CC BY
80
УДК 541.183.123.2
П.А. Фомин, Ю.А. Лейкин, Т.А. Черкасова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ИССЛЕДОВАНИЕ БАКТЕРИЦИДНЫХ ИОНООБМЕННЫХ СОРБЕНТОВ
The mechanism of sorption of Aethonium on ionites with different functional groups was investigated. The potentiometric titration of bactericide water solution was carried out and the ionization constant was determined. The math description of kinetics was made and it was showed that the chosen model is adequate. The bactericide effect of the synthesized sorbents was demonstrated in tests with pathogenic microorganisms.
Изучен механизм сорбции этония на катионитах с различными функциональными группами, проведено потенциометрическое титрование водного раствора бактерицида и определена константа ионизации рК. Проведено математическое описание кинетики процесса сорбции и подтверждена адекватность выбранной модели. Выявлен бактерицидный эффект полученных сорбентов в тестах со штаммами патогенных микроорганизмов.
Современная наука обладает широким спектром антисептических и дезинфекционных средств. Однако, дезинфекционные средства, применяемые в отечественной практике, как правило, содержат хлор или фенол и поэтому обладают рядом существенных недостатков в виду своей высокой токсичности. Кроме того, их активность в отношении большинства патогенных микроорганизмов невысока, рабочие растворы нестабильны, имеют выраженный запах, раздражают кожу и слизистые оболочки, повреждают обрабатываемые материалы.
В связи с этим, актуальным является разработка методов снижения токсичности и других отрицательных факторов уже известных соединений, а также внедрение новых антимикробных препаратов взамен устаревших.
Данная работа посвящена получению бактерицидных сорбентов путем иммобилизации бактерицида на полимерные катиониты и исследование физико-химических и бактерицидных свойств этих систем.
В качестве бактерицидного вещества использовался этоний, мягкий антисептик широкого спектра действия. Этоний относится к группе катионных ПАВ и является бисчетвертичным аммониевым основанием. Обладает широким спектром бактрецидно-го действия в отношении стрептококков, стафилококков и других микроорганизмов, имеет выраженный бактериостатический эффект. Дезинфицирующие свойства этония обусловлены тем, что он нарушает проницаемость цитоплазматической мембраны микробных клеток, ингибирует связанные с мембраной ферменты, необратимо нарушая функцию микробной клетки [1]. По уровню острой токсичности для человека и теплокровных животных этоний относится к малотоксичным соединениям (IV класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76).
В результате многочисленных исследований установлено, что ПАВ в виде химического соединения с некими носителями или модификаторами, в качестве которых чаще всего используют различные полимеры, обладает преимуществом перед растворимой формой, поскольку позволяет избежать его вымывания в декантаминируемую среду и за счет прочности связей создать необходимые концентрации антисептика в биологических жидкостях организма. Полимерные носители для модификации этония должны содержать в своей структуре функциональные группы для образования устойчивых связей с молекулами бактерицида. Наличие функциональных групп определяет не только способность вступать в химическое взаимодействие, но и требуемые физические свойства.
Для выявления сорбента обладающего наибольшей емкостью по этонию были апробированы сорбенты, отличающиеся по своей структуре и функциональным группам. Выбранные иониты являются высокочистыми катионообменными смолами макропористой или гелевой структуры, обладают высокой обменной емкостью, химической и физической стабильностью и превосходными рабочими характеристиками, не растворимы в растворах кислот и щелочей и во всех обычных органических растворителях, не токсичны и не подвержены биодеструкции. Процесс сорбции этония на суль-фокатионите можно представить следующим образом: вначале идет присоединение молекулы этония по одному из атомов азота с последующим прикреплением по второму атому азота. Вероятнее всего, сорбция происходит по смешанному механизму и связано это не только с возможным различием в константах ионизации двух атомов азота, но и с пространственными затруднениями, так как молекула этония обладает сравнительно большой молекулярной массой (585 г/моль).
С целью раскрытия механизма сорбции этония на катионите была предпринята попытка определения констант ионизации методом потенциометрического титрования. Для определения констант ионизации этония водные растворы бактерицида с концентрацией 10 мг/мл титровали 0,1 н. раствором гидроксида натрия, с одновременным измерением рН раствора. Проводили титрование водного раствора этония без фона и с фоном (0,14 н. раствор №0). Были построены зависимости изменения рН раствора этония от объема добавленной щелочи (рис.1 и 2.)
