CC BY
16УДК 541.619, 615.33.576.8
Д.М. МОГНОНОВ1,2, д-р хим. наук ([email protected]);
С.А. СТЕЛЬМАХ1, канд. хим. наук ([email protected]), О.Ж. АЮРОВА1, канд. техн. наук ([email protected]), М.Н. ГРИГОРЬЕВА1, инженер, О.С. ОЧИРОВ1, канд. фарм. наук ([email protected]); С.Л. БУЯНТУЕВ2, д-р техн. наук ([email protected]), С.Н. ЛЕБЕДЕВА2, д-р биол. наук, С.Д. ЖАМСАРАНОВА2, д-р биол. наук
1 Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН (670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6)
2 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 В)
Антисептик для деревянных строительных конструкций
w 4>
и изделий на основе водорастворимых полигуанидинов
Рассмотрена возможность применения полигуанидинов (ПГМГгх) и сополимеров на их основе в качестве эффективных и нетоксичных антисептиков для деревянных конструкций и изделий. Дана оценка антибактериальной активности водорастворимых сополимеров на основе гуанидина относительно условно-патогенных микроорганизмов Escherichia coli, Basilius cereus и дрожжеподобных грибов Candida albicans методом серийных разведений. Изучено увеличение биоцидной активности полимеров с ростом гидрофобности макромолекулы. Установлен уровень острой токсичности исследуемых образцов полимеров. Показано, что согласно требованиям табуляции классов токсичности все исследованные препараты при внутрижелудочном пути введения относятся к четвертому классу токсичности (LD50 >300<2000 мг/кг). Сочетание свойств полученных (со)полимеров с гидрофобными фрагментами предполагает их использование в качестве перспективных антисептических материалов для обработки древесины.
Ключевые слова: поликонденсация, полигуанидины, антисептические свойства, антибактериальные свойства, токсичность.
Для цитирования: Могнонов Д.М., Стельмах С.А., Аюрова О.Ж., Григорьева М.Н., Очиров О.С., Буянтуев С.Л., Лебедева С.Н., Жамсаранова С.Д. Антисептик для деревянных строительных конструкций и изделий на основе водорастворимых полигуанидинов // Строительные материалы. 2018. № 1-2. С. 91-94.
D.M. MOGNONOV1,2, Doctor of Science (Chemistry) ([email protected]); S.A. STEl'MAKH1, Candidate of Science (Chemistry) ([email protected]), O.Zh. AYUROVA1, Candidate of Science (Engineering) ([email protected]), M.N. GRIGOR'EVA1, Engineer,
O.S. OCHIROV1, Candidate of Science (Pharmacology) ([email protected]); S.L. BUEANTUEV2, Doctor of Science(Engineering) ([email protected]), S.N. LEBEDEVA2, Doctor of Science (Biology), S.D. ZHAMSARANOVA2, Doctor of Science (Biology)
1 Baikal Institute of Nature Management Siberian Branch of the Russian Academy of Science (6, Sakhyanovoy Street, Republic of Buryatia, Ulan-Ude, 670047, Russian Federation)
2 East-Siberian State University of Technology and Management (40 V, Klyuchevskaya Street, Republic of Buryatia, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation)
Antiseptic for Wooden Building Structures and Products on the Basis of Water Soluble Polyguanidines*
The possibility of application of polyguanidines (PGMGgh) and co-polymers on their basis as efficient and non-toxic antiseptics for wooden structures and products is considered. The estimation of antibacterial activity of water-soluble co-polymers on the basis of guanidine concerning conditional-pathogenic microorganisms Escherichia coli, Basillus cereus and yeast-fungi Candida albicans is made by the method of serial delution. The increase in the biocidal activity of polymers with increasing hydrophobicity of the macromolecule was studied. The level of acute toxicity of studied samples of polymers has been established. It is shown that according to the requirements of the tabulation of toxicity classes all the studied preparations, when introducing intragastrically belong to the forth class of toxicity (LD50>300<2000 mg/kg). The combination of properties of obtained (co)polymers with hydrophobic fragments suggests their use as prospective antiseptic materials for wood treatment.
