CC BY
68
Sukharev Yuri Ivanovich, professor, doctor of chemistry, Head Department оf Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University, Department of Chemistry, e-mail: sucharev74@mail.ru.
Larionov Leonid Petrovich, professor, doctor of medicine, Urals State Medical Academy, Department of Pharmacology, Ekaterinburg
Apalikova Inna Yurievna, candidate of chemistry, assistant professor, Department of Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University, e-mail: Apal-inna@yandex.ru.
Lebedeva Irina Yurievna, candidate of chemistry, assistant professor, Department of Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University.
Kovaleva Irina Vasilevna, postgraduate student, department of General Mathematics, South Ural State University, Chelyabinsk, e-mail: kiv_susu@mail.ru.
Kuzmina Natalia Vladimirovna, postgraduate student, Department of Chemistry of Solid State and nanoprocesses, Chelyabinsk State University
Taramina Evgeniya Viktorovna, postgraduate student, Department of Chemistry rigid body-building and nanoprocesses, Chelyabinsk State University
Kuznetsov Alexander Leonidovich, postgraduate student, Department of Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University
УДК 541.182644.001.5 © Ю.И. Сухарев, Л.П. Ларионов, И.Ю. Апаликова, И.Ю. Лебедева,
И.В. Ковалева, Н.В. Кузьмина, Е.В. Тарамина, А.Л. Кузнецов
АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ОКСИГИДРАТОВ d- И f-ЭЛЕМЕНТОВ НА ФОНЕ ВКЛЮЧЕНИЙ УГЛЕРОДА
Представлены новые антибактериальные свойства гелей оксигидратов d- и f-элементов на фоне включений углерода. Антимикробную активность гелей оксигидратов циркония, железа, алюминия и иттрия можно использовать в антибактериальных бинтах нового поколения, в процессах водоподготовки, в процессах водоочистки. Преимущества антибактериальных бинтов на основе оксигидратов железа и алюминия: нанокластерное антибактериальное воздействие ощутимо через 50 мин; погибает вся патогенная микрофлора; адсорбирующее, впитывающее, очищающее, дезодорирующее гелевое воздействие.
Ключевые слова: гель, оксигидратные системы, ток самоорганизации, динамическая вязкость, антимикробная активность, наномикроскопия, конформация, аттрактор.
Yu.I. Sukharev, L.P. Larionov I.J. Apalikova I.J. Lebedevа, I.V. Kovalevа, N.V. Kuzmina, E.V. Taramina, A.L. Kuznetsov
ANTIMICROBIAL PROPERTIES OF SOME OXYHYDRATES d- AND f-ELEMENTS AGAINST THE BACKGROUND OF CARBON INCLUSIONS
This article deals with the possible mechanism of antibacterial effect of oxyhydrate gels. The paper presents new antibacterial effect of gels oxyhydrates d-and f-elements against the background of the carbon inclusions. Antimicrobial activity of zirconium oxyhydrate gels, iron, aluminum, and yttrium can be used in the antibacterial bandages of the new generation, water treatment and water purification processes. The benefits of antibacterial bandages on the basis of iron and aluminum oxides hydroxides are nanocluster antibacterial effect is significantly felt after 50 min;all pathogenic microflora die; absorbent, cleaning, deodorizing gel effect exists.
Keywords: gel, oxyhydrate system, current self-organization, dynamic viscosity, antimicrobial activity, nanomicroscopic examination, conformation, attractor.
Представляет большой интерес антимикробная активность гелей оксигидратов циркония, железа и иттрия. Литературные данные свидетельствуют о том, что тяжелые металлы вообще, например, медь, кадмий и другие угнетают процессы жизнедеятельности бактерий. Хорошо известно обеззараживающее действие серебра на воду [1]. Соединения циркония и других тяжелых металлов обладают известным антимикробным воздействием сами по себе. Частицы оксигидрата циркония в той или иной активной форме могут включаться в жизненный цикл бактерий, нарушая процесс их жизнедеятельности. С чисто практической (с экологической и медицинской) точки зрения была бы интересна возможность применения их гидроксидных осадков или оксигидратных коллоидных нанокластеров для обеззараживания водных сред от таких групп условно-патогенных бактерий, как кишечная палочка (Escherichia coli), стафилококк золотистый (Staphylococcus aureus), синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) и другие [2, 3].
Постановка задачи исследования
Нами установлено, что в гелевых оксигидратных системах формируются нанокластеры, имеющие высокие положительные или отрицательные заряды, которые разряжаются на графитовых электродах [2-4]. При прохождении нанотока был сделан вывод об обнаружении этих наночастиц. Гель в силу диссоциациативно-полимеризационной организации структурных фрагментов изменяется во времени. Не всякие частицы геля могут свободно перемещаться в дисперсной среде, существуют условия для возникновения локального осмотического давления в геле (разности потенциалов), воздействующего на ионы и заряженные кластеры и, вероятно, колонии бактерий. Постоянные пульсации двойного электрического тока (ДЭС) в диссипирующей среде (их глубокие почти периодические изменения или "дрожание") - вот картина шума и формирование на его основе шумового пьедестала в гелевых оксигидратных системах с участием бактериальных сред [5]. Это механизм запуска управления процессами оксигидратного формообразования.
