CC BY
9ВОДА, ЕЕ СВОЙСТВА. ВОДОПОДГОТОВКА, ПРИМЕНЕНИЕ
WATER, ITS PROPERTIES. WATER PREPARATION, APPLICATION
Статья поступила в редакцию 16.01.13. Ред. рег. № 1497
The article has entered in publishing office 16.01.13. Ed. reg. No. 1497
УДК 628.16
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ
З. Гемиш, П. Бахманн, К.Г. Ивахнюк, О.А. Воронцов, Е.В. Зиновьев
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) 190013 Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26 Тел./факс: (812) 494-93-37, e-mail: fireside@inbox.ru
Заключение совета рецензентов: 20.01.13 Заключение совета экспертов: 25.01.13 Принято к публикации: 27.01.13
Описаны современные воззрения на надмолекулярную структуру воды. Представлены результаты исследования влияния электрофизической обработки воды на ее физико-химические и биологические свойства при воздействии переменного электрического поля. Выявлена ее повышенная эффективность как экстрагента при извлечении веществ из растительного сырья и как активатора в процессах спиртового и молочнокислого брожения. Зафиксировано повышение активности ферментных систем и увеличение накопления биомассы базидомицетов Coprinus sp. Приведены данные о возможном медицинском применении полиакриловых гелей на основе электрофизически активированной воды.
Ключевые слова: переменный частотно-модулируемый сигнал, изменение физико-химических свойств дистиллированной воды, водородная связь.
CONCERNING THE EFFECT OF ALTERNATING FREQUENCY-MODULATED SIGNAL ON CHANGES IN PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF DISTILLED WATER
Z. Gemish, P. Bahmann, K.G. Ivahnyuk, O.A. Vorontsov, E.V. Zinoviev
St. Petersburg State Technological Institute (Technical University) 26 Moscow ave., St. Petersburg, 190013, Russia Tel./fax: (812) 494-93-37, e-mail: fireside@inbox.ru
Referred: 20.01.13 Expertise: 25.01.13 Accepted: 27.01.13
The given research work describes the modern conception of the supramolecular structure of water. It presents the results of studies of the effect of electrophysical water treatment by apposition an alternating electric potential generated by electrodes of special device on its physicochemical and biological properties. The research revealed its high efficiency as an extractant for extracting substances from plants and as an activator in the process of alcohol and lactic fermentation. The increased activity of enzyme systems and an increase in biomass accumulation of basidiomycete Coprinus sp. was also recorded as well as there were obtained some data on the possible medical use of polyacrylic gels based on electrophysical activated water.
Keywords: an alternating frequency-modulated signal, changes of physical and chemical properties of distilled water, hydrogen bond.
Считают, что надмолекулярную структуру воды можно целенаправленно изменять с помощью физических или химических воздействий и, таким образом, получать воду с различной биологической или химической активностью [1].
Большинство гипотез о надмолекулярной структуре воды базируется на ряде ее аномальных свойств и допущениях о существовании устойчивого первичного ассоциата, состоящего из четырех молекул воды, связанных между собой Н-связями. Вода в этом случае предстает не как смесь мономолекул, а как сложная система их ассоциатов с различной структурой и
пространственной организацией в виде, например, термически устойчивых тетрамеров, связанных сильными (в тетрамерах) и слабыми (между тетрамерами) и очень слабыми водородными связями между молекулами, а также между растворенными газами, минеральными и органическими примесями [2].
Внешнее воздействие выводит такую систему из равновесия, и в ней возникают процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Это приводит к увеличению количества мелких ассоциа-тов вплоть до тетрамеров: [Н804]п о п(Н20)4 (рис. 1).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Рис. 1. Схемы образования ассоциата Н10О8 за счет слабых Н-связей из двух тетрамеров воды: А - циклическое строение; Б - линейное строение:
I - основная молекула воды, образующая тетрамер;
II - водородная связь, соединяющая два тетрамера Fig. 1. Schemes of bonding for Н10О8 associate by weak
hydrogen bonds of the two water tetramers: А - cyclic structure; Б - linear structure: I - basic water molecule, forming a tetramer; II - hydrogen bond connecting the two tetramers
При прекращении воздействия в системе постепенно восстанавливаются нарушенные Н-связи и вновь возникают полиассоциаты, характерные для нового равновесного состояния.
