Использование электрохимической деструкции для обезвреживания сточных вод лечебных учреждений Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

-□ □-

Вивчений вплив на стоки лшарськихзакладiв, як забруднен бiологiчно «жорсткими» фар-мацевтичними препаратами i тфшоват киш-ковою паличкою електрохiмiчноi деструк-ци, що проводилась у присутностi ютв хлору. Встановлено, що модельн розчини iз вмятом сумiшi Диклофенаку, 1бупрофену, в-естрадюлу при контактi з бактерiями викликають ефект iх приг^чення, а повне знезараження вод вгдбу-ваеться при електрохiмiчнiй деструкци

Ключовi слова: лшарт, стоки, фармзабруд-нювачi, водойми, очищення, тфекщя, деструк-

щя, хлор, знезараження

□-□

Изучено влияние на стоки лечебных учреждений, загрязненных биологически «жесткими» фармацевтическими препаратами и инфицированные кишечной палочкой, электрохимической деструкции, которая проводилась в присутствии ионов хлора. Установлено, что модельные растворы с содержанием смеси диклофе-нака, ибупрофена, в-эстрадиола при контакте с бактериями вызывают эффект их угнетения, а полное обеззараживание вод происходит при электрохимической деструкции

Ключевые слова: больницы, стоки, фарм-загрязнители, водоемы, очистка, инфекция,

деструкция, хлор, обеззараживание -□ □-

УДК 628.355

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ЛЕЧЕБНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ

Н. Н. Самойленко

Кандидат технических наук, доцент* Е-mail: natalysamojlenko@gmail.com И. А. Ермакович

Аспирант* Е-mail: yermakovych@mail.ru *Кафедра химической техники и промышленной экологии Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002

1. Введение

В настоящее время среди загрязнителей, накапливающихся в различных поверхностных водах, наибольшую обеспокоенность вызывают микрозагрязнители. К ним, в первую очередь, относятся не разлагаемые или трудно разлагаемые фармацевтические препараты. Даже в микро- или нанодозах они проявляют выраженную токсичность, биоаккумуляцию, а также большую стойкость существования в природных условиях водоемов [1]. Естественно, что среди стоков, формирующих такие загрязнения, выделяются сточные воды больниц, к тому же зараженные возбудителями инфекционных заболеваний. Поэтому исследования, направленные на решение в едином процессе двух проблем - эффективной очистки от стойких фармзагрязнителей больничных стоков, а также их обеззараживание от патогенной флоры является актуальной проблемой.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

Эффективность очистки сточных вод от фармацевтических препаратов (ФП) на стандартных очистных сооружениях, в основном, проводимая биологически методом, составляет 7 % (по Карбамазепину). Определенные усовершенствования и модификации методов

очистки, такие как изменение условий очистки, добавление флокуляции/коагуляции, а также комбинации в выдержке анаэробной и аэробной очистки могут улучшить коэффициент удаления ФП. Однако при этом очистка от некоторых наиболее устойчивых молекул лекарственных средств остается все же низкой [2].

Существуют методы доочистки стоков, включающие адсорбцию активированным углем, оксидирование озоном, а также продвинутые оксидированные процессы (анодное оксидирование, электро-Фентон и фото-электро-Фентон). Их применение показывает достаточно высокую эффективность очистки сточных вод (более 90 %), содержащих остатки ФП [3]. Вместе с тем они не лишены многих недостатков, сдерживающих их практическое применение, а некоторые вообще реализованы в лабораторном варианте. В связи с этим, представляет интерес использование известных методов обезвреживания органически загрязненных вод для решения локальных задач их очистки, к которым можно отнести электрохимическую деструкцию. Данный метод характеризуется высокой способностью к окислительным процессам, селективности. В сравнении с современными технологиями (например, сверхкритическими, плазменной обработки, электро-Фен-тонными и пр.) он не требует сложного аппаратурного оформления и достаточно рентабелен.

