CC BY
73
УДК 29.27; 621.565
А. М. Архаров, А. В. Б у д к е в и ч, И. А. Ж е л а е в, Н. П. Козлов, Н. А. Поликарпов, С. Г. Шашковский, Ю. А. Ш е в и ч, А. В. Буторина
ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА БАКТЕРИЦИДНУЮ АКТИВНОСТЬ ИМПУЛЬСНОГО УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ
Приведены результаты экспериментальных исследований активности импульсного УФ излучения сплошного спектра по отношению к высокорезистентным штаммам микроорганизмов при отрицательных температурах до-180 °С. При переходе к отрицательным температурам наблюдается скачкообразное снижение пороговых энергетических доз.
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: обеззараживание, импульсное УФ-излучение, споры
бактерий, отрицательные температуры.
Одной из актуальных задач современной науки и промышленности является увеличение сроков хранения различных биологических объектов, генетических биоресурсов, пищевых продуктов и т.д. Одним из факторов, влияющих на сроки их сохранности, является уровень исходной обсемененности микрофлорой и санитарно-гигиеническое состояние среды хранения и обработки.
Например, в пищевой промышленности для снижения уровня зараженности и подавления роста микрофлоры применяются химические методы обработки продуктов питания (консервирование и дезинфицирование), которые ухудшают их качество и питательную ценность.
Известно [1], что наиболее простым и экологически чистым методом является УФ-излучение, наиболее часто используются бактерицидные облучатели на основе ртутных ламп низкого давления, которые имеют ряд эксплуатационных и физических ограничений: жесткий температурный диапазон работ, низкую эффективность обеззараживания от споровых форм микрофлоры и т.д.
Одним из перспективных источников УФ-излучения в настоящее время являются импульсные ксеноновые лампы, способные работать при температурах до -100 °С. Кроме того, генерируемый импульс УФ-излучения имеет сплошной спектр [2, 3].
Существует два основных класса микроорганизмов, способных к росту и активности при температурах ниже 5 °С и многие из них способны выживать при температурах на 50 °С ниже температуры их роста [4], а также в течение долгого периода времени выдерживать
в активном состоянии температуру окружающей среды -20 °С. Например, бактерии типа E.coli и споры бактерий типа Bacillus хорошо выдерживают температуры в диапазоне от -40 до 25 °С.
В качестве тест-объектов в экспериментальных исследованиях использовались споры бактерий Bacilius Cereus (штамм IP 5832), которые показали высокую способность выживания при криогенных температурах даже в открытом космическом пространстве [5].
Бактерии рода Bacillus относятся к спорообразующим микроорганизмам, споры которых являются наиболее устойчивыми к воздействию неблагоприятных факторов. Среди них имеются как возбудители инфекционных заболеваний, так и возбудители биокоррозии конструкционных материалов.
Как правило, споры бактерий рода Bacillus используются при испытаниях различных методов дезинфекционных обработок (работы автоклавов, сухожаровых шкафов и дезинфицирующих средств).
Для проведения экспериментальных исследований бактерицидной активности импульсного УФ-излучения при низких температурах была разработана экспериментальная установка, состоящая из источника высокоинтенсивного излучения сплошного спектра и холодильного блока, в котором размещались тест-объекты.
Источником излучения служила трубчатая ксеноновая лампа типа ИФП800, которая запитывалась от блока питания, имеющего следующие энергомощностные и радиационные характеристики: средняя электрическая энергия 80 Дж, частота 1 Гц, длительность на полувысоте 30мкс., средний бактерицидный поток 237.. .287нм : 3,5 Вт, импульсная мощность радиационных потоков на тест-объектах до 5103 Вт/см2.
Контроль излучательных характеристик лампы проводился при помощи спектрально-диагностического комплекса [6], в состав которого входят ФПУ на основе вакуумных фотоэлементов в различных спектральных диапазонах (270±40 нм и 555±100 нм) и цифровой спектрометр (Solar Tii S150) с рабочим диапазоном 185... 690 нм.