Воздействия любой природы на воду, в данном случае электрические, посредством приложения к ней переменного электрического потенциала (далее переменный частотно-модулированный сигнал (ПЧМС)), вызывают изменения упорядоченности и структуры полиассоциатов, происходящие одновременно во всем объеме и носящие кооперативный характер. Перестройка надмолекулярной структуры воды на уровне полиассоциатов сказываются на ее макросвойствах, которые могут быть оценены инструментально.
Нами продолжаются исследования по изучению изменений физико-химических свойств и биологической активности воды, вызванных электрофизическим воздействием ПЧМС.
Так, например, результаты определения осмотического давления водного раствора №С1, доли испарившейся воды, ее поверхностного натяжения, динамической вязкости в зависимости от времени ее обработки представлены на рис. 2-5.
Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения дистиллированной воды от времени ее обработки ПЧМС Fig. 2. Dependence of the surface tension of distilled water on the duration of the processing of its with AFMS
Рис. 3. Влияние времени электрофизической обработки на величину осмотического давления 1% масс. раствора NaCl Fig. 3. Effect of the duration of electrophysical treatment on the value of the osmotic pressure of 1 % solution of NaCl
Рис. 4. Испаряемость дистиллированной воды в зависимости от условий обработки ее ПЧМС Fig. 4. The volatility of distilled water depending on the processing of its with AFMS
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 1СЭ © Научно-технический центр «TATA», 2013
Динамическая вязкость, мПас
0,975 -I————————————
0 30 60
Время обработки, мин
Рис. 5. Зависимость динамической вязкости дистиллированной воды от времени ее обработки ПЧМС Fig. 5. The dependence of the dynamic viscosity of distilled water on the duration of the processing of its with AFMS
листьев чая, было установлено, что их более полное извлечение наблюдается в случае, если непосредственно воздействовать ПЧМС на систему «растительное сырье - экстрагент» (рис. 6, табл. 1).
Таблица 1
Экстрагирование чайных лепестков дистиллированой водой
Table 1
Water extraction of tea petals
Проба, час Оптическая плотность D
Обрабатыв. ПЧМС Контр. образец
6 1,22 1,02
12 1,30 1,16
24 1,40 1,38
48 1,53 1,52
72 1,72 1,68
Полученные данные позволяют предположить, что надмолекулярные образования обработанной ПЧМС воды становятся менее сложными, изменяясь, возможно, от тетраэдрической к плоскостной конфигурации за счет разрыва водородных связей.
Рис. 6. Зависимость оптической плотности водного экстракта
чая от продолжительности контакта с экстрагентом Fig. 6. Dependence of the optical density of the aqueous extract of tea on the duration of contact with the extractant
Из рис. 8 следует, что проба с чаем, которая длительное время находилась под воздействием ПЧМС, наиболее окрашена. Отмечается, что значение оптической плотности в этом случае увеличилось более чем на 2%. Последнее объясняется тем, что под воздействием ПЧМС происходит дополнительное разрушение структуры клеток, вероятно, в результате плазмолиза.
Учитывая тот факт, что ПЧМС оказывает положительное воздействие на воду, повышая ее биологическую активность (осмотическое давление), представилось интересным изучить его влияние на молокосвер-тывающую способность культуральной жидкости высшего базидиомицета Coprinus sp. и кинетику прироста биомассы продуцента при его глубоком культивировании.
Результаты этих исследований сведены в табл. 2 и приведены на рис. 7-8.
Таблица 2
Результаты воздействия переменного частотно-модулированного сигнала на прирост продуцента
Table 2
The effects of alternating frequency-modulated signal on increase of the producer
Положительный эффект электрофизической обработки воды сказался и на извлечении из растительного сырья некоторых биологически активных веществ (БАВ), где подобная вода выступила в качестве весьма эффективного экстрагента по сравнению с необработанной. При извлечении БАВ обработанной дистиллированной водой из травы зверобоя продырявленного (Hypericum perforatum) зафиксировано повышение выхода дубильных веществ на 30,7%, а экстрактивных веществ - на 15,4%.