Keywords: polycondensation, polyguanidines, antiseptic properties, anti-bacterial properties, toxicity.
For citation: Mognonov D.M., Stel'makh S.A., Ayurova O.Zh., Grigor'eva M.N., Ochirov O.S., Bueantuev S.L., Lebedeva S.N., Zhamsaranova S.D. Antiseptic for wooden building structures and products on the basis of water soluble polyguanidines. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 1-2, pp. 91-94. (In Russian).
Древесина — древнейший строительный материал, который широко применяется и в настоящее время. Достоинствами древесины являются: относительно высокая прочность; малая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность; хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам; малая теплопроводность и теплоизоляционные свойства; химическая стойкость; хорошая технологичность (легкость обработки и изготовление изделий). К недостаткам древесины следует отнести гигроскопичность, неогнестойкость, склонность к гниению в результате жизнедеятельности различных микроорганизмов, что значительно ухудшает ее эксплуатационные характеристики и сокращает срок службы деревянных строительных конструкций. Древесные материалы легко
поддаются поражению деревоокрашивающих и плесневых грибов, а также бактерий, особенно в условиях высокой влажности, которые развиваются на древесине всех пород. В результате их воздействия на древесину выделяются пигменты, а на поверхности появляется темный налет, состоящий из спор и мицелий. При этом пораженная древесина не теряет своей прочности, но в месте их распространения повышается водопроницаемость и тем самым создаются благоприятные условия для развития более опасных дереворазру-шающих микроорганизмов, разлагающих лигнин и целлюлозу.
Плесневые грибы и бактерии, находящиеся в древесине, опасны для человека ввиду возможности попадания их спор в дыхательные пути и возникновения раз-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Бурятия в рамках научного проекта № 15-43-04205 и государственного задания БИП СО РАН (проект № 0339-2016-0006).
* The research was carried out with the financial support of the RFBR and the Government of the Republic of Buryatia within the framework of the scientific project No. 15-43-04205 and within the framework of the state assignment of the BINM of the SB RAS (project No. 0339-2016-0006).
личных заболеваний (бронхиальная астма, аллергические реакции и др.).
Для предотвращения негативного действия микроорганизмов древесину обрабатывают различными антисептиками, которые должны отвечать следующим требованиям: высокая токсичность по отношению к микроорганизмам, безвредность для человека и животных, отсутствие неприятного запаха, стойкость, хорошее проникновение в глубь древесины, отсутствие коррозионного эффекта по отношению к металлическим соединениям и креплениям. На практике преимущественно применяют высокотоксичные соединения: пентахлор-фенолят натрия, препарат ХМ-5, фторхроммышьяковые препараты (ФХН), хромхлорид цинка (ХХЦ), медьхром-хлорид цинка (МХХЦ), полихлорированные органические соединения, фтористый натрий [1]. Контакт с древесиной, пропитанной такими препаратами, а в особенности ее обработка, становится чрезвычайно опасным для человека и требует обязательного использования средств индивидуальной защиты, чем зачастую пренебрегают в реальном строительстве.
В связи с указанным актуальным становится поиск новых высокоэффективных антисептических препаратов, отвечающих как требованиям безопасности, так и коммерческой доступности.
Высокая биоцидная активность, низкая токсичность (3-й — 4-й классы опасности) [2], дешевизна мономеров, простота синтеза, низкая коррозионная активность, способность длительное время сохранять антисептические свойства делают водорастворимые полигу-анидины перспективными антисептиками для защиты древесины от биологических повреждений.
Цель проведенных исследований — синтез сополимеров гидрохлоридов полигуанидинов и изучение их антимикробных, фунгицидных и токсикологических свойств для разработки препарата для антисептической обработки как строительных материалов из древесины, так и уже готовых конструкций из нее.
