CC BY
2Научная статья
УДК 541.145 : 546.824.31
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.1.038
ИНАКТИВАЦИЯ БАКТЕРИЙ В ПРИСУТСТВИИ ФОТОКАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ TIO2, МОДИФИЦИРОВАННОГО ВОЛЬФРАМОМ ИЛИ ЖЕЛЕЗОМ, ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ВИДИМЫМ СВЕТОМ
Сергей Александрович Сафарян1, Максим Леонидович Беликов2, Надежда Викторовна Фокина3, Вера Вячеславовна Редькина4
12Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева
Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия
3,4Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра
Российской академии наук, Апатиты, Россия
1S63-50-26@yandex.ru
2m.belikov@ksc.ru
3nadezdavf@yandex.ru
4kalmykova_ v_v@mail.ru
Аннотация
Показана возможность фотокаталитической инактивации бактериальных клеток (Pseudomonas alcaliphila и Pseudomonas fluorescens) в присутствии синтезированных фотокатализаторов на основе диоксида титана, модифицированного иновалентными катионами W или Fe, при облучении видимым светом. Ключевые слова:
диоксид титана, вольфрам, железо, фотокатализ, инактивация, бактерии
Original article
INACTIVATION OF BACTERIA IN THE PRESENCE OF PHOTOCATALYSTS BASED ON TIO2 MODIFIED WITH TUNGSTEN OR IRON WHEN IRRADIATED WITH VISIBLE LIGHT
Sergey A. Safaryan1, Maxim L. Belikov2, Nadezhda V. Fokina3, Vera V. Redkina4
12I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials
of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia
3 4Institute of North Ecological Problems of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences,
Apatity, Russia
1S63-50-26@yandex.ru
2m.belikov@ksc.ru
3nadezdavf@yandex.ru
4kalmykova_ v_v@mail.ru
Abstract
The possibility of photocatalytic inactivation of bacterial cells (Pseudomonas alcaliphila and Pseudomonas fluorescens) in the presence of synthesized photocatalysts based on titanium dioxide modified with inovalent W or Fe cations under irradiation with visible light, is shown. Keywords:
titanium dioxide, tungsten, iron, photocatalysis, inactivation, bacteria
Ранее была показана высокая фотокаталитическая активность (ФКА) синтезированных фотокаталитически активных материалов на основе диоксида титана, модифицированного различными иновалентными примесями [1-11]. Максимальную эффективность при организации фотокаталитической деструкции различных органических веществ (ферроина, анилина, метиленового синего) при облучении видимым светом показали образцы диоксида титана, модифицированные вольфрамом или железом.
С целью расширения областей применения разработанных фотокаталитических материалов в рамках соглашения о научно-творческом сотрудничестве с Институтом проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук были проведены исследования по оценке возможности фотокаталитической дезактивации бактерий с помощью диоксида титана, модифицированного вольфрамом или железом.
Эффективность фотокаталитических материалов оценивали по степени ингибирования роста клеток грамотрицательных бактерий (Pseudomonas fluorescens и / или Pseudomonas alcaliphila) при облучении бактериальной суспензии, содержащей фотокатализатор (ФК), видимым светом (X > 400 нм). Эксперименты проводились при комнатной температуре. Навеску ФК помещали в стеклянную пробирку, содержащую 19 мл физраствора, затем вносили 1 мл бактериальной суспензии.
Изменение численности бактерий после контакта с ФК и облучения светом фиксировали с помощью посева бактериальной суспензии на плотную питательную среду — мясопептонный агар в чашках Петри. Посев проводили через определенные промежутки времени. Колонии бактерий подсчитывали после инкубации при 27 °С в течение 72 ч по формуле:
N = M • P / V, (1)
где N — КОЕ в 1 мл исходного инокулята; P — разведение, из которого сделан высев; P = 10", где 10 — коэффициент разведения, n — порядковый номер разведения; М — среднее количество КОЕ, выросших на чашке Петри, в разведении P; V — объем инокулята, взятого для посева в чашку Петри из разведения P.
Образцами сравнения служили TiO2 аналогичного с модифицированным вольфрамом TiO2 генезиса и промышленный TiO2 фирмы Degussa (P-25), предложенный ранее в качестве стандарта сравнения [12].