В ходе изучения влияния ПЧМС на протекание процесса экстрагирования веществ, извлекаемых из
Прирост биомассы, г
и ft Щ S п S Длительность воздействия, мин
1 5
сутки посева сутки посева
% первые вторые первые вторые
I 3,660 4,653 3,803 5,076
II 3,960 5,345 3,824 4,906
III 4,055 4,976 3,756 4,994
Среднее значение 3,892+0,52 4,991+0,41 3,794+0,35 4,992+0,21
% -7 +19 -9 +19
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
16
14
e; 12
> 10
(D 8
< О 6
E 4
2
0
0 5 10 15
длительность воздействия переменными астотн о-м оде л и руемы м сигналом, мин
Рис. 7. Молокосвертывающая активность после воздействия ПЧМС, проводимого на первые сутки посева:
1 - образцы, прошедшие обработку ПЧМС;
2 - контрольные образцы Fig. 7. Milk-clotting activity after exposure of AFMS held on the first day of inoculation: 1 - processed with AFMS samples; 2 - control samples
12
2
0 J-T-1-,-г-Г—
0 1 2 3 4 5
длительность воздействия переменным частотно-моделируемым сигналом, мин
Рис. 8. Молокосвертывающая активность после воздействия ПЧМС, проводимого на вторые сутки посева:
1 - образцы, прошедшие обработку ПЧМС;
2 - контрольные образцы Fig. 8. Milk-clotting activity after exposure of AFMS held on the second day of inoculation: 1 - processed with AFMS samples; 2 - control samples
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что воздействие ПЧМС повышает молокосвер-тывающую активность культуральной жидкости, причем наиболее эффективным оказывается воздействие на вторые сутки культивирования с продолжительностью 1 минута. Молокосвертывающая активность увеличивается более чем на 100%. Возрастает и прирост биомассы и на вторые сутки культивирования - почти на 20%.
Полезной оказалась и проверка воздействия переменных электрических полей для интенсификации процесса спиртового и молочного брожения.
Исследовалось воздействие ПЧМС на воду, используемую в приготовлении питательной среды для брожения дрожжей Saccharomyces cerevisiae (табл. 3), на питательную среду, используемую для брожения дрожжей Saccharomyces cerevisiae (табл. 4), на
среду и культуру самих дрожжей Saccharomyces cerevisiae одновременно (табл. 5).
Увеличение показателей активности брожения отмечается как на малых сроках (порядка 30 минут) обработки воды ПЧМС, так и на больших (порядка 1-2 часов, а возможно и более). Однако отношение активности брожения ко времени обработки не имеет характера прямой зависимости.
Из табл. 3 видно, что обработка воды ПЧМС приводит к увеличению выхода диоксида углерода относительно контрольного опыта, что свидетельствует об увеличении активности брожения. Причем существенные различия наблюдаются уже через 5 часов после начала процесса.
Таблица 3
Результаты исследования процесса спиртового брожения при обработке воды
Table 3
Results of the study of the process of alcoholic fermentation in water treatment
Длительность брожения, ч Объем газа, мл
Контроль Время обработки, час
0,5 1 2
2 97 100 102 103
3 192 195 203 200
4 298 308 313 320
5 417 435 458 465
6 550 573 612 615
7 697 720 768 768
8 847 882 937 943
Таблица 4
Результаты исследования процесса спиртового брожения при обработке питательной среды
Table 4
Results of the study of the process of alcoholic fermentation in the processing medium
Длительность брожения, ч Объем газа, мл
Контроль Время обработки, час
0,5 1 2
2 106 100 108 108
3 200 192 218 220
4 305 295 338 340
5 428 408 460 472
6 558 530 592 602
7 698 662 732 740
8 850 813 870 883
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Таблица 5
Результаты исследования процесса спиртового брожения при обработке среды и культуры Saccharomyces cerevisiae
Table 5
Results of the study of the process of alcoholic fermentation in the processing medium and growth of Saccharomyces cerevisiae
лактата кальция (рис. 11) также обнаружена во 2-й серии опытов. Причем наибольший эффект проявляется на первые сутки, а на вторые он несколько «сглаживается».