Исходные вещества. Гуанидин гидрохлорида (ГГХ) использовали без предварительной очистки (чистота 99%, Тпл=185-189оС). Гексаметилендиамин (ГМДА) очищали перегонкой при 205оС, фракция 202—205оС. N-октиламин (чистота 99%) применяли без предварительной очистки.
Синтез полимеров. Полигексаметиленгуанидин гидрохлорида (ПГМГгх) получали методом поликонденсации в расплаве эквимолярных количеств мономеров в две стадии в течение 6 ч. Первый этап при 165оС проводили 2,5 ч, затем температуру повышали до 185оС. Синтез n-октил-замещенных полимеров выполняли in situ добавлением n-октиламина к ГМДА и ГГХ.
Методы исследования. ИК-спектры получены на ИК-спектрометре ALPHA (Broker, Германия) на приставке НПВО с кристаллом ZnSe в диапазоне волновых чисел 4000—600 см-1. Интерпретации ИК-спектров выполняли с помощью программы Bio-Rad Laboratories IRMaster™6.5.
Оценку токсичности проводили в соответствии с [3], ГОСТ 32644—2014 «Методы испытания по воздействию химической продукции на организм человека» и Руководством 1.2.3156-13 «Оценка токсичности и опасности химических веществ и их смесей для здоровья человека». Все исследовательские работы выполняли в соответствии с общепринятыми этическими нормами
обращения с животными на основе стандартных операционных процедур, принятых в организации, выполняющей исследования, которые соответствуют правилам, принятым Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для исследовательских и иных научных целей (European Convention for the Protection of vertebrate Animais Used for Expérimental and other Scientific Purposes (ETS 123), Strasbourg. 1986).
Перед опытом животных в течение 6 ч выдерживали на голодной диете, после чего взвешивали и распределяли по группам. В каждую экспериментальную группу входили шесть особей. Испытуемые дозы препаратов рассчитывали в мг/кг на кг массы тела животного. Исследуемые препараты растворяли в воде и вводили в объеме 0,2 мл на одно животное натощак с помощью внутрижелудочного металлического зонда. Препараты вводили в возрастающих дозах. Контрольным мышам вводили воду в том же объеме. Пищу животным давали через 1—2 ч после введения препарата. Продолжительность наблюдения за состоянием здоровья животных составляла 14 дней, причем в первый день после введения животные находились под непрерывным наблюдением. Регулярно фиксировалось общее состояние животных, особенности их поведения, отмечались клинические симптомы интоксикации, количество заболевших и павших животных, сроки наступления их гибели. Проводили патологоанатомические исследования погибших особей [3].
На основании полученных данных методами Беренса, Кербера и Першина рассчитывали значения острой токсичности препарата [4].
Синтез полигуанидина осуществляли реакцией поликонденсации ГГХ и ГМДА, протекающей по механизму нуклеофильного замещения [5] согласно схеме 1.
Заметное увеличение молекулярной массы (вязкость раствора) наблюдается в первые 4 ч синтеза. Замедление роста молекулярной массы полимера после 4 ч синтеза для эквимолярного соотношения, вероятно, связано с потерей подвижности макромолекул полимера, поскольку для поликонденсации в расплаве лимитирующим этапом является диффузия друг к другу реакционных центров, образующихся макромолекуляр-ных цепей [6].
Согласно механизму реакции диаминов и солей гуа-нидинов [7], взаимодействие ГМДА и ГГХ приводит к формированию полимерной цепи, а третья аминогруппа гуанидина позволяет получать алкилированный структурный фрагмент реакцией с n-октиламином по схеме 2.