Процессы рекомбинации оксигидратных частиц (полимеризация) носят основополагающий характер. Для многоатомных частиц (наносистем) реакции рекомбинации в принципе не могут быть двухчастичными, но должны реагировать между собой, по крайней мере, трехчастично. При этом третьи частицы, (нанокластеры), катализируют стохастический процесс диссипации энергии [6]. Бимолекулярные реакции характерны для классической гомогенной кинетики, но совершенно отсутствуют в кластерных реакциях (системах). Таким образом, спонтанный выплеск нанокластеров - термодинамически вполне объективный процесс для кластерных систем, в которых идет периодическая трансформация ДЭС в среде сообщества бактерий. В ходе эволюции гели окси-гидрата циркония, олова и других оксигидратов претерпевают целый ряд структурных превращений, вызывающих смену интенсивности действующих в оксигидрате ионно-кластерных потоков. Такие нанокластерные потоки разряжаются на графитовых электродах.
В гелевых неравновесных образцах наблюдается сложная система кластерного движения - линейные перемещения и колебания, движения крупных оксоловых молекул (микроэлектрофорез [7, 8]). При этом самопроизвольно возникают электрические поля, если справедливы предположения об осмотическом выплеске заряженных частиц нанокластеров. Следовательно, возможна и экспериментальная регистрация микротоков в системе во времени на выраженном шумовом пьедестале [8]. Такая динамическая система со временем будет также эволюционировать вследствие развития в оксигидратном геле процессов полимеризации - деструкции и оксоля-ции. Геометрическая форма геля очень сильно влияет на характер нанокластерных выплесков.
Область использование оксигидратных гелей циркония, железа и иттрия и других для обеззараживания водных сред от бактериальной компоненты практически не исследована. Этими прогнозными задачами положено начало изучению бактерицидного действия гелей оксигидрата (ГО) циркония, железа, иттрия на кишечную и синегнойную палочки, а также стафилококк золотистый. Данная работа выполнялась в течение нескольких лет на кафедре коллоидной и когерентной химии Челябинского госуниверсита и на базе специализированных бак-лабораторий г. Челябинска и области при специализированных лечебных заведениях.
Экспериментальная часть
Прибор для измерения импульсного поляризационного электрического тока оксигидратных гелей состоит из полой трубки или прямоугольной ячейки, на концах которой закреплены платиновые или графитовые электроды [4] (рис. 2). Контакты электродов подключали к электронному регистрирующему блоку. Свежеприготовленный гель вместе с бактериальной средой помещали в такую ячейку. Расстояние между электродами составляло 70 мм или меньше.
Методика бактериологических исследований. Для бактериологических исследований использовали условно-патогенные бактерии Escherichia coli (кишечная палочка), Shigella Flexneri (Шигелла Флекснера) и Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка). Определение количества засеваемых бактериальных клеток проводилось по оптическому стандарту мутности. В исходной культуре содержалось условно 105 микробных тел в 1 мл взвеси (м.т./мл). Из суспензии выполняли последовательные 10-кратные разведения в стерильной воде. Для этого брали 3 пробирки, помечали их и в каждую из них наливали по 9 мл стерильной дистиллированной воды. В пробирку № 1 вносили 1,0 мл из пробирки со стотысячной взвесью микробных клеток по оптическому стандарту, взвесь тщательно перемешивали. Для дальнейшего разведения из пробирки №1 переносили 1,0 мл в пробирку №2, перемешивали и 1,0 мл переносили в следующую. Схема разведения культуры по стандарту от 105 микробных клеток представлена в табл. 1. Далее производили посев 0,02 мл бактериальных взвесей в стерильной воде из пробирок №1 - 3 через 2, 4 и 6 ч роста бактерий в питательную среду и затем подсчитывали количество колоний. Затем готовили соответствующие разведения бактериальной взвеси в оксигидратных гелях. Для этого 9 мл геля помещали в 3 пробирки (Г № 1-3) и затем проводили операции: 1 мл бактериальной взвеси из пробирки с концентрацией бактерий 105 м.т./мл добавляли в пробирку с гелем (Г №1) и получали соответственно разведение 10-1. Затем 1 мл бактериальной взвеси из пробирки № 1 с разведением 10-1 добавили в пробирку с гелем (Г №2) и получали разведение 10-2. То же делали с пробиркой №2 для получения разведения 10-3 в геле кюветы (Г №3). Эти операции разведения показаны на рис. 1