Обработку результатов проводили на ЭВМ по методике, изложенной в монографии А.Альберта и Е.Сержента [2]. Интегральная форма кривой имеет вид типичной кривой титрования нейтральной соли, содержит один перегиб, который может быть найден и по дифференциальной кривой. Наличие одного перегиба говорит в пользу того, что оба атома азота имеют одинаковую константу ионизации. При этом экспериментально найденное количество активных групп, участвующих в титровании равно 2,78 мэкв/г вещества (на фоне №0) и 2,92 мэкв/г (без №0). Теоретически же рассчитанное количество должно быть 1,71 мэкв/г при участии только одного атома азота или 3,42 мэкв/г - при участии двух атомов азота.
Исходный раствор этония имеет рН=2,5. Известно, что, если кривая титрования смещена в кислотную область (рН<4,5), то требуется поправка на ионы Н+. В этом случае константа рассчитывается следующим образом:
рКа = рН + (ВН+-Н+)/(В+Н+).
Для каждой точки кривой определялось количество протонированной формы, что соответствует количеству добавленной щелочи.
По теории Дебая-Хюккеля, поправка на измерение ионной силы может быть рассчитана по формуле: !=0,5-ЕСиона^ , где Сиона- молярная концен-
трация иона, z-его валентность.
Термодинамическая константа ионизации рассчитывается как:
рКат = рКа±(0,505VI)/(1+1.6VI), где для кислот "+", для оснований "- ". Введение этой поправки необходимо также при изменении объема раствора и поправки на разведение раствора, т.е. на изменение объема титруемого раствора.
Таким образом, для каждой точки титрования были получены все три pK средние значения которых дают значения констант ионизации этония. Эти значения приведены в таблицах 1 и 2.
Определения величины емкости по бактерициду каждого из сорбентов проводили в статических условиях. Для чего в конические колбы помещали навески сор-
бентов в Н+-форме (К-1-2 в №+-форме) и заливали 50 мл раствора этония с концентрацией 10 мг/мл. Время равновесия составляло 1 сутки при температуре 20°С. Емкости сорбентов по этонию определяли гравиметрическим и спектрофотометрическим методами. Макропористый сульфокатионит обладает большей емкостью по этонию по сравнению с гелевым сульфокатионитом. По всей видимости, это связано с большими размерами молекулы этония (молекулярная масса этония 585 г/моль), которые вызывают пространственные затруднения при сорбции бактерицида на сульфогруппах гелевого катионита, а именно: затрудненному проникновению молекулы внутрь гранулы и частичному экранированию рабочих функциональных групп большой молекулой бактерицида, что снижает емкость сорбента по целевому компоненту. В то время как, макропористый катионит имеет поры, образованные при формировании гранулы сорбента, размер которых больше размера молекулы этония, что позволяет увеличить количество доступных для сорбции этония сульфогрупп.
Табл. 1. Средние значения констант Табл. 2. Средние значения констант,
ионизации, ионизации, рассчитанные для рассчитанные для водного раствора этония водного 0,14 н. раствора на фоне раствора этония (без КаС!)
Показатель рК рКа р К Рт
рК средн 7,31 7,27 7,19
Ст.откл. 0,17 0,18 0,17
отн.% 2,3 2,5 2,4
Показатель рК рКа рКаТ
рК средн 7,02 6,98 7,01
Ст.откл. 0,12 0,12 0,12
отн.% 1,69 1,76 1,69
0 1 2 3 4 5
V, мл
Рис. 1. Титрование раствора этония Рис. 2. Титрование раствора этония
на фоне 0,14 н. раствора КаС! (без КаС!)
Низкая емкость гелевого карбоксильного катионита помимо пространственных затруднений связана также низким рН водного раствора этония (2,7±0,2), при котором функциональные группы слабокислотного карбоксильного катионита практически не диссоциируют. Величины емкости, полученные гравиметрическим методом и спектрофотометрическим, сильно разняться. Такое различие величин емкости, полученных разными методами, скорее всего объясняется образованием полислоев вещества или мицеллообразованием на поверхности сорбента, которые при подготовке сорбента к сушке за счет слабых связей десорбируются с поверхности сорбента, что приводит к снижению величины емкости, определяемой гравиметрическим методом. Данные определения емкостей сорбентов обоими методами приведены в таблице 3. Эффективность бактерицидных сорбентов в значительной степени зависит от количества бакте-
рицида, находящегося в сорбенте. Поскольку при эксплуатации такого сорбента происходит элюирование растворами, бактерицид поступает в обеззараживаемую среду, где выполняет свою функцию. Поэтому в нашу задачу входило исследование кинетики сорбции этония, для того чтобы получить максимально заряженный сорбент.