Объем газа, мл
Длительность брожения, ч Контроль Время обработки, час
0,5 1 2
3 100 83 85 85
4 205 185 190 190
5 313 303 303 305
6 453 417 442 438
7 585 555 582 582
8 742 700 722 732
В табл. 4 представлены результаты второго эксперимента. Видно, что при обработке воды с питательными веществами существенные различия появляются уже через 4 часа от начала брожения. Причем после обработки питательной среды ПЧМС в течение 30 минут активность брожения уменьшается по сравнению с контрольным экспериментом. Такая зависимость сохраняется в течение всего эксперимента (8 часов) и, предположительно, сохраняется до окончания процесса.
Результаты третьего эксперимента представлены в табл. 5 и свидетельствуют, что брожение происходит менее интенсивно. Любое воздействие ПЧМС на питательную среду и культуру Saccharomyces cerevisiae приводит к угнетению бродильной активности дрожжей.
Обработка среды и культуры в течение 30 минут ощутимо снижает интенсивность газовыделения. Ее целесообразно проводить, если необходимо замедлить процесс спиртового брожения.
Результаты испытаний по установлению влияния ПЧМС на процесс брожения сахара [3] молочнокислыми бактериями Lactobacillus delbrueci представлены на рис. 9-12.
Изменение титруемой кислотности (СК) (рис. 9) дает представление о том, сколько едкого натра затрачено на нейтрализацию образующейся молочной кислоты. Чем меньше значение рН, тем лучше развиваются бактерии (т.к. они активны в слабокислых средах), а следовательно, интенсивнее протекает процесс брожения. Наилучший результат наблюдается при одновременном воздействии ПЧМС в течение 30 мин на среду и культуру. Наибольшая скорость прироста биомассы (рис. 10) и образование
Рис. 9. Кинетика изменения кислотности при сбраживании сахарозы молочнокислыми бактериями: 1 - контроль (стекло); 2 - воздействие на среду и культуру 30 мин (стекло); 3 - воздействие на среду 30 мин и культуру 7 мин (стекло); 4 - воздействие на среду 30 мин и культуру 7 мин (Ме); 5 - контроль (Ме) Fig. 9. Kinetics of acid during the fermentation of sucrose lactobacilli: 1 - control (glass); 2 - impact on the medium and growth 30 min (glass); 3 - impact on the medium 30 min and growth 7 min (glass); 4 - impact on the medium 30 min and growth 7 min (Ме); 5 - control (Ме)
Рис. 10. Кинетика изменения плотности популяции при сбраживании сахарозы молочнокислыми бактериями: 1 - контроль; 2 - воздействие на среду и культуру 30 мин; 3 - воздействие на среду 30 мин и культуру 7 мин Fig. 10. Kinetics of of population density during the fermentation of sucrose lactobacilli: 1 - control; 2 - impact on the medium and growth 30 min; 3 - impact on the medium 30 min and growth 7 min
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Рис. 11. Кинетика образования лактата кальция при сбраживании сахарозы молочнокислыми бактериями: 1 - контроль; 2 - воздействие на среду и культуру 30 мин; 3 - воздействие на среду 30 мин и культуру 7 мин Fig. 11. Kinetics of formation of calcium lactate during the
fermentation of sucrose lactobacilli: 1 - control; 2 - impact on the medium and growth 30 min; 3 - impact on the medium 30 min and growth 7 min
Из рис. 12 видно, что суммарное изменение кислотности ^АрИ обработанных образцов выше
на 10-30%, чем у контрольных. Следовательно, чем больше времени затрачивается на обработку, тем интенсивнее протекает процесс брожения.
Суммарное изменение кислотности 12
1
«i # *
- и
. / 1" г
15
35 55
Время, час
Аналогичные зависимости, положительно характеризующие процесс электрофизической обработки, были выявлены и при изучении особенностей метанового брожения [4].