Таблица 1
Схема приготовления тест-культуры по оптическому стандарту
Номера пробирок Кол-во стерильной дистиллированной воды, мл Объем вносимой взвеси культуры из исходной, мл Разведение Примерное кол-во микробов в 1 мл взвеси, м.т./мл
Д/В № 1 9,0 1,0 из фракции, содержащей 105 м.т./мл 10-1 10 000
Д/В № 2 9,0 1,0 из Д/В № 1 10-2 1 000
Д/В № 3 9,0 1,0 из Д/В № 2 10-3 100
Посев 0,02 мл бактериальных взвесей из каждой пробирки с гелем и из пробирок сравнения осуществляли через 2, 4 и 6 ч. Затем готовили бактериальные среды в оксигидратных гелях, исследуя влияние электрохимической ячейки. Для этого 9 мл геля помещали в 3 кюветы прибора (П №1-3) и проделывали процедуры: 1 мл бактериальной взвеси из пробирки с концентрацией 105 м.т./мл добавляли в ячейку с гелем (П №1), получали разведение 10-1. Затем 1 мл бактериальной взвеси из пробирки Д/В №1 с разведением 10-1 добавили в кювету прибора с гелем (П №2), получая разведение 10-2. То же проделывали с пробиркой Д/В №2 и получали разведение 10-3 в ячейке прибора (П №3). Затем проводили посев 0,02 мл бактериальных взвесей из каждой кюветы прибора с гелем через 2, 4 и 6 ч. Посев проводили на питательной среде Эндо в чашках Петри. Чашки термостати-ровали в течение суток при температуре 37°С и подсчитывали количество выросших бактериальных колоний (КОЕ).
По 1мп По 1мп
Г № Г Hs Г Hs
1, 2, 3,
Рис. 1. Процесс разведения микробной культуры в стерильной дистиллированной воде и геле
При анализе влияния гелей оксигидратов на бактерии, а также действия прибора с гелем оксигидрата на бактерии сравнивали количество выросших колоний соответственно из проб Д/В№1 - Г№1 - П№1, Д/В№2 -Г№2 - П№2, Д/В№3 - Г № 3 - П№3. Электрохимическая ячейка показана на рис. 2.
Рис. 2. Фотография экспериментальной коллоидно-химической ячейки с графитовыми электродами для исследования спай-ковых выплесков нанокластеров (тока самоорганизации) оксигидратных гелей в бактериальной среде
Описание используемых в исследовании бактерий. Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) -грамотрицательная палочка характеризуется значительной природной устойчивостью к большинству антимикробных препаратов, что обусловливает появление тяжелых осложнений после инфицирования. В мазке, приготовленном из чистой культуры, палочки могут располагаться одиночно, парами или образовывать короткие цепочки. Они хорошо растут на искусственных средах, не ферментируют лактозу и образуют гладкие круглые колонии флуоресцирующего зеленоватого цвета со сладковатым запахом. Характерным биологическим признаком является способность синтезировать водорастворимый феназиновый пигмент - пиоцианин, окрашивающий питательную среду в сине-зеленый цвет. Это значительно упрощает идентификацию 70-80% штаммов синегнойной палочки. С помощью серологической диагностики в относительно короткие сроки можно правильно поставить диагноз путем выявления как антигенов возбудителя инфекции, так и антител, вырабатываемых в ответ на антигенную стимуляцию иммунной системы [2].
Стафилококк золотистый (Staphylococcus aureus) - грамположительные сферические клетки, обычно располагающиеся в виде скоплений, неподвижны, не образуют спор, легко окрашиваются всеми анилиновыми красителями. Продуцируют энтеротоксин, способный вызывать тяжелые пищевые отравления и лейкоцидин - токсин, разрушающий лейкоциты и приводящий к образованию гнойников. Стафилококковые инфекции (Staphylococcus aureus, Staphylococcus albus) устойчивы к антибиотикам. У стафилококков сравнительно легко развивается устойчивость ко многим противомикробным препаратам, что создает большие трудности при лечении больных. Быстрое развитие устойчивости обусловливает применение при стафилококковых инфекциях комбинаций антибактериальных препаратов (канамицин и фурагин; эритромицин и тетрациклин и др.). При вялотекущих хронических, рецидивирующих процессах, наличии осложнений прибегают к иммунотерапии. Одним из серьезнейших осложнений стафилококковой инфекции является синдром токсического шока (Toxic shock syndrome - TSS) - острое системное заболевание [2].