Электрохимическая деструкция рассматривается в небольшом количестве экспериментальных работ, касающихся очистки вод от лекарственных препара-

©

тов. В них остаются не исследованными процессы разложения многочисленных фармвеществ и, в первую очередь, биологически «жестких».

Достаточно важным с точки зрения влияния на окружающую среду при сбросе стоков, содержащих ФП, является процесс их обеззараживания. В некоторых исследованиях указывается, что во время процессов очистки от ФП, такие из них как амоксициллин, цефа-дроксил, антибиотики макролиды и сульфаниламиды, эстрогены, могут реагировать с дезинфицирующими веществами. Это может стать причиной формирования новых специфических продуктов, которые могут быть более биодеградируемыми и менее токсичными, чем первоначальные вещества. Но подобные научные исследования требуют дальнейших разработок [4].

В Украине инфицированные стоки туберкулезных больниц и диспансеров, инфекционных отделений больниц и других аналогичных объектов перед сбросом в канализационную систему согласно ДБН В.2.5-75: 2013 и СНиП 2.04.01-85 проходят обеззараживание хлорированием [5, 6]. В связи с этим представляет интерес электрохимическое окисление загрязненных лекарственными средствами сточных вод, содержащих ионы хлора в концентрации, обеспечивающей обеззараживание инфицированных стоков. При этом для проведения опытов в качестве фармза-грязнителей целесообразно использовать вещества, не используемые для лечения данных инфекций и относящиеся к биологически трудно разлагаемым. К последним, в первую очередь, относится диклофенак, а также ибупрофен, р-эстрадиол, которые пройдя очистные сооружения, накапливаются в природных водах [7].

3. Цель и задачи исследования

Целью исследования являлось изучение влияния электрохимической деструкции на обеззараживание сточных вод лечебных учреждений, загрязненных трудно разлагаемыми фармпрепаратами и инфицированные кишечной палочкой, в условиях ведения процесса, обеспечивающего очистку стоков от этих лекарственных средств.

Задачи экспериментального исследования включали:

- выбор биотестовой культуры микроорганизмов и методики определения влияния на нее обеззараживающих свойств модельных растворов;

- определение состава модельных растворов с учетом требования разложения ФП, а также концентрации хлоридов, обеспечивающих обеззараживание инфицированных вод;

- определение параметров процесса электрохимической деструкции;

- проведение экспериментальных исследований по влиянию модельных растворов до и после электрохимической деструкции на патогенную культуру, а также трактовка его результатов.

4. Исследуемые растворы

За сутки до выполнения исследования в проводимом эксперименте были подготовлены 5 растворов:

- раствор № 1, содержащий фармацевтический препарат Диклофенак, концентрацией 3 мг/л и №С1 -1 г/л с рН=6,02;

- раствор №2, рН=8,35, после проведения электроо химической деструкции

- раствор №3, содержащий фармпрепараты Дикло-фенак - 3 мг/л, Ибупрофен - 3 мг/л, р-эстрадиол -3 мг/л, №С1 - 1 г/л с рН=6,03;

- раствор №4, рН=8,15, после проведения электрохимической деструкции;

- раствор №5 содержащий только №С1 - 1 г/л, рН=8,6.

Электрохимическая деструкция осуществлялась с учетом экспериментальных данных, полученных авторами ранее, в ходе исследований по разложению биологически «жестких» ФП. Процесс проводился в электрохимической ячейке объемом 450 мл в течение 10 мин. Рабочий материал анода - Т/Яи02.

Данные фармацевтические вещества были выбраны в соответствии со списком приоритетных веществ, используемым при осуществлении мониторинга водных объектов и рекомендованным Европейской комиссией по Водной Рамочной Директиве [7].