На основании сравнительных экспериментов (по фотокаталитической инактивации роста Pseudomonas fluorescens) установлено, что наиболее эффективными в процессе фотокаталитической инактивации бактерий являются образцы диоксида титана, модифицированного вольфрамом.
Ранее было показано, что максимальной ФКА обладают образцы, прокаленные при температуре 600 оС [11], поэтому оценку возможности фотокаталитической деструкции бактерий начали проводить в присутствии образцов 600-W-x, где х = 5, 20 или 30. Маркировка образцов модифицированного TiO2, например 600-W-5, содержит данные о температуре термообработки (600 оС), модифицирующем металле (W) и его содержании в композите (5 мас. %).
В таблице 1 и на рисунке 1 показано изменение численности бактериальных клеток при облучении видимым светом искусственного происхождения (Е = 4300 лк) в присутствии различных ФК. Концентрация ФК для всех образцов составила 10 мг / мл.
1 2
Рис. 1. Изображение колоний Pseudomonas fluorescens при облучении видимым светом в присутствии ФК: 1 — P-25 и 600-W-5; 2 — 600-W-20 и 600-W-30. Масса катализатора 0,5 г на 50 мл бактериальной суспензии. А и Б — исходная численность бактериальных клеток; В и Г — конечная численность бактериальных клеток
Из таблицы 1 и рисунка 1 видно, что применение коммерческого ФК (Р-25) фирмы Degussa не приводит к снижению численности бактериальных клеток, напротив, идет их активный рост во времени. Применение низкомодифицированного диоксида титана (образец 600-W-5) также не приводит к снижению численности бактериальных клеток, которые также продолжают делиться.
Таблица 1
Изменение численности бактериальных клеток (Pseudomonas Аиотезеет) в зависимости от времени облучения в присутствии различных ФК (10 мг / мл)
Образец Численность бактериальных клеток, х 107 кл / мл
исходная через 24 ч
Контроль 6,3 361
Р-25 2,1 132
600-W-5 1,8 102
600-W-20 1,4 0
600-W-30 1,2 0,4
Применение образцов 600-W-20 и 600-W-30 позволило достигнуть существенного сокращения численности бактериальных клеток. Так, через 24 ч облучения бактериальной суспензии в присутствии образца 600-W-20 колониеобразующих бактериальных клеток не обнаружено.
На примере грамотрицательной бактерии Pseudomonas alcaliphila для образцов 600-W-10 и 600-Fe-5 также была показана возможность фотокаталитического ингибирования роста их колоний, вплоть до практически полной деструкции в присутствии образца 600-W-10 через 4 ч облучения видимым светом (табл. 2, рис. 2).
Таблица 2
Зависимость численности бактериальных клеток от времени облучения и применяемого фотокатализатора
Образец Численность клеток, х 106 кл / мл
исходная через 2 ч через 4 ч
600-W-10 250 61 3
600-Fe-5 84 48 42
Из рисунка 2 видно, что диоксид титана, модифицированный железом, обладает существенной ФКА при облучении видимым светом в процессах фотокаталитической деструкции Pseudomonas alcaliphila, хотя и уступает по эффективности образцу 600-W-10.
Рис. 2. Зависимость численности бактериальных клеток от времени облучения и фотокатализатора: 1 — образец 600^-10; 2 — образец 600-Бе-5
Показана возможность фотокаталитической дезактивации различных штаммов грамотрицательных бактерий (Pseudomonas fluorescens или Pseudomonas alcaliphila) с помощью модифицированного вольфрамом или железом диоксида титана. Установлено, что наиболее эффективными являются образцы W-модифицированного диоксида титана после термической обработки при температуре 600 оС. Достигнуто существенное сокращение численности бактериальных клеток. Через 24 ч облучения бактериальной суспензии колониеобразующих бактериальных клеток не обнаружено (см. табл. 1, рис. 1). Использование коммерческого фотокатализатора TiO2 (Р-25) фирмы Degussa не оказывает ингибирующего действия на бактериальные клетки.