Антитела к шигеллам Флекснера - показатель бактериальной дизентерии, вызванной одним из видов бактерий семейства Enterobacteriaceae рода шигелл (Shigella). Дизентерия (шигеллезы) - инфекционное заболевание, протекающее с преимущественным поражением слизистой оболочки толстого кишечника, с общей инфекционной интоксикацией. Инфицирование шигеллой Флекснера происходит чаще через воду и бытовым путем (в отличие от шигелл Зонне, для которых характерно инфицирование в основном через продукты). Возбудителем дизентерии является группа микрорганизмов семейства Enterobacteriaceae рода Shigella, включающая 4 вида. Наиболее распространенными являются шигеллы Зонне (60-80%) и Флекснера. Шигеллы Флекснера и Зонне наиболее устойчивы в окружающей среде и могут сохранятся в течение нескольких суток, в воде - до 2-х месяцев. При кипячении гибнут немедленно. Шигеллы - грамотрицательные неподвижные аэробные бактерии палочковидной формы, спор не образуют. Исследователи выделяют 4 вида бактерий: группа A - шигелла дизентерии (Shigella dysenteriae), в том числе палочки Григорьева-Шига (Sh. Dysenteriae 1), Штуцера-Шмица (Sh. Dysenteriae 2) и Лардж-Сакса (Sh. Dysenteriae 3-7); группа B - шигелла (бактерия) Флекснера (Shigella flexneri) с подвидом Ньюкастл (Sh.flexneri 6); группа C - шигелла (бактерия) Бойда (Shigella boydii); группа D - шигелла (бактерия) Зонне (Shigella sonnei).
Энтеробактерии (Enterobacteriacae) - Escherichia coli (кишечная палочка) - один из представителей нормальной кишечной флоры является сапрофитом толстого кишечника. Условно-патогенные и патогенные серотипы кишечной палочки вызывают различные формы инфекционного процесса. Нередки случаи, когда кишечная палочка в ассоциациях со стафилококком или некоторыми грамотрицательными бактериями (протей, синегнойная палочка) является причиной внутрибольничных инфекций [2].
Обсуждение результатов исследования
Результаты исследования антимикробной активности геля оксигидрата циркония. Для изучения антимикробного действия геля оксигидрата циркония использовали культуры таких бактерий, как Escherichia coli (кишечная палочка), Shigella Flexneri (Шигелла Флекснера) и Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка). Экспериментальные результаты исследования представлены в таблицах 2-7.
Таблица 2
Количество выросших колоний бактерий синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa)
Исходная концентрация (кол-во бактерий в 1 мл раствора) Рост микробных тел в дистиллированной воде, м.т./мл Рост микробных тел в геле без электрохимической ячейки, м.т./мл Рост микробных тел в геле в электрохимической ячейке, м.т./мл
2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч
104 сп сп сп сп сп сп сп сп сп
103 сп сп сп сп сп сп сп сп сп
102 сп сп сп сп сп сп 688 540 282
сп - сплошной рост.
На рисунке 3 показаны характерные выплески нанотока (нанокластеров) оксигидрата циркония, полученные в электрохимической ячейке с углеграфитовыми электродами.
Как видно из табл. 2, гель оксигидрата циркония не обладает сильным антимикробным действием. Численность колоний с течением времени нахождения в геле существенно уменьшается по сравнению с исходными концентрациями 104; 103 м.т./мл лишь для самой маленькой концентрации 102 под действием импульсного тока самоорганизации в электрохимической ячейке. Во всех остальных случаях наблюдается сплошной рост бактерий.
В таблице 3 приводятся результаты влияния геля (в том числе в электрохимической ячейке) на бактерии Escherichia coli. Анализ показал, что кишечная палочка очень чувствительна к действующему на нее геля окси-гидрата циркония в чистом виде, так и при помещении бактериальной культуры в прибор с электрохимической ячейкой, то есть при обработке бактерий частицами оксигидратных нанокластеров. Антимикробная эффективность геля в электрохимической ячейке наблюдается для всех исходных концентраций бактерий. Антимикробная активность одного чистого геля отмечена только при самой малой концентрации бактерий. В геле оксигид-рата циркония под воздействием импульсных частичных нанокластеров оксигидрата циркония концентрация бактерий уменьшилась в 10 и более раз, а в последнем разведении роста колоний бактерий вообще не наблюдается.
Таблица 4 содержит результаты исследования антимикробной активности геля оксигидрата циркония по отношению к культуре бактерий шигеллы Флекснера. В геле оксигидрата циркония в электрохимической ячейке рост бактерий шигеллы Флекснера существенно замедляется и практически полностью прекращается после длительного (6 ч) воздействия на относительно малые исходные концентрации бактерий. Однако антимикробный эффект действия чистого геля оксигидрата циркония на культуру шигеллы Флекснера меньше по сравнению с его действием на кишечную палочку в сотни раз. Электрохимическая ячейка и в данном случае резко усиливает антимикробное действие оксигидрата циркония.
