CC BY
0PHYSICS AND MATHEMATICS
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА В АРТЕЗИАНСКОЙ ВОДЕ И ЕЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Канунникова О.М.
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института механики УрО РАН
Трубачев А.В. кандидат химических наук, главный научный сотрудник Удмуртского научного центра УрО РАН
Кропачева Т.Н. кандидат химических наук, доцент Удмуртского государственного университет,
Кожевников В.И. кандидат технических наук, научный сотрудник Института механики УрО РАН
Соловьев А.А. кандидат медицинских наук, доцент Ижевской государственной медицинской академии
THE EFFECT OF VIBRATION ON THE OXYGEN CONTENT IN ARTESIAN WATER AND ITS
BIOLOGICAL PROPERTIES OF WATER
Kanunnikova O.M.
Institute of Mechanics, Ural branch of RAS, Doctor of physico-mathematical sciences, Leading researcher of the Laboratory of thermal diffusion processes
Trubachev A. V.
Udmurt Scientific Center, Ural Branch of RAS, PhD, Chief specialist
Kropacheva T.N. Udmurt State University, PhD, associate Professor of the Department offundamental and applied ^emistry
Kozhevnikov V.I.
Institute of Mechanics, Ural Branch of RAS, PhD, Scientific researcher of the Laboratory of thermal diffusion processes
Solovyev A.A.
Izhevsk State Medical Academy, PhD, associate Professor of the Department of gystology. embryology and cytology
Аннотация
Исследовано влияние вибрации на содержание кислорода в артезианской воде, насыщенной О2 путем барботирования в электромагнитном поле. Определение содержания кислорода проводилось методом по-стояннотоковой вольтамперометрии. Нанопузырьковая газовая фаза проявляется на вольтамперной кривой возрастанием тока волны в области потенциалов от -0.7 до -0.8 В за счет вклада в процесс электрохимического восстановления пероксида водорода. Увеличение значения тока данной волны с увеличением времени барботирования при постоянстве величины тока в области потенциалов от -0.4 до -0.5 В, соответствующей содержанию молекулярно растворенного кислорода, позволяет предположить, что пересыщение кислородом достигается за счет увеличения доли нанопузырьковой фазы в растворе. Показано, что биологические свойства воды зависят не только от общего содержания кислорода, но и от режимов ее вибрационной обработки.
Abstract
The effect of vibration on the oxygen content of the artesian water, saturated with oxygen by bubbling in electromagnetic field was studied. Determination of oxygen content was carried out by the method of direct current voltammetry. Nanobubble gas phase appears in voltammetnric curve of the increase of the current peak in the field potentials from a -0.7 to -0.8 V due to the contribution to the process of electrochemical reduction of hydrogen peroxide. The increase in the value of the current of this peak with increasing time bubbling at constant current values in the field potentials of -0.4 to -0.5 V, correspond to the molecular dissolved oxygen, suggests that supersaturation with oxygen is achieved by increasing the proportion of nanomaterialy gas phase in solution. It is shown that the biological properties of water depend not only on the total content of oxygen and from the modes of its vibration treatment too.
Ключевые слова: артезианская вода, кислород, нанопузырьковая фаза, вольтамперометрия, эритроциты, микроэлектрофорез.
The scientific heritage No 17 (17),2017 41
Keywords: artesian water, oxygen, nanobubbles, voltammetry, erythrocites, microelectrophores.
Объектом исследования являлась артезианская вода средней минерализации (0.8 мг/л). Насыщение воды кислородом проводили методом барботирова-ния с обработкой в постоянном магнитном поле (Sm-Co магниты). Содержание кислорода в воде определяли методом постояннотоковой вольтампе-рометрии на полярографе ПУ-1 с интерфейсным блоком ГрафИт-2 при следующих режимах съемки вольтамперограмм: начальное напряжение развертки 0.0 В, амплитуда развертки 1.5 В, скорость сканирования потенциала 0.2 В/c, рабочий электрод - стеклоуглерод.
Вибрационные испытания проводили на установке TIRAvib TV 50101-80 по следующей методике: на столе экспериментального стенда закреплялся цилиндрический сосуд с внутренним диаметром 60 мм и высотой 285 мм при заполнении водой неполностью до уровня Н=235 мм и до уровня Н=285 мм. Испытания проводились в четырех режимах: 1) 5Гц, 2 м/с2; 2) 5Гц, 5 м/с2; 3) 20 Гц, 2 м/с2; 4) 20 Гц, 5 м/с2 при длительности вибрационного воздействия от 5 до 720 мин.