Полученный материал содержит различное количество n-октилзамещенных гуанидиновых групп, поэтому их можно рассматривать как сополимеры гмда/ГГХ/n-октилзамещенный ГГХ. Это подтверждается данными ИК-спектроскопии. Для сополимера наблюдается отчетливое плечо при 2967 см-1, соответствующее валентным колебаниям групп СН3 [7]. Расщепление гуаниди-новой полосы связано с наличием в структуре полимерной цепи как n-октилзамещенных, так и незамещенных по третьей аминогруппе гуанидиновых звеньев. Расщепление может быть вызвано формированием моно- и диоктилзамещенных концевых гуанидиновых фрагментов. Следует отметить, что ИК-спектры всех полученных n-октилзамещенных полимеров имеют сходный характер. Отличие заключается в интенсивности плеча
П®
h2n u nh2
x h2n—(сн2)б—nh2-
■xnh3
Схема 1
NH2
„е
HN C1 NH—(СН2)б \©/
nh2
научно-технический и производственный журнал '■^Tf'DM^HJlbi.rl.-jJ.s
e
h2nC]nh2
mH2N-(CH2)6—NH2 + m С
NH2
Схема 2
nCH3(CH2)7-NH2 -(2m+n)NH3
e
—(CH2)6—HN^NH-
c
I
nh2 j
m-n
e
(CH2)6-HN <2 NH-
c
CH3-(CH2M
NH
/
Препарат LD50 по Першину LD50 по Беренсу LD50 по Керберу
ПГМГгх (I) 850±112,02 850±112,02 850±112,02
n-октилзамещенный ПГМГгх (II) 1150±137,4 1166,6±137,4 1150±137,4
при 2967 см-1 и пиков при 1050 и 880 см-1, причем их интенсивность возрастает с увеличением содержания алкилированного фрагмента.
Определение антимикробной активности (со)поли-меров проводили на грамположительных и грамотрица-тельных бактериях (B.cereus и E.coli соответственно), дрожжеподобных грибах (Candida albicans), в качестве полимерного тест-образца выступал полигексаметилен-гуанидина гидрохлорид (ПГМГгх), что обусловлено его широким применением в качестве действующего вещества многих современных дезинфекционных средств. Оценку антибактериальных свойств проводили на основе метода серийных разведений в агаре.
Установлено, что микроорганизмы E.coli обладают наибольшей чувствительностью к продуктам с высокими степенями замещения гидрофобными фрагментами; для B.cereus также наблюдается динамика увеличения биоцидного эффекта с ростом гидрофобности макромолекулы, но с менее выраженным действием. При воздействии на грибы наблюдается полное их угнетение, причем этот процесс характерен для всех исследуемых полигуанидинов [8].
Из данных в работе [9] известно, что способность полимеров связываться с клеточной мембраной бактериальной клетки в основном определяется наличием в макромолекуле положительно заряженных групп и наличием на поверхности клетки отрицательного заряда, обусловленного фосфатными группами липидов. При контакте с клеткой сначала происходит электростатическое взаимодействие, которое приводит к введению положительно заряженных фрагментов макромолекулы в липидный монослой мембраны; в результате меняются сначала проницаемость, а затем и целостность мембраны, что приводит к разрушению клетки.
Введение в макромолекулярную цепь гидрофобного фрагмента (октильный заместитель) позволяет повысить сорбцию таких макромолекул на бактериальную клеточную стенку в результате гидрофобных взаимодействий, что и приводит к увеличению антимикробной активности. Это объясняет зависимость биоцидного действия полигуанидинов от их строения.
В работе [10] показано, что появление множественной «лекарственной» устойчивости у грибов, как правило, связано со сверхактивацией так называемых
Список литературы
1. Bourne G.H. Dietary research and guidance in health and disease. 1986. 269 p.
2. Воинцева И.И., Гембицкий П.А. Полигуанидины — дезинфекционные средства и полифункциональные добавки в композиционные материалы. М.: ЛКМ-пресс, 2009. 304 с.
3. Миронов А.Н., Бунатян Н.Д. и др. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. М.: Гриф и Ко, 2012. Ч. 1. С. 13—17.