Таблица 3
Количество выросших колоний бактерий кишечной палочки (Escherichia coli)
Исходная концентрация (кол-во бактерий в 1 мл раствора) Рост микробных тел в дистиллированной воде, м.т./мл Рост микробных тел в геле без электрохимической ячейки, м.т./мл Рост микробных тел в геле в электрохимической ячейке, м.т./мл
2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч
104 сп сп сп сп сп сп сп 714 118
103 сп сп сп сп сп сп 928 105 26
102 296 302 314 1 0 0 0 0 0
Таблица 4
Количество выросших колоний бактерий шигелла Флекснера (Shigella Flexneri)
Исходная концентрация (кол-во бактерий в 1 мл раствора) Рост микробных тел в дистиллированной воде, м.т./мл. Рост микробных тел в геле без электрохимической ячейки, м.т./мл. Рост микробных тел в геле в электрохимической ячейке, м.т./мл.
2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч
104 сп сп сп сп сп сп сп сп сп
103 сп сп сп сп сп сп сп 928 96
102 сп сп сп сп 2300 640 140 4 0
Результаты исследования антимикробной активности геля оксигидрата железа на те же культуры бактерий, что и в случае геля оксигидрата циркония на рост синегнойной палочки, приведены в таблице 5.
Таблица 5
Количество выросших колоний бактерий синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa)
Исходная концентрация (кол-во бактерий в 1 мл раствора) Рост микробных тел в дистиллированной воде, м.т./мл Рост микробных тел в геле без электрохимической ячейки, м.т./мл Рост микробных тел в геле в электрохимической ячейке, м.т./мл
2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч
104 сп сп сп сп сп сп сп сп сп
103 сп сп сп сп сп сп 1918 1192 574
102 сп сп сп 864 632 492 450 133 18
Из данных следует, что рост колоний синегнойной палочки уменьшался под воздействием геля на протяжении всего времени исследования. Однако электрохимическая кювета с гелем оксигидрата железа не привела к полному уничтожению (подавлению) синегнойной палочки. Вероятно при более длительном воздействии и меньшей концентрации бактерий возможно добиться полного уничтожения бактериальной культуры в коллоидном растворе. В естественных даже самых жестких природных условиях концентрация колоний бактерий синегнойной палочки не достигает величин 102 м.т./мл. В наших же исследованиях использовались повышенные концентрации колоний синегнойной палочки.
Результаты исследования антибактериального действия геля оксигидрата железа на культуру Escherichia coli представлены в таблице 6. На протяжении всего времени эксперимента рост колоний культуры кишечной палочки уменьшался (особенно в электрохимической ячейке). Можно полагать, что гель оксигидрата железа в ячейке также сильно подавляет развитие и рост бактерий данной культуры, но не столь эффективно, как гель оксигидрата циркония.
Таблица 6
Количество выросших колоний бактерий кишечной палочки (Escherichia coli)
Исходная концентрация (кол-во бактерий в 1 мл раствору Рост микробных тел в дистиллированной воде, м.т./мл Рост микробных тел в геле без электрохимической ячейки, м.т./мл Рост микробных тел в геле в электрохимической ячейке, м.т./мл
2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч
104 сп сп сп сп сп сп сп сп 908
103 сп сп сп сп сп сп 1506 332 108
102 305 312 326 268 186 178 258 89 22
По данным развития бактериальных колоний шигеллы Флекснера, можно заключить, что и в этом случае концентрация бактериальной культуры сильно уменьшается в ячейке с гелем при длительном (6 ч) воздействии ГОЖ в приборе с ячейкой. На опыте наглядно продемонстрированы кинетики резкого уменьшения количества колоний кишечной палочки и шигеллы Флекснера в гелевой среде оксигидрата циркония в электрохимической ячейке прибора (рис. 2) при разных разведениях культур. Прослеживается уменьшение количества колоний синегнойной палочки (концентрация в исходном растворе 102 м.т./мл.) в гелях оксигидрата железа и циркония во времени, помещенных в электрохимическую ячейку прибора. Оксигидрат железа очень хорошо нейтрализует бактерии синегнойной палочки, лучше, чем в случае оксигидрата циркония.
Таблица 7
Количество выросших колоний бактерий шигеллы Флекснера (Shigella Flexneri)
Исходная концентрация (кол-во бактерий в 1 мл раствора) Рост микробных тел в дистиллированной воде, м.т./мл. Рост микробных тел в геле без электрохимической ячейки, м.т./мл. Рост микробных тел в геле в электрохимической ячейке, м.т./мл.