Табл. 3. Сравнительная таблица емкостей сорбентов и их относительных погрешностей, полученных двумя различными методами.
метод Емкость сорбента, мг/г.сух.сорб.
1 сут 1 нед
КУ-23И К-1-2 PFC-100E С-105Е* КУ-23И К-1-2 PFC-100E С-105Е
Спектрофотометрический 483,9 45G,4 344,8 28,5 547,4 8GG,1 667,5 196,1
Г равиметрический 3G8,3 27G 26G,6 22,7 4G1,6 325,4 476,2 27,4
Среднее значение 396,1 36G,2 3G2,7 25,6 474,5 562,75 571,85 111,75
Стандартное отклонение 124,2 127,6 59,5 4,1 1G3,1 335,7 135,3 119,3
Относительная погрешность^ 31,3 35,4 19,7 16,G 21,7 59,6 23,7 1G6,7
* карбоксильный катионит
Кинетику сорбции изучали в статических условиях с соотношением фаз 0,4 г. воздушно-сухого сорбента : 50 мл раствора этония, при двух исходных концентрациях:
0,1 мг/мл и 10 мг/мл. Для описания кинетики реакции была проведена математическая обработка экспериментальных данных на ЭВМ, которая показала, что наиболее точное описание реакции химического связывания дает модель внутридиффузионной кинетики, которая описывается уравнением:
Ft = 1 -—г-------2 £-• exP
n •ж Пі n
Din •ж • n • t
где Din - коэффициент внутренней диффузии, см2*с-1; r -радиус зерна ионита, см; t - время достижения степени превращения, с. Кинетические кривые сорбции этония на сульфокатионите приведены на рисунках 3, 4.
Рис. 3. Кинетика сорбции этония на РРС-100Е из Рис. 4. Кинетика сорбции этония на РРС-100Е из
раствора с исходной концентрацией 0,1 мг/мл раствора с исходной концентрацией 10 мг/мл
Экспериментальные и расчетные кинетические кривые в координатах показали хорошую сходимость, что подтверждает адекватность выбранной модели кинетики.
Оценка бактерицидности образцов бактерицидных полимеров проводилась во ВНИИ Ветеринарной Вирусологии и Микробиологии (г. Покров). Исследовали антимикробное действие двух образцов бактерицида на основе сульфокатионита PFC-100E
на штаммах сибирской язвы, золотистого стафилококка и кишечной палочки. Количество этония в первом (СБЭ-2) и во втором (СБЭ-4) образцах составляет 68 и 500 мг/г соответственно. Результаты определения антимикробной активности препаратов луночным методом (диаметр зон просветления) приведены в таблице 4 и на рисунке 5.
Табл. 4. Результаты определения антимикробной активности ионообменных сорбентов
Наименование бактерицидного вещества Содержание бактерицида мг/г Наименование тест культуры
Е.соїі К-12 8. аигеиє 290-Р В.алШгасіє 55-ВНИИВВиМ
5 мг 10 мг 500 мг* 5 мг 10 мг 5 мг 10 мг
СБЭ-2 68 1,0 3,0 Н.и - - - 2,5
СБЭ-4 500 3,0 4,5 роста нет 1,0 3,0 3,0 4,25
Примечание: * - результаты определения антимикробной активности колоночным методом.
А Б
Рис. 5. Культура: А - B.anthracis, Б - S.aureus.
Образцы обладают выраженной бактерицидность по отношению ко всем тестовым культурам, образец с большим содержанием этония закономерно показал большую активность. Испытание колоночным методом проводилось один раз. Время прохождения микробного раствора через колонку с СБЭ-4 составляло 2 минуты. Общее время контакта микробной взвеси с бактерицидным веществом составило 40 мин. Уже после первой элюации рост микроорганизма при высеве на чашки с МПА не наблюдали.
В результате проведенных исследований изучен механизм сорбции этония на катионитах с различными функциональными группами, проведены исследования антибактериальных свойств полученного сорбента в тестах со штаммами патогенных и суперпатоген-ных микроорганизмов, подтвердившие его высокую антимикробную активность.
Список литературы:
1. Саввин, С.Б. Поверхностно-активные вещества/ С.Б.Саввин, Р.К.Черновая, С.Н.Штыков.- М.:Наука, 1991.- 239 с.
2. Альберт, А. Константы ионизации кислот и оснований/ Альберт А., Сержент Е.- М-Л.:Химия, 1964.- 180 с.