Исследования, проведенные в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (г. Москва) под руководством профессора Н.Ф. Бункина, показали, что в результате барботирования в артезианской воде формируется нанопузырьковая газовая фаза [1]. В работе [2] приведены результаты исследования характеристик такой воды. Содержание кислорода в ней составляет величину порядка 7.59 10-4 моль/л, что превышает его предельную растворимость (2.5- 10-4 моль/л [3]) в 3 и более раз. Пересыщение раствора кислородом формирует нано-пузырьковую газовую фазу с размером нанопу-зырьков порядка 300 нм и величиной их отрицательного дзета-потенциала в несколько десятков милливольт.
На вольтамперограммах (рис. 1) артезианской воды, насыщенной кислородом, наблюдаются две волны: первая волна формируется в области потенциалов от -0.2 до -0.5 В, вторая волна - в области потенциалов от -0.5 до -1.0 В, при этом ответственными за формирование электроаналитического сигнала кислорода являются отрицательно заряженные молекулярные частицы О2- [4,5]. Отрицательно заряженными являются также и сформировавшиеся при насыщении газом нанопузырьки кислорода, содержащиеся в воде. Видно, что на вольтамперо-граммах после насыщения воды кислородом наблюдается увеличение суммарного тока его катодной волны. Можно предположить, что дополнительный вклад в увеличение катодного тока кислорода при насыщении им воды вносят нанопу-зырьки, участвуя в электрохимической стадии
О2-+2Н++е-~Н2О2 (1)
и образуя дополнительное количество перок-сида водорода. Возрастание тока второй волны кислорода можно связать с протеканием электрохимической реакции в соответствии с уравнением:
Н2О2 + 2Н+ + 2е- ^ 2Н2О, (2),
что позволяет оценить относительное количество в растворе нанопузырьковой газовой фазы кислорода по увеличению тока второй волны. Нанопузырьковый кислород дает вклад именно там, где достигается значение потенциала электровосстановления кислорода в разбавленных водно-солевых растворах в соответствии с механизмом стадии (1). Отрицательно заряженный нанопузырек кислорода взаимодействует с положительно заряженными ионами водорода при участии генерируемых на электроде электронов. Можно говорить о своеобразном электрохимическом распаде кислородного нанокластера с образованием пероксида водорода [6].
Максимум тока в области потенциалов от -0.4 до - 0.5 В отвечает концентрации молекулярно растворенного кислорода, соответствующей насыщению и находящейся в равновесии с внешней атмосферой. По мере формирования нанопузырьковой фазы кислорода в воде значение максимума тока в области от -0.7 до -0.8 В растет, в то время как значение первого максимума остается примерно одинаковым, следовательно, в присутствии нанопу-зырьковой фазы значение предела растворимости молекулярного кислорода в воде практически не меняется. Нанопузырек является своеобразным депо молекулярного кислорода, обеспечивающим его содержание в воде на одном и том же уровне. Причиной этого является соблюдение принципа Ле-Шателье: давление газа в пузырьках выше атмосферного, а молекулярно растворенный в воде кислород должен находиться в динамическом равновесии с нанопузырьковой газовой фазой и атмосферой. Предельно возможное количество нанопузырьковой фазы в воде зависит от внешнего давления и по мере достижения максимальной степени насыщения газом, соответствующей равновесному состоянию, величина максимума тока в области потенциалов от -0.7 до -0.8 В будет постепенно возрастать до достижения предельного значения.
Исследование влияния вибрационной обработки артезианской воды, насыщенной О2 путем барботирования в электромагнитном поле, на общее содержание кислорода показало, что в случае как с полностью, так и наполовину заполненной емкостью с водой уменьшение содержания кислорода (примерно в 2 раза) происходит лишь после 720 минут интенсивной вибрации. Ранее было показано, что эритроциты, помещенные в воду с нанопузырь-ками, проявляют повышенную активность и устойчивость к гемолизу [1]. Высказано предположение, что причиной такого эффекта является изменение свойств отрицательно заряженной мембраны клеток после контакта с двойным электрическим слоем на поверхности нанопузырьков. Анализ зависимости амплитуды колебаний и гемолиза эритроцитов от режимов вибрационной обработки воды (табл. 1,2) свидетельствует о том, что содержание кислорода
Таблица 1.
Характеристика состояния эритроцитов, помещенных в обработанную артезианскую воду, полученную при различных режимах вибрация в неполностью заполненной емкости с водой (без вибрации: доля ак-_тивных эритроцитов 24%, гемолиз 35%)_
Режим вибрации Содержание кислорода, ±0.5 10-4 моль/л Состояние эритроцитов
ускорение, м/с2 частота, Гц время обработки, мин. доля активных эритроцитов гемолиз, %
2 5 5 8 - -
30 8 - -
60 8 0 15
20 5 8 - -
30 8 - -
60 8 0 37
5 5 5 9 85 0
30 8 - -
60 8 35 10
720 4 24 40
20 5 8 - -
30 8 - -
60 8 80 5
720 4 30 10
Таблица 2.