2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч 2 ч 4 ч 6 ч
104 сп сп сп сп сп сп сп сп сп
103 сп сп сп сп сп сп сп сп 520
102 сп сп сп сп сп сп 834 580 198
Суммируя результаты исследований, можно отметить, что действие нанокластеров геля оксигидрата циркония на синегнойную палочку относительно слабое, независимо от того, исследуем ли ее рост одиночно или в смеси с другими культурами бактерий. Антимикробное действие геля на кишечную палочку ухудшается, если она находится в смеси с другими родами бактерий. Для стафилококка золотистого действие геля зависит от того, с какими культурами бактерий он находится в смеси. Если с синегнойной палочкой, то действие прибора сильное и длительное, если с кишечной палочкой, то сильное, но мгновенное и не длительное (бактерии "ле-чаться"). Изучение воздействия нанокластеров оксигидратных систем железа на кишечную, синегнойную палочки и на стафилококк золотистый, а также на их смесь показало, что уменьшение роста отдельных культур в их смеси наблюдается, но меньше, чем для оксигидрата циркония. После длительного воздействия геля окси-гидрата железа на бактериальные культуры концентрация бакколоний (рост) значительно сокращается.
I, нА
I, нА
280т
70
80
ЛГ
275 270 265 260
I-.-,-.-,-.-, 255^
0 160 320 480 0
1, мин
120 240 360 480 1;, мин
Рис. 3. Характерные выплески нанотока (нанокластеров) оксигидрата циркония
Механизм воздействия гелевых нанокластеров оксигидратов на бактерии. Как нами показано [4], спиралеобразные фрагменты оксигидратов металлов (нанокластеры) формируют на своей поверхности системы двойных электрических слоев. В результате дрейфа коллоидных частиц оксигидратов и ионов среды между электродами возникает разность потенциалов. Поток нанокластеров сопровождается специфической адсорбцией (по Штерну) в диффузном слое ДЭС оксигидратных фрагментов, что влечет поляризацию двойного электрического слоя. В результате периодических диссоциативных и конформационных перестроек, протекающих в оксигидратах металлов, структура ДЭС может разрушаться с выбросом нанокластерных частиц. Нанокластеры, выбрасываемые системой в результате конформационных перестроек, колеблются с определенной частотой и интенсивностью. Они способны создавать нанокластерные завихрения в реакционной системе. Возможно, эти завихрения распространяются на цитоплазму бактерии (бактериальную реакционую среду), затрудняя ее жизненную функцию.
Клеточная оболочка бактерии состоит из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, которая обеспечивает осматический барьер и избирательное проникновение веществ в клетку. Через стенку оболочки осуществляется вход и выход малых молекул, ферментов и экзотоксинов; на ее поверхности сгруппированы фосфатные группы липидов, в результате чего бактериальная клетка несет общий отрицательный заряд [9]. Цито-плазматическая мембрана клеточной оболочки обеспечивает постоянство внутриклеточного состава; ее сохранность является необходимым условием существования клетки. Мембрана состоит из фосфолипидов и белков, причем электроотрицательные гидрофильные части молекул полярных фосфолипидов обращены наружу, а гидрофобные (остатки жирных кислот) образуют внутри мембраны ряды параллельных углеводородных цепей. Входящие в состав мембраны белковые молекулы связаны с поверхностью мембраны или погружены в нее. Такая система стабилизирована электростатическими взаимодействиями полярных групп, а также гидрофобными взаимодействиями белков и липидов.
Для нас важен поверхностный заряд биологической мембраны, который создается полярными головками фосфолипидов, гликопротеидами (главным образом карбоксильными группами сиаловой кислоты и аминокислотными остатками). За счет этих веществ поверхность мембраны заряжена отрицательно. Поверхностный заряд плазмолеммы играет важнейшую роль, он способствует стабилизации мембранных структур, а также связыванию ионов, находящихся в межклеточной среде, что определяет внутриклеточные обменные процессы. Резкое изменение поверхностного заряда приводит к разрушению процессов метаболизма бактерий.
Механизм действия частиц нанокластеров (положительно и отрицательно заряженных) на микроорганизмы представляется следующим образом: гелевые нанокластеры оксигидратов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактериальной клетки, блокируя тем самым дыхание, питание, транспорт метаболитов через клеточную стенку бактерий (эффект зависит от величины общего заряда кластера). Кроме того, мелкие кластеры дифундируют через стенку клетки, вызывая необратимые структурные повреждения на уровне цито-плазматической мембраны, нуклеотида, цитоплазмы. Этот процесс зависит от величины поверхностной активности, липофильности, растворимости в воде, молекулярного объема дифундирующей частицы. Ионная часть нанокластера может связываться с кислотными фосфолипидами, белками цитоплазматической мембраны, что приводит к ее разрыву (этот эффект зависит от концентрации и молекулярной массы реагирующих фрагментов). Оказывает свое разрушительное воздействие на бактерий и катастрофический разряд адсорбционного макрокомплекса на углеграфитовой электропроводящей поверхности. При этом механизм антимикробного действия сводится к ингибирующему воздействию на транспорт электронов в процессе окислительного фосфо-рилирования бактерий. Результатом всех этих процессов является блокада гликолитических ферментов дыхательной системы, потеря патогенных свойств и гибель микробной клетки.