Спектр излучения источника близок к спектру АЧТ с яркостной температурой 10 000 K, с резким снижением излучения в области 230 нм, определяемого качеством материала оболочки лампы.
На рис. 1 приведено спектральное распределение энергии излучения лампы.
Холодильный блок, используемый в составе установки, предназначен для обеспечения и поддержания температур в заданном диапазоне от -180 до 20 °С. В состав холодильного блока входят радиатор, сосуды Дьюара, микротермопары. Конструкция экспериментального стенда приведена на рис. 2.
220 270 320 370 Я, нм
Рис. 1. Спектр излучения импульсного УФ-источника облучения
Рис. 2. Стенд для проведения низкотемпературных биологических экспериментов:
1 — радиатор (медная пластина); 2 — сосуды Дьюара, заполненные жидким азотом; 3 — алюминиевая пластина с образцами штаммов; 4 — штатив; 5 — микротермопара (медь-константан); 6 — импульсная УФ-лампа (ИФП-800); 7 — сосуд со льдом
Основным термоэлементом холодильного блока является радиатор, представляющий собой П-образную пластину толщиной 5 мм, концы которой погружаются в сосуды Дьюара, заполненные жидким азотом.
Регулирование температуры тест-объектов достигалось путем изменения глубины погружения радиатора в хладагент. Контроль температуры тест-объектов осуществляется с помощью калиброванной медно-константановой микротермопары, запрессованной в поверхность, на которой располагались тест-объекты.
В исследованиях использовались тест-объекты, представляющие собой алюминиевую пластину размером 1.. .2 см2, контаминирован-
ную с одной стороны при комнатной температуре спорами указанных бактерий от (2... 5)-104 КОЕ/см2.
Методика проведения экспериментов была следующей: после нанесения суспензии спор на тест-объекты проводили 30-40-минутное подсушивание микрокапель до полного их высыхания. Объем суспензии составлял 0,02 мл для одного образца.
Для установления необходимой температуры заливалось 500 мл жидкого азота в сосуды Дьюара (поз. 2, см. рис. 2), таким образом, чтобы область контакта рабочей поверхности радиатора (поз. 1, рис. 2) имела максимальную площадь соприкосновения с жидким азотом. По показаниям на термопаре (в милливольтах) определялась температура на поверхности приемной площадки холодильного блока, куда при достижении необходимой температуры помещают подготовленный тест объект (поз. 3, рис. 2).
В течение 5... 10 мин происходила стабилизация температуры на поверхности радиатора и тест-объекта. Для того чтобы не образовывался иней на поверхности тест-объекта и для равномерного охлаждения его накрывали кварцевой пластиной. Материал пластины — плавленый кварц, который пропускает излучение не менее 90% при длинах волн более 200 нм.
Непосредственно перед включением установки УФ-излучения конденсат удалялся с поверхности кварцевой пластины.
Расстояние от источника излучения до тест-объекта варьировалось от 10 до 25 см и выбиралось из условий отсутствия нагрева излучением кварцевой пластины более чем на 0,5 °С. Тепловые потоки в экспериментах были не более 1000Вт/см2.
Бактерицидную дозу на облучаемом объекте изменяли путем варьирования длительности обработки, которая, в свою очередь, составляла от 10 до 60 с. Диапазон исследуемых температур составлял от комнатной до температуры -150 °С.
На каждую точку исследования брали по два-четыре образца, по которым затем оценивались значения эффективности обеззараживания.
После УФ-облучения каждый образец помещали в отдельную стерильную пробирку. Затем в специализированных условиях микробиологической лаборатории в пробирку заливали 1 мл стерильного физиологического раствора. Пробирки тщательно встряхивали и их содержимое помещали в стерильные чашки Петри. Затем каждую чашку заливали расплавленной и остуженной до 45 °С плотной питательной средой (трипказосоевым агаром). Чашки Петри с посевами микроорганизмов помещали в термостат на 24... 48 ч при температуре 37 °С.
После истечения указанного срока проводили учет жизнеспособных клеток микроорганизмов путем визуального подсчета выросших колоний.