Характеристика состояния эритроцитов, помещенных в обработанную артезианскую воду, полученную при различных режимах вибрация в полностью заполненной емкости с водой (без вибрации: доля актив_ных эритроцитов 13, гемолиз 60%)_
Режим вибрации Содержание кислорода, 10-4 моль/л Состояние эритроцитов
ускорение, м/с2 частота, Гц время обработки, мин. доля активных клеток, % гемолиз, %
2 5 5 7 0 100
30 7 - -
60 7 0 100
20 5 7 - -
30 7 0 100
60 7 0 100
5 5 5 7 - -
30 7 - -
60 7 - -
280 7 0 80
720 3 0 69
5 20 5 7 - -
30 7 70 0
60 7 85 5
280 7 69 13
720 4 20 10
Рисунок.1. Катодные вольтамперограммы артезианской воды: 1 - вода, из которой кислород удален полностью избытком сульфита натрия; 2 - вода, насыщенная кислородом в природных условиях в скважине; 3 - вода, пересыщенная кислородом в 2 раза; 4 - вода, пересыщенная кислородом в 3.5 раза.
является не единственной причинои повышенной биологической активности воды. Видно, что вибрация приводит к изменению биологической активности воды с нанопузырьковой газовой фазой: ускорение 2 м/с2 при частоте 20 Гц и 5 Гц и ускорение 5 м/с2 при частоте 5 Гц как в полной, так и в неполной емкости является наиболее неблагоприятным для клеток и приводит к снижению доли активных эритроцитов, а также повышению гемолиза по сравнению с необработанной водой, в то время как ускорение 5 м/с2 при частоте 20 Гц приводит к повышению доли активных эритроцитов и снижению гемолиза. Причины наблюдаемых эффектов могут быть объяснены изменением размеров нано-пузырьковой газовой фазы после вибрации и физико-химических свойств обработанной воды.
Заключение
Насыщение воды кислородом до уровня, превышающего концентрацию его предельной растворимости, приводит к формированию нанопузырь-ковой газовой фазы, при этом содержание нанопузырьковой фазы при пересыщении в 2 - 3 раза сохраняется практически на одном уровне. Вибрационная обработка воды ведет к уменьшению общего содержания кислорода (примерно в 2 раза) лишь после 720 ч вибрации. Вибрация приводит к изменению биологической активности воды с нано-пузырьковой газовой фазой: ускорение 2 м/с2 при частоте 20 Гц и 5 Гц и ускорение 5 м/с2 при частоте 5 Гц как в полной, так и в неполной емкости является наиболее неблагоприятным для клеток и приводит к снижению доли активных эритроцитов и повышению гемолиза по сравнению с водой без вибрационной обработки; ускорение 5 м/с2 при частоте 20 Гц приводит к повышению доли активных
эритроцитов и снижению гемолиза.
Авторы выражают благодарность Копытову А. и Колясеву В. за техническое обеспечение вибрационных испытаний.
Работа поддержана грантом РФФИ-Урал № 16-42-180814.
Список литературы
1. Бутолин Е.Г., Канунникова О.М., Кожевников В.И., Соловьев А.А. Исследование параметров и биологических свойств нанопузырьковой фазы аргона в ааюрсе-ррде // The scientific heritage, 2016.-№5(5).-Р.1.-Р.38-43.
2. Канунникова О.М., Трубачев А.В., Кожевников В.И. Исследование характеристик газовой фазы в воде, насыщенной кислородом и аргоном // Проблемы механики и материаловедения. Труды Института механпе УеОРРУИчиек' ИЛУрО РАН. - 2017. - С.271-284.
3. Намиот А.Ю. Растворимость газов в воде. Справочное пособие. Издание: Недра, Москва. 1991.- 167 с.
4. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М: Химия, 2006. - С.593-603.
5. Мамонтова Ю.Е., Стекольников Ю.А. Электровосстановление кислорода на угольных электродах в щелочных средах // Вестник Тамбовского университета ГТУ. - 2011. - № 7. - Т.17. -С.121-124.
6. Трубачев А.В., Канунникова О.М., Кожевников В.И. Вольтамперометрия бабстонов кислорода в артезианской воде // Третий съезд аналитиков России, 09-13 октября 2017 г., Москва. Сб. тез. докл.: ГЕОХИ РАН, 2017. - С. 177.
-800
600
900
1200
1500
mV