Выводы
1. Исследовано антимикробное действие оксигидратных гелей циркония и железа на группу патогенных и условно-патогенных бактерий. Установлено, что синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) имеет относительно низкую чувствительность к исследуемому гелю оксигидрата циркония в электрохимической ячейке, не обладает антимикробным действием. Численность колоний с течением времени нахождения в геле существенно уменьшается лишь при длительной обработке бактерий нанокластерами оксигидрата циркония. Очень чувствительна к действующему на нее геля в электрохимической ячейке кишечная палочка (Escherichia coli). В геле оксигидрата циркония под воздействием импульсных частичных нанокластеров концентрация бактерий уменьшилась в 10 и более раз, а в последнем разведении роста колоний бактерий вообще не наблюдается.
2. Рост бактерий шигеллы Флекснера существенно замедляется и практически полностью прекращается после 6 ч воздействия на относительно малые исходные концентрации бактерий. Антимикробный эффект геля оксигидрата циркония в приборе на культуру шигеллы Флекснера меньше по сравнению с его действием на кишечную палочку в сотни раз. Электрохимическая ячейка резко усиливает антимикробное действие оксигид-рата циркония на кишечную палочку. Антимикробная эффективность геля оксигидрата циркония наблюдается для всех исходных концентраций бактерий.
3. Электрохимические кюветы с гелем оксигидрата железа не приводит к полному уничтожению синегной-ной палочки. Длительное воздействие прибора и малая концентрации бактерий дает возможность добиться полного подавления бактериальной культуры в коллоидном растворе. Гель оксигидрата железа в ячейке сильно подавляет развитие и рост бактерий данной культуры, но не так эффективно, как гель оксигидрата циркония.
4. Антимикробное действие этого геля на кишечную палочку ухудшается, если она находится в смеси с другими родами бактерий. Для стафилококка золотистого действие геля зависит от того, с какими культурами бактерий он находится в смеси. Если с синегнойной палочкой, то действие сильное и длительное, если с кишечной палочкой, то сильное, но мгновенное, и не длительное.
5. Нанокластеры геля оксигидрата иттрия оказывает максимальное антимикробное действие по сравнению с нанокластерами оксигидратов циркония и железа. Это прослеживается даже для незначительных начальных разведений, когда в гелях оксигидратов циркония и железа наблюдался сплошной рост бактериальных культур. В случае гелей уже через 2 ч работы электрохимической ячейки заметно существенное снижение числа бактериальных колоний, а через 24 ч - для всех бактерий и при всех разведениях их рост не наблюдается, спустя 4 ч остаются единичные колонии бактерий.
6. Антимикробное действие увеличивается в ряду оксигидрат циркония - оксигидрат железа - оксигидрат иттрия.
7. Механизм действия частиц нанокластеров на микроорганизмы представляется так: гелевые нанокластеры оксигидратов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактериальной клетки, блокируя тем самым дыхание, питание, транспорт метаболитов через клеточную стенку бактерий. Ионная часть нанокластера может связываться с кислотными фосфолипидами, белками цитоплазматической мембраны, что приводит к ее разрыву (этот эффект зависит от концентрации и молекулярной массы реагирующих фрагментов).
Литература
1. Юшманова О.А. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. - М.: Агропромиздат, 1985. - 112 с.
2. Марков Б.А., Сухарев Ю.И., Апаликова И.Ю. Задача о каустиках стохастических потоковых кластеров оксигидратных систем // Бутлеровские сообщения. - 2013. - Т. 34, №.5. - С. 16-21.
3. Ивашков Е. А. Инфекции и антимикробная терапия. - М.: Медицина, 2002. - Т. 4. - 385 с.
4. Sucharev Y.I. Nonlinearity of Colloid Systems: Oxyhydrate Systems. - Switzerland, UK, USA: Trans Tech Publications, 2007. - 433 p.
5. Сухарев Ю.И., Марков Б.А. Нелинейность гелевых оксигидратных систем. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 468 c.
6. Шумовые, почти периодические колебания в оксигидратах d- и f-элементов / Ю.И. Сухарев, Б.А. Марков, И.Ю. Лебедева, И.А. Шарфунов // Бутлеровские сообщения. - 2009. - Т. 18, №8. - С. 36-48.
7. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с.
8. Sucharev Y.I. Wave Oscillations in Colloid Oxyhydrates. - Switzerland, UK, USA: Trans Tech Publications LTD, 2010. -497 p.
9. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. - СПб.: СпецЛит, 2007. - 559 с.
Сухарев Юрий Иванович, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химии твердого тела и нанопроцессов, Челябинский государственный университет, химический факультет, e-mail: sucharev74@mail.ru.