5. Выбор биотестовой культуры микроорганизмов (далее - биотесты)

С учетом приспосабливающихся способностей к изменениям окружающей среды, а также распространенности в качестве биотеста был выбран штамм музейной культуры Esherichia coli B (далее - E. coli.). Оптимальный рост достигается культурами E. coli при температуре 37 °C, некоторые штаммы могут делиться при температурах до 49 °C [8]. Рост может стимулироваться аэробным или анаэробным дыханием, различными парами окислителей и восстановителей. E. Coli так же чрезвычайно толерантна к изменениям pH среды, ее рост может наблюдаться и при значениях pH от 2,5 до 11 [9]. Е. coli является условно-патогенной микрофлорой, однако при попадании в другие органы или полости человеческого тела может вызвать развитие патологии. Так, серотип O157:H7 приводит к тяжёлым пищевым отравлениям у людей. Эшерихиозы -заболевания, возникающие в результате попадания в организм патогенных штаммов кишечных палочек, характеризующиеся интоксикацией и поражением преимущественно желудочно-кишечного тракта, но иногда поражающих мочевыводящую систему, жел-чевыводящие пути и другие органы с возможностью у некоторых пациентов возникновения сепсиса [10]. Е. coli входит в постоянный микробиологический мониторинг условно-патогенной микрофлоры в лечебно-профилактических учреждениях [11].

6. Ход выполнения исследований

6. 1. Подготовка иннокулята биотестовой культуры

Эталонные штаммы микроорганизмов Esherichia coli B высевались в пробирки на скошенный питательный агар и инкубировались в термостате при 37±1 оС в течение 18 часов. Выросшие культуры находились в активной лагорифмической фазе роста, а далее из

4/10 ( 70 ) 2014

биомассы биотестовой культуры микробиологической петлёй переносились в физиологический раствор 0,9 %; рН = 6,9. После тщательного размешивания до гомогенного состояния на лабораторном встряхивате-ле готовую суспензию биотеста использовали в эксперименте. Плотность суспензии биотеста для Esherichia coli - 106 КОЕ/см3

6. 2. Проведение эксперимента

Контроль активности ферментативной системы бактерий проводили по определению дегидрогеназ -группы окислительно-восстановительных ферментов, локализующихся в митохондриях цитоплазмы клеток. Для определения дегидрогеназной активности (ДГА) использовали модифицированную методику по определению ДГА при технологическом контроле за работой аэротенков [12].

В центрифужную пробирку с 1 мл исследуемой пробы каждого раствора и культуральной жидкости биотеста, взятого в количестве 1 мл (2 мл) добавляли 1 мл 0,5 %-ного водного раствора 2,3,5-трифенилтет-разол хлорида (ТТХ), а также с целью ускорения процесса туда помещали 1 мл 0,5 %-ного раствора пептона. Одновременно готовили контрольную пробу, которая содержала те же компоненты, но вместо исследуемой пробы добавлялась культуральная жидкость биотеста, которая не была в контакте с раствором. Содержимое пробирок перемешивали и закрывали резиновыми пробками, устанавливали в термостат при температуре 37±1 оС.

Через 60 мин. экспозиции пробы центрифугировали по 2 мин. при 3500 об/мин. Надосадочную жидкость сливали и к осадку приливали по 10 мл этанола. Содержимое пробирок перемешивали и периодически встряхивали до обесцвечивания хлопьев бактериального осадка. После полного обесцвечивания осадка пробы центрифугировали еще 3 мин. при 3000 об/мин. Надосадочную жидкость сливали в пробирки и ко-лориметрировали на ФЭК-М с синим светофильтром (длина волны - 490 нм) в кювете с толщиной слоя 0,5 см. Далее строили калибровочную кривую зависимости оптической плотности (D) от концентрации формазана (C), образовавшегося в результате реакции ТТХ с ферментами дегидрогеназ (рис. 1).

7. Обсуждение полученных результатов

Величина ДГА бактерий при контакте суспензии, содержащей 1 мл кишечной палочки с исследуемыми растворами - №1 и №3, до проведения электрохимической деструкции, составляет 1,68 и 1,47 мг/л соответственно. Величина ДГА, характерная для контрольной пробы, - 2,71 мг/л. Это свидетельствует об угнетающем влиянии исследуемых растворов на культуру бактерий Esherichia coli (почти в 2 раза) даже до проведения процессов электрохимической деструкции. При этом очевидным является тот факт, что угнетение роста бактерий в пробирке №3 раствором из смеси нескольких фармацевтических препаратов больше, чем в пробирке №1 с раствором, содержащим только один лекарственный препарат.

