colloid Interface Science.1981, vol.80, №1, pp. 111117.
11.Варехов А.Г. Электрические свойства частиц биоаэрозоля. Тр. I Международного симпозиума по аэрозолям. Т.2 Атмосферные аэрозоли, сс.81-83. М., 1994.
1 Варехов Алексей Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры "Экономика природопользования и сервис экосистем" СПбГЭУ, моб. +7 911 276 5500, e-mail: [email protected]