£>10, Дж/м2 30-
N/Nq , %
100 I-
50-1-1-1-
-150 -100 -50 0 50
Температура, °С
Рис. 3. Влияние пониженных температур на выживаемость исследуемых штаммов бактерий
25 20 15 - \
10 5 0 - 1 ! 1 1 1 1 . 1
20 0 30 - 45 -80 ■ -120- 140
Температура, °С
Рис. 4. Изменение значения пороговой дозы ^ю при низких температурах. Экспериментально были получены максимальные эффективности до 99,999 % (снижения уровня исходной контаминации с 2 104 до единичных микроорганизмов) во всех температурных режимах
Дополнительно было проведено исследование влияния пониженных температур на выживаемость исследуемых штаммов бактерий. Результаты исследований приведены на рис. 3 в виде кривой изменения контаминации относительно исходной N в зависимости от температуры окружающей среды. Каждый образец выдерживался при заданной температуре около 10 мин. Анализируя результаты, выявили, что при снижении температур в области отрицательных значений наблюдается слабый обеззараживающий эффект, причем степень эффективности обеззараживания монотонно увеличивается по мере снижения температуры и достигают 25 % при -1400С.
Эти данные учитывались при оценке эффективности обеззараживания тест объектов радиационными потоками импульсными ксено-новыми лампами.
Для каждого температурного режима, 0С: +20; 0; -30; -50; -80; -120; -140 были построены кривые выживаемости.
Все кривые выживаемости имеют характерный двухкомпонентный вид, причем при уровне эффективности 99,9 % все кривые выживаемости хорошо описываются зависимостью N = Nв-кВ1°, где 010 — доза, Дж/м2, необходимая для снижения исходной контаминации в 10 раз; к — коэффициент выживаемости ВасШш Сегеш.
Анализ кривых выживаемости позволил получить необходимые энергетические дозы, для снижения обсемененности в 10 раз — 010.
На рис.4 приведены значения доз Б10 для различных температур. Видно, что при уменьшении температур ниже 100С наблюдается уменьшение пороговых доз в 2 раза.
В результате было определено (см. рис. 4), что коэффициент чувствительности микроорганизмов к импульсному УФ-излучению увеличивается в 2 раза. Данный эффект можно объяснить снижением процессов репарации и увеличением времени жизни активных радикалов (ОН-, О), нарабатываемых высокоинтенсивными УФ-потоками (короче 240 нм) в клетке.
Наблюдаемый эффект может быть использован при обеззараживании низкотемпературной воздушной среды и открытых поверхностей камер холодильных систем, объектов длительного хранения и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вассерман А. Л., Шандала М. Г., Юзбашев В. Г. Ультрафиолетовое излучение в профилактике инфекционных заболеваний. - М.: Медицина, 2003.-206 с.
2. Исследования антимикробного действия непрерывного и импульсного УФ-излучения на различные виды микроорганизмов / В.И. Сигаев, С.Н. Успенская, Е.В. Звягина и др. // Приложение к журналу "Вестник Российской Военно-медицинской академии". - 2008 . - № 3. - 357 с.
3. Ж е л а е в И. А., Шевич Ю. А., Шашковский С. Г., Поликарпов Н. А. Увеличение сроков хранения скоропортящихся продуктов при их облучении высокоэффективным излучением сплошного спектра // Вестник Международной академии холода. - 2008. - № 2. - С. 43-47.
4. Жизнь микробов в экстемальных условиях / Под ред. Д. Кашнера. - М.: Мир, 1981.
5. Основные результаты эксперимента "Биориск" на МКС / В.М.Баранов, Н.А. Поликарпов, Н.Д. Новикова и др. // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2006. - № 3 (40). - С. 3-9.
6. Ж е л а е в И. А. Спектрально-диагностический комплекс для измерения из-лучательных и энергетических характеристик импульсных ксеноновых ламп // VIII Междунар. симп. по радиационной плазмодинамике. Сб. научн. трудов. -М.: НИЦ "Инженер", 2009.
Статья поступила в редакцию 1.07.2010