Видно, что степень модифицирования диоксида титана, в частности вольфрамом, существенно влияет на конечную численность бактерий. Наилучшая степень фотокаталитической деструкции бактериальных клеток (Pseudomonas fluorescens) наблюдается при использовании образца 600-W-20. При использовании образца 600-W-10 на примере деструкции Pseudomonas alcaliphila также наблюдается снижение численности бактерий, хотя и в меньшей степени. Использование коммерческого ФК (Р-25) и образца 600-W-5 не оказывает ингибирующего действия на бактериальные клетки.
Таким образом, показана возможность фотокаталитической дезактивации бактерий с помощью диоксида титана, модифицированного иновалентными металлами.
Работы по изучению фотокаталитической деструкции различной микробиоты с применением синтезированных авторами фотокатализаторов продолжаются.
Список источников
1. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Беликов М. Л., Беляевский А. Т. Структура и морфология диоксида титана, модифицированного железом // Неорганические материалы. 2011. Т. 47, № 11. С. 1323-1332.
2. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Беликов М. Л. Фотокаталитическая восприимчивость модифицированного железом диоксида титана // Химическая технология. 2012. № 2. С. 75-82.
3. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Беликов М. Л., Калинников В. Т. Фотокаталитическая активность мезопористых нанокомпозитов TiO2 — AI2O3 // Доклады Академии наук. 2012. Т. 447, № 5. С. 523.
4. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Калинников В. Т., Беликов М. Л. Фотокаталитическая активность модифицированного вольфрамом диоксида титана // Доклады Академии наук. 2012. Т. 443, № 2. С. 195-197.
5. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Беликов М. Л., Беляевский А. Т. Фотокаталитичекие композиты на основе ТЮ2 и Nb2O5 // Неорганические материалы. 2013. Т. 49, № 4. С. 395-403.
6. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Беликов М. Л., Беляевский А. Т. Синтез и исследования фотокаталитических оксидных композитов титана (IV) и кобальта (II) // Химическая технология. 2015, № 7. С. 398-407.
7. Седнева Т. А., Локшин Э. П., Беликов М. Л., Беляевский А. Т. Синтез и физико-химические свойства фотокаталитических оксидных композитов на основе титана (IV) и кобальта (II) // Неорганические материалы. 2016. Т. 52, № 2. С. 187-196.
8. Седнева Т. А., Беликов М. Л., Локшин Э. П. Синтез и фотокаталитические свойства наноматериалов на основе оксидов титана (IV) и церия (IV) // Неорганические материалы. 2016. Т. 52, № 10. С. 1081-1090.
9. Седнева Т. А., Беликов М. Л., Локшин Э. П. Синтез и фотокаталитические свойства наноматериалов на основе титана (IV) и цинка (II) // Неорганические материалы. 2016. Т. 52, № 12. С. 1343-1352.
10. Беликов М. Л., Седнева Т. А., Локшин Э. П. Синтез, свойства и фотокаталитическая активность в видимом свете нестехиометрических оксидных композитов на основе диоксида титана // Неорганические материалы. 2020. Т. 56, № 6. С. 762-773.
11. Беликов М. Л., Седнева Т. А., Локшин Э. П. Адсорбционные и фотокаталитические свойства диоксид титана, модифицированного вольфрамом // Неорганические материалы. 2021. Т. 47, № 2. С. 154-162. DOI: 10.31857/S0002337X21020020
12. Matthews R. W., McEvoy S. R. Destruction of Phenol in Water with Sun, Sand, and Photocatalysis // Solar Energy. 1992. V. 49. P. 507-513. DOI: 10.1016/0038-092Х(92)90159-8
References
1. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Belikov M. L., Belyaevskij A. T. Struktura i morfologiya dioksida titana, modificirovannogo zhelezom [Structure and morphology of iron-modified titanium dioxide]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2011, vol. 47, no. 11, pp. 1323-1332. (In Russ.).
2. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Belikov M. L. Fotokataliticheskaya vospriimchivost' modificirovannogo zhelezom dioksida titana [Photocatalytic susceptibility of iron-modified titanium dioxide]. Khimicheskaya tekhnologiya [Chemical Technology], 2012, no. 2, pp. 75-82. (In Russ.).
3. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Belikov M. L., Kalinnikov V. T. Fotokataliticheskaya aktivnost' mezoporistyh nanokompozitov TiO2-AhO3 [Photocatalytic activity of mesoporous TiO2 — AhO3 nanocomposites]. Doklady Akademii nauk [Papers of the Academy of Sciences], 2012, vol. 447, no. 5, pp. 523-525. (In Russ.).
4. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Kalinnikov V. T., Belikov M. L. Fotokataliticheskaya aktivnost' modificirovannogo vol'framom dioksida titana [Photocatalytic activity of tungsten-modified titanium dioxide.]. Doklady Akademii nauk [Papers of the Academy of Sciences], 2012, vol. 443, no. 2, pp. 195-197. (In Russ.).
5. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Belikov M. L., Belyaevskij A. T. Fotokatalitichekie kompozity na osnove TiO2 i Nb2O5 [Photocatalytic composites based on TiO2 and Nb2O5]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2013, vol. 49, no. 4, pp. 395-403. (In Russ.).
6. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Belikov M. L., Belyaevskij A. T. Sintez i issledovaniya fotokataliticheskih oksidnyh kompozitov titana(IV) i kobal'ta(II) [Synthesis and studies of photocatalytic oxide composites of titanium (IV) and cobalt (II)]. Khimicheskaya tekhnologiya [Chemical Technology], 2015, no. 7, pp. 398-407. (In Russ.).
7. Sedneva T. A., Lokshin E. P., Belikov M. L., Belyaevskij A. T. Sintez i fiziko-himicheskie svojstva fotokataliticheskih oksidnyh kompozitov na osnove titana(IV) i kobal'ta(II) [Synthesis and physicochemical properties of photocatalytic oxide composites based on titanium(IV) and cobalt(II)]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2016, vol. 52, no. 2, pp. 187-196. (In Russ.).
8. Sedneva T. A., Belikov M. L., Lokshin E. P. Sintez i fotokataliticheskie svojstva nanomaterialov na osnove oksidov titana(IV) i ceriya(IV) [Synthesis and photocatalytic properties of nanomaterials based on titanium(IV) and cerium(IV) oxides]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2016, vol. 52, no. 10, pp. 1081-1090. (In Russ.).
9. Sedneva T. A., Belikov M. L., Lokshin E. P. Sintez i fotokataliticheskie svojstva nanomaterialov na osnove titana (IV) i cinka (II) [Synthesis and photocatalytic properties of nanomaterials based on titanium (IV) and zinc (II)]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2016, vol. 52, no. 12, pp. 1343-1352. (In Russ.).
10. Belikov M. L., Sedneva T. A., Lokshin E. P. Sintez, svojstva i fotokataliticheskaya aktivnost' v vidimom svete nestekhiometricheskih oksidnyh kompozitov na osnove dioksida titana [Synthesis, properties and photocatalytic activity in visible light of non-stoichiometric oxide composites based on titanium dioxide]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2020, vol. 56, no. 6, pp. 762-773. (In Russ.).
11. Belikov M. L., Sedneva T. A., Lokshin E. P. Adsorbcionnye i fotokataliticheskie svojstva dioksid titana, modificirovannogo vol'framom [Adsorptive and photocatalytic properties of titanium dioxide modified with tungsten]. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials], 2021, vol. 47, no. 2, pp. 154-162. (In Russ.).
12. Matthews R. W., McEvoy S. R. Destruction of Phenol in Water with Sun, Sand, and Photocatalysis. Solar Energy, 1992, vol. 49, pp. 507-513.
Информация об авторах
С. А. Сафарян — аспирант, инженер-исследователь;
М. Л. Беликов — кандидат технических наук, старший научный сотрудник;
Н. В. Фокина — кандидат технических наук, старший научный сотрудник;
В. В. Редькина — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.
Information about the authors
S. A. Safaryan — Graduate Student, Research Engineer; M. L. Belikov — PhD (Engineering), Senior Researcher; N. V. Fokina — PhD (Engineering), Senior Researcher; V. V. Redkina — PhD (Biology), Senior Researcher.
Статья поступила в редакцию 21.02.2022; одобрена после рецензирования 04.04.2022; принята к публикации 08.04.2022. The article was submitted 21.02.2022; approved after reviewing 04.04.2022; accepted for publication 08.04.2022.