4. Прозоровский В.Б. Статистическая обработка результатов фармакологических исследований //
ABC-переносчиков — мембранных ферментов, выкачивающих нежелательные вещества из клетки, тем самым препятствующих доставке антигрибковых препаратов внутрь. Использование высокогидрофобных соединений алкилродаминов позволяет «обмануть» ABC-пере-носчики, которые будут активно заняты работой по выкачиванию опасных веществ, но поскольку эти соединения содержат много гидрофобных фрагментов (ал-кильные), то они сразу же после этого захватываются клеткой обратно, тем самым снижая эффективность работы защитных механизмов грибов. Таким образом, появится возможность для подавления устойчивости и эффективной борьбы с грибками. А так как увеличение антимикробной и антигрибковой активности подчиняется схожим принципам [11] можно предполагать, что использование алкилированных полигуанидинов будет наиболее предпочтительно по сравнению с широкоис-пользуемым в дезинфекции ПГМГгх.
Одним из основных критериев применения биоцид-ных препаратов является их токсичность. Так как процесс обработки древесины происходит в контакте с человеком, возможность применения антисептических препаратов без определения их токсичности недопустима. Исследование токсичности полимеров, обладающих более выраженным антимикробным эффектом, проводили на лабораторных животных токсикометрической оценкой и изучением симптомокомплекса интоксикации при однократном поступлении препарата в организм пероральным введением. В таблице приведены сравнительные данные по определению LD50 ПГМГгх и его производных различными методами (мг/кг).
Результаты проведенных исследований показали, что согласно требованиям табуляции классов токсичности все изученные препараты при внутрижелудоч-ном пути введения относятся к 4-му классу токсичности (LD50>300<2000 мг/кг. Руководство Р 1.2.3156-13).
Заключение.
Сочетание низкой токсичности с высокими показателями антибактериальной активности представленных веществ предполагает возможность их использования в качестве эффективных антисептических средств, не оказывающих негативного влияния на человека и окружающую его среду.
References
1. Bourne G.H. Dietary research and guidance in health and disease. 1986. 269 p.
2. Vointseva I.I., Gembitskii P.A. Poliguanidiny — dez-infektsionnyye sredstva i polifunktsional'nyye dobavki v kompozitsionnyye materialy [Polyguanidines are disinfectants and polyfunctional additives in composite materials]. Moscow: LKM-press, 2009. 304 p.
3. Mironov A.N., Bunatyan N.D. i dr. Rukovodstvo po pro-vedeniu doklinicheskikh issledovaniy i lekarstvennykh sredstv [A guide to preclinical drug research.]. Moscow: Grif i Ko. 2012. Part 1, pp. 13-17.
Психофармакологическая и биологическая наркология. 2007. № 3-4 (7). С. 2090-2120.
5. Стельмах С.А., Базарон Л.У., Могнонов Д.М. О механизме поликонденсации гексаметилендиамина и гуанидин гидрохлорида // Журнал прикладной химии. 2010. Т. 83. № 2. С. 344-346.
6. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М.: Химия, 1978. 544 с.
7. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений. М.: Мир, 1965. 219 с.
8. Стельмах С. А., Гаркушева Н. М., Очиров О. С. и др. Синтез N-октил и N-фенилзамещенных (со)поли-меров полиалкилгуанидинового ряда и их антимикробная активность по отношению к условно-патогенным микроорганизмам // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. Т. 24. № 6. С. 795-803.
9. Сивец Н., Панкратов О., Мазолевский Д., Кра-сильников А., Рябцева Н. Антисептик мукосанин -инновационная разработка // Медицинский вестник. 2009. http://www.medvestnik.by/ru/sovremennii_ podxod/view/antiseptik-mukosanin-innovatsionnaja-razrabotka-6537-2009/
10. Knorre D.A., Besedina E., Karavaeva Iu.E., Smirno-va E.A., Markova O.V., Severin F.F. Alkylrhodamines enhance the toxicity of clotrimazole and benzalkonium chloride by interfering with yeast pleiotropic ABCtransporters // FEMS Yeast Research. 2016. Vol. 16. Iss. 4. fow030. https://doi.org/10.1093/femsyr/ fow030.