Величина ДГА бактерий при контакте суспензии, содержащей 2 мл кишечной палочки с исследуемыми растворами - №1 и №3, до проведения электрохимической деструкции, составляет 6,63 и 8,28 мг/л соответственно. Величина ДГА, характерная для контрольной пробы, - 7,45 мг/л. Такой результат указывает на отсутствие выраженного угнетающего влияния исследуемых растворов на культуру бактерий Esherichia coli. Он, скорее всего, связан с увеличением в два раза плотности, вводимого иннокулята при неизменной концентрации исходных компонентов растворов. Но для подтверждения этих данных требуется проведение дальнейших исследований, которые не являлись целью данной работы.

Все исследуемые модельные растворы (№ 2, № 4, № 5) после проведения электрохимической деструкции при контакте с суспензией кишечной палочки показывают отсутствие ярко-малиновой окраски и обесцвечивание как раствора, так и биомассы в пробирках (рис. 2). Это свидетельствует о выраженном бактерицидном эффекте. Величина ДГА бактерий при контакте суспензии 1 мл и 2 мл кишечной палочки с исследуемыми растворами равна 0. Ферментативная активность отсутствует.

Рис. 1. График зависимости оптической плотности от концентрации формазана, мг/л

Пробы из опытных и контрольных пробирок были обработаны по методике определения ДГА. Эксперимент был проведен в троекратной повторности.

Рис. 2. Изменение окраски культуральной жидкости

под влиянием исследуемых образцов растворов: слева направо — опытная проба (суспензия E. соИ с раствором № 1); опытная проба (суспензия E. соИ с раствором № 2); опытная проба (суспензия E. соИ с раствором № 3); опытная проба (суспензия E. соИ с раствором № 4); контрольная проба (суспензия E. Coli)

Полученный в результате эксперимента обеззараживающий эффект может быть объяснен влиянием на бактерии, находящиеся в модельных растворах, активных ионов и молекул хлора таких как С1-, СЮ2, СЮ-3, НСЮ, которые образуются при электрохимической деструкции [13] и участвуют в окислительных реакциях. При этом угнетающее влияние на метаболизм кишечной палочки смеси фармацевтических загрязнителей таких как Диклофенак, Ибупрофен и в-эстрадиол хотя и отмечается, но не может быть весомым.

8. Выводы

В качестве биотестовой культуры микроорганизмов, при изучении влияния электрохимической деструкции на обеззараживание сточных вод лечебных учреждений, загрязненных трудно разлагаемыми фармацевтическими препаратами и инфицированные кишечной палочкой, была выбрана Esherichia coli. Эта бактерия - наиболее приспо-

сабливающийся штамм микроорганизмов к изменениям окружающей среды; он подлежит микробиологическому мониторингу условно-патогенной микрофлоры в лечебно-профилактических учреждениях. Критерием оценки влияния исследуемых растворов служило состояние ферментативного аппарата бактерий E. Coli - их ДГА, используемая при контроле очищенных вод на городских очистных сооружениях.

Установлено, что растворы №2, №4 и №5 после проведения электрохимической деструкции при контакте с суспензией кишечной палочки (в объёмах 1 мл и 2 мл), показывают ярко выраженный бактерицидный эффект.

Полученные результаты указывают на возможность использования в едином процессе электрохимической обработки инфицированных сточных вод лечебных учреждений, в присутствии хлорида натрия, содержащие трудно биоразлагаемые лекарственные средства, деструкции этих загрязнителей, а также обеззараживание вод от кишечной палочки.