Обработанная ПЧМС вода была также использована для создания физиологически активного гидрогеля. Последний содержит 99,6% активированной воды и 0,4% рецептуры из высокомолекулярных сополимеров акриловой кислоты и эфиров многоатомных спиртов. По данным доклинических испытаний обнаружено, что при нанесении на пораженную поверхность кожи препарат оказывает обезболивающее, регенерирующее, противоотечное и анестезирующее действие. Гель также может быть рекомендован для местной терапии при воспалительных и травматических состояниях, в частности, при термических, лучевых или химических поражениях. Применение препарата в качестве лечебного средства для терапии ожоговых поражений и трофических язв и других болезненных проявлений были получены весьма положительные результаты (рис. 13, табл. 6).
-Контроль
- Воздействие 4 мин
Воздействие 14 мин
Воздействие 30 мин
Рис. 12. Суммарное изменение кислотности в ходе молочнокислого брожения Fig. 12. The total change in the acidity of lactic acid fermentation
В ходе исследований было также обнаружено, что наибольшая скорость прироста биомассы наблюдается при предварительной обработке воды, а наименьшая - при подготовке питательной среды и высеивания культуры. Значения коэффициента биоконверсии составило 0,9 и 1,087 для 5- и 30-минутной обработки, соответственно, при значении контроля, равного 0,73.
Таким образом, результаты исследований влияния ПЧМС на процесс брожения сахарозы молочнокислыми бактериями показали, что его воздействие может послужить одним из способов активации молочнокислого брожения.
Рис. 13. Длительно незаживающая рана левой медиальной лодыжки до применения геля и спустя 21 сутки Fig. 13. Persistent wound of left medial malleolus before applying the gel and after 21 days of treatment with it
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 ЛС^П © Научно-технический центр «TATA», 2013 IU#
Таблица 6
Случаи успешного применения геля
Table 6
Cases of successful application of the gel
Пациент Возраст, лет Диагноз Срок лечения Результат Примечание
Больная С. 53 Сахарный диабет инсулиннезависимый (Е 11.5), гангрена 2, 3 пальцев правой стопы, ампутация пальца 30 дней Ускорение очищения раны в послеоперационном периоде, быстрое уменьшение локального отека, сохранение кожного лоскута для ушивания раны без пластики Базисная терапия: сахароснижающие препараты, антиоксиданты, ангиопротекторы
Больной Б. 58 Herpes zoster дерматомов Th 7-8 B 02 5 дней «Подсыхание» корочек на 2-е сутки, регресс болевого синдрома -
Больной С. 58 «Привычное» раздражение кожи лица (после бритья) L 23 1 применение Устранение гиперемии кожи -
Больная А. 76 Генерализованный атеросклероз с преимущественным поражением сердца, нижних конечностей, трофическая язва левой стопы I 70.2 14 дней Уменьшение болевого синдрома, трофических нарушений Базисная терапия: статины, антиагреганты, антиоксиданты
Больной С. 34 Панариций I пальца правой кисти L 03.0 5 дней Уменьшение отека и гиперемии -
Дальнейшие исследования воздействия переменных электрополей на свойства воды позволят выявить оптимальные режимы обработки, способствующие интенсификации различных технологических и биологических процессов, проходящих в водной среде или в присутствии воды.
Список литературы
1. Классен В.И. Омагничевание водных систем. 2 изд. М.: Химия, 1982.
2. Николаев А.Ф. Современный взгляд на структуру воды // Изв. Санкт-Петербургского гос. технологического института (технического у-та). СПб. 2007. № 1(27). С. 110-115.
3. Сукорцева М.Д., Анашечкин А.Д. и др. Влияние электромагнитного поля на жизнедеятельность микроорганизмов, используемых в системах биологической очистки // Экология, энергетика, экономика (выпуск V), Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Межвуз. сб. науч. тр. / Редк. В.С. Артамонов, В.Н. Федоров, Г.К. Ивахнюк. Спб.: Изд-во «Менделеев», 2002.
4. Пьянкова Е.Д. Оценка и минимизация воздействия на окружающую среду полигонов твердых коммунальных отходов: дисс. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург. СПбГТИ(ТУ). 2007.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