Ларионов Леонид Петрович, доктор медицинских наук, профессор, кафедра фармакологии, Уральская государственная медицинская академия, фармацевтический факультет, Екатеринбург.
Апаликова Инна Юрьевна, кандидат химических наук, доцент, кафедра химии твердого тела и нанопроцессов, Челябинский государственный университет, e-mail: Apal-inna@yandex.ru.
Лебедева Ирина Юрьевна, кандидат химических наук, доцент, кафедра химии твердого тела и нанопроцессов, Челябинский государственный университет.
В.Г. Будагаева, Д.Д. Бархутова, CT. Доржиева. Минералообразование в микробных матах термальных источников Байкальской рифтовой зоны_
Ковалева Ирина Васильевна, аспирант, кафедра общей математики, Южно-Уральский государственный университет, e-mail: kiv_susu@mail.ru.
Кузьмина Наталья Владимировна, аспирант, кафедра химии твердого тела и нанопроцессов, Челябинский государственный университет.
Тарамина Евгения Викторовна, аспирант, кафедра химии твердого тела и нанопроцессов, Челябинский государственный университет.
Кузнецов Александр Леонидович, аспирант, кафедра химии твердого тела и нанопроцессов, Челябинский государственный университет.
Sukharev Yuri Ivanovich, professor, Head Department оf Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University, Department of Chemistry, e-mail: sucharev74@mail.ru.
Larionov Leonid Petrovich, professor, doctor of pharmacology, Urals State Medical Academy, Faculty of Pharmacy, Department of Pharmacology, Ekaterinburg, Russia
Apalikova Inna Yurevna, associate professor, Department of Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University, e-mail: Apal-inna@yandex.ru.
Lebedeva Irina, associate professor, Department of Solid State Chemistry and nanoprocesses, Chelyabinsk State University
Kovalev Irina Vasilevna, postgraduate student, Department of General Mathematics, South Ural State University, Chelyabinsk, e-mail: kiv_susu@mail.ru.
Kuzmina Natalia Vladimirovna, graduate student, Department of Chemistry of Solid State and nanoprocesses, Chelyabinsk State University
Taramina Evgeniya Viktorovna, graduate student, Department of Chemistry rigid body-building and nanoprocesses, Chelyabinsk State University
Kuznetsov Alexander Leonidovich, postgraduate student, Department of Solid State Chemistry and nanoprocesses
УДК 549.02 (579.22) © В.Г. Будагаева, Д.Д. Бархутова, C.r. Доржиева
МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В МИКРОБНЫХ МАТАХ ТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-04-р_сибирь_а, Интеграционных проектов СО РАН №№ 94 и 5
Изучен фазовый состав минералов, формирующихся в цианобактериальных сообществах на выходе термальных источников Байкальской рифтовой зоны. Среди минералов выявлены кальцит, кремнезем и силикаты разного состава.
Ключевые слова: минералообразование, дифрактограмма, кремнезем, кальцит, силикаты.
V.G. Budagaeva, D.D. Barkhutova, S.G. Dorzhieva
MINERAL FORMATION IN THE THERMAL SPRINGS MICROBIAL MATS
OF THE BAIKAL RIFT ZONE
The phase composition of the minerals formed in cyanobacterial communities output of the thermal springs of the Baikal rift zone was studied. Among minerals calcite, silica and silicates of various compositions were identified.
Keywords: mineral formation, X-ray diffraction pattern, silica, calcite, silicates
Цианобактериальные маты в термальных источниках образуют ярко выраженную слоистую структуру с характерным чередованием зон развития определенных групп микроорганизмов со слоями минералов [1]. Мине-ралообразованию в тонких прослойках, приуроченных к определенной группе микроорганизмов, способствует крайне низкая проницаемость матов, которая предполагает молекулярную диффузию в мате и сводит к минимуму эффект разбавления. В результате резкие изменения рН и Eh, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов, приводят к изменению равновесия раствора и вызывают осаждение тех соединений, которые не способны находиться в растворе в этих условиях. Микроорганизмы участвуют в процессах осаждения минералов либо непосредственно, либо косвенным путем, предоставляя твердые поверхности для гетерогенной нуклеации.
Целью работы является изучение и сравнение органо-минерального состава микробных матов термальных источников Байкальской рифтовой зоны (БРЗ).
Объекты исследования - термальные источники Алла, Гарга, Сеюя и Уро, расположенные в Курумканском и Баргузинском районах Республики Бурятия. Пробы микробных матов были отобраны в 2010-2013 гг. До проведения анализов пробы хранили при +4°С. Содержание кремния определяли фотометрически. Фазовый состав органо-минералов осуществляли с помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре D-8 Advance фирмы BRUKER AXS (СиКа-излучение, графитовый монохроматор).