Литература

1. Kummerer, K. Pharmaceuticals in the Environment [Text] / K. Kummerer // Annu. Rev. Environ. Resour. - 2010. - № 35. -P. 57-75

2. Vystavna, Y. Pharmaceuticals in rivers of two regions with contrasted socioeconomic conditions: occurrence, accumulation and comparison for Ukraine and France [Text] / Y. Vystavna, F. Huneau, V. Grynenko, Y. Vergeles, H. Celle - Jeanton, N. Tapie, H. Budzinski // Water, Air and Soil Pollution. - 2012. - Vol. 223, Issue 5. - P. 2111-2124. doi 10.1007/s11270-011-1008-1.

3. Feng, L. Removal of residual anti-inflammatory and analgesic pharmaceuticals from aqueous systems by electrochemical advanced oxidation processes. A review [Text] / L. Feng, E. D. van Hullebusch, M. A Rodrigo, G. Esposito, M. A. Oturan // Chemical Engineering Journal. - 2013. - Vol. 228. - P. 944-964. doi:10.1016/j.cej.2013.05.061

4. Vystavna Y. Study of pharmaceuticals in a model urban river as potential molecular markers of wastewater effluents, their sources and socio-economic correlates (the city of Kharkiv, Ukraine) [Text] / Y. Vystavna, Y. Vergeles, F. Stolberg // Proceedings of a Polish-Swedish-Ukrainian seminar, Krakow-Poland. Research and application of new technologies in wastewater treatment and municipal solid waste disposal in Ukraine, Sweden and Poland, (October 17-19, 2011). - E. Plaza, E. Levlin. - 2013

5. ДБН В.2.5 - 75: 2013. Канал1защя. Зовшшш мережi та споруди. Основш положения проектування [Текст] / Кшв: Мшютер-ство репонального розвитку, будiвництва та житлово-комунального господарства Украши, 2013.

6. СНиП 2.04.01-85. Строительные нормы и правила. Внутренний водопровод и канализация зданий [Текст] / Москва: Госстрой СССР, 1986.

7. Falas, P. Occurrence and reduction of pharmaceuticals in the water phase at Swedish wastewater treatment plants [Text] / P. Falas, H. R. Andersen, A. Ledin, J. la Cour Jansen // Water Science and Technology. - 2012. - Vol. 66, Issue 4. - P. 783-791. doi:10.2166/ wst.2012.243

8. Fotadar, U. Growth of Escherichia coli at elevated temperatures [Text] / U. Fotadar, P. Zaveloff, L. Terracio // J. Basic Microbiol. -2005. - Vol. 45, Issue 5. - P. 403-404. doi:10.1002/jobm.200410542

9. Small, P. Acid and base resistance in Escherichia coli and Shigella flexneri: role of rpoS and growth pH [Text] / P. Small, D. Blan-kenhorn, D.Welty E. Zinser, J. L. Slonczewski // J Bacteriol.- 1994. - № 176 (6). - P. 1729-1737.

10. Vogt. R. L. Escherichia coli O157:H7 outbreak associated with consumption of ground beef [Text] / R. L. Vogt, L. Dippold // Public Health Rep. - 2005. - № 120 (2). - P. 174-178.

11. Подорожная, Е. С. Микробиологический мониторинг циркуляции условно-патогенной микрофлоры в лечебно-профилактических учреждениях Мелитополя [Текст] / Е. С. Подорожная, В. В. Ермак, Э. Н. Гукасян // Запорожский медицинский журнал. - 2011. - № 13 (5). - С. 43-46.

12. Методические рекомендации по определению дегидрогеназной активности при технологическом контроле за работой аэротенков [Текст] / Москва: Мин-во жилищно-коммунального хоз-ва РСФСР, Академия коммунального хоз-ва им. К. Д. Памфилова, 1978.

13. Sires, I. Remediation of water pollution caused by pharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradation technologies: A review [Text] / I. Sires, E. Brillas // Environment International. - 2012. - Vol. 40. - P. 212-229. doi:10.1016/ j.envint.2011.07.012