11. Григорьева М.Н., Стельмах С.А., Астахова С.А. и др. Синтез сополимеров гидрохлоридов полиал-килгуанидинов и их антибактериальная активность в отношении условно-патогенных микроорганизмов bacillus cereus и escherichia coli // Химико-фармацевтический журнал. 2015. Т. 49. № 2. С. 29-33.
4. Prozorovskiy V.B. Statistical processing of the results of pharmacological studies. Psikhofarmakologicheskaya i bi-ologicheskaya narkologiya. 2007. No. 3—4 (7), pp. 2090— 2120. (In Russian).
5. Stelmakh S.A., Bazaron L.U., Mognonov D.M. About the mechanism of polycondensation of hexamethylenedi-amine and guanidine hydrochloride. Zhurnal prikladnoi khimii. 2010. Vol. 83. No. 2, pp. 344-346. (In Russian).
6. Tager A.A. Fizikokhimiya polimerov [Physicochemistry of polymers]. Moscow: Khimiya. 1978. 544 p.
7. Nakanisi K. Infrakrasnie spektry i stroyenie or-ganicheskikh soyedineniy [Infrared spectra and the structure of organic compounds.]. Moscow: Mir. 1965. 219 p.
8. Stel'makh S.A., Garkusheva N.M., Ochirov O.S. i dr. Synthesis of N-octyl and N-phenyl-substituted (co) polymers of the polyalkylguanidine series and their antimicrobial activity with respect to opportunistic microorganisms. Khimiya v interesakh ustoychivogo razvitiya. 2016. Vol. 24. No. 6, pp. 795-803. (In Russian).
9. Sivets N., Pankratov O., Mazolevskiy D., Krasil'nikov A., Ryabtseva N. Antiseptic mukosanin — innovative development. Meditsinskiy vestnik. 2009. http://www.medvestnik. by/ru/sovremennii_podxod/view/antiseptik-mukosanin-innovatsionnaja-razrabotka-6537-2009/. (In Russian).
10. Knorre D.A., Besedina E., Karavaeva Iu.E., Smirno-va E.A., Markova O.V., Severin F.F. Alkylrhodamines enhance the toxicity of clotrimazole and Fbenzalkonium chloride by interfering with yeast pleiotropic ABCtransporters. FEMS Yeast Research. Vol. 16. Iss. 4. fow030. https://Doi.org/10.1093/femsyr/fow030.
11. Grigor'eva M.N., Stel'makh S.A., Astakhova S.A. and etc. Synthesis of copolymers of polyalkylguanidine hy-drochlorides and their antibacterial activity against opportunistic microorganisms of bacillus cereus and esche-richia coli. Khimiko-farmatsevticheskii zhurnal. 2015. Vol. 49. No. 2, pp. 29-33. (In Russian).
20-21 сентября 2018 г.
Республика Беларусь г. Минск
Оргкомитет: 140050, Московская обл., п. Красково, ул. К. Маркса, д. 117, РГА Телефон: +7 8-916-501-36-56 E-mail: [email protected] www.rosgips.ru
ЕР
Российская гипсовая ассоциация Московский государственный строительный университет Научно-исследовательский институт строительной физики
Девятая Международная конференция
«Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий»
Тематика конференции:
■ технический прогресс в области гипсовых материалов и изделий (исследования, производство и применение)
■ ангидритовые вяжущие
■ гипсовые материалы в малоэтажном строительстве
■ привлекательность и механизмы инноваций в гипсовой отрасли
■ современное оборудование для производства гипсовых вяжущих, материалов и изделий на их основе
■ лаборатории, менеджмент качества, экологический менеджмент и их роль в обеспечении качества и долговечности гипсовых материалов
■ нормативно-техническая документация в соответствии с современными требованиями
■ обучение и переподготовка специалистов в области производства и применения гипсовых материалов и изделий
Генеральный информационный спонсор: журнал
Строительные Материалы*
