CC BY
20УДК 628.1 Anastasia D. Tikhomirova
THE STUDY BACTERICIDAL ACTIVITY OF ACTIVATED CARBON MODIFIED BY DYES
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: tihomirova_anastasiya90@mail.ru
The possibility of using a cationic dye as a modifier was analyzed for creating an antiseptic material based on active carbon. It is noted that from the groups of dyes examined, the highest bactericidal activity against Escherichia coli culture microorganisms is exhibited by the sorbent impregnated with triphenylmethane series dye, Brilliant Green. The processes of disinfecting water by the chosen material were studied both under static and dynamic conditions, The reduction in the number of detected bacteria cells by 90-95 % under conditions of an increased content of microorganisms was revealed.
Keywords: modifying, water disinfection, activated carbons, dyes, Escherichia coli, sorption processes, adsorption, antiseptics, antibacterial properties, water treatment
:661.183.2
А.Д. Тихомирова1
ИЗУЧЕНИЕ
БАКТЕРИЦИДНОЙ
АКТИВНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ,
МОДИФИЦИРОВАННЫХ
КРАСИТЕЛЯМИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: tihomirova_anastasiya90@mail.ru
Проанализирована возможность применения катионных красителей в качестве модификатора для создания обеззараживающего материала на основе активного угля. Отмечено, что из рассмотренных групп красителей, наиболее высокой бактерицидной активностью в отношении культуры микроорганизмов Escherichia coli обладает сорбент, импрегнированный красителем из трифенилметанового ряда, бриллиантовым зеленым. Изучены процессы обеззараживания воды с использованием выбранного материала, как в статических, так и в динамических условиях, в результате чего было выявлено снижение числа бактериальных клеток на 90-95 % в условиях повышенного содержания микроорганизмов.
Ключевые слова: модифицирование, обеззараживание воды, активированные угли, красители, Escherichia coli, сорбционные процессы, адсорбция, антисептики, бактерицидные свойства, водоочистка
Активная деятельность человека, наблюдаемая в наши дни, неуклонно ведет к ухудшению состояния экологической ситуации в мире. Несмотря на строгие требования к выбросам и сбросам, предъявляемые к современным промышленным предприятиям и коммунальному сектору, состояние окружающей среды, в том числе водных источников, ухудшается с каждым годом. Пресную воду без предварительной очистки не рекомендуется применять в питьевых целях, поскольку это может повлечь за собой непредсказуемые последствия. В настоящее время разработано множество технологических схем водоподготовки, позволяющих достигать необходимого уровня очистки воды [1].
В последние годы в процессы водоочистки все чаще вводят активированные угли (АУ), способные устранять широкий спектр загрязнений. Однако в ходе эксплуатации подобного материала наблюдается его биообрастание [2, 3], что неблагоприятно сказывается на качестве воды. Для устранения данного эффекта проводят модифицирование сорбента, как правило, серебром, которое обладает высокой бактерицидной активностью [4]. При этом существует опасность нанесения вреда здоровью человека ввиду ряда недостатков, присущих серебру, выступающему в качестве обеззараживающего агента. Данный тяжелый металл относится ко второму классу опасности [5] и проявляет свои эффективные обеззараживающие свойства лишь на границе с ПДК его ионов в воде. Все вышеперечисленное послужило причиной отказа многих зарубежных стран от использования данного агента [6], тем самым стимулировав поиск аль-
тернативных способов устранения биообрастания АУ и его применения для обеззараживания воды, которые позволят получать воду безопасную во всех отношениях.
Из многочисленных источников [7-9] известно, что весьма эффективными обеззараживающими свойствами обладают красители. Некоторые группы красителей обладают антисептическими свойствами, например, производные трифенилметана - бриллиантовый зеленый, производные фенотиазина - метиленовый голубой, производные акридина [10]. Механизм действия катионных красителей обусловлен вытеснением водорода из соединений, необходимых для жизнедеятельности бактерий.
Основываясь на известной способности АУ поглощать и удерживать метиленовый голубой (один из методов тестирования сорбентов) было выдвинуто предположение о возможности введения красителей в структуру углеродного материала для обеспечения обеззараживания воды и предотвращения биообрастания АУ при ее очистке.
Методики получения и исследования
В качестве основы для модифицирования в работе использовался кокосовый активированный уголь (АКУ), применяемый в фильтрах доочистки воды. В качестве бактерицидных агентов были выбраны соединения, относящиеся к различным группам красителей, представленные в таблице 1.
1 Тихомирова Анастасия Дмитриевна, аспирантка, кафедра химической технологии материалов и изделий сорбционной техники, e-mail: tihomirova anastasiya90@mail.ru
Anastasia D. Tikhomirova, postgraduate student, Department of chemical technology of sorption technique materials and products Дата поступления - 25 января 2016 года
Концентрация модификатора в пористом материале составила 0,001 % мас. Методика модифицирования заключалась в поглощении пористым сорбентом красителя из заданного избытка водного раствора. После обесцвечивания водного раствора красителя, в результате взаимодействия с углем, сорбент извлекался и подвергался сушке при Т = 100-110 °С.
Таблица 1. Условные обозначения исследуемых в работе образцов
Условное обозначение модифицированного материала Модификатор (краситель) Группа красителей
АКУз Бриллиантовый зеленый Трифенилметановые диамины
АКУф Фуксин Трифенилметановые триамины
АКУх Хромовый темно-синий Трифенилметановые фенолы
АКУм Метиленовый голубой Тиазиновые
АКУа Акридиновый желтый Акридиновые
Определение предельного объема сорбционного пространства (WS) материалов проводилось в статических условиях эксикаторным методом по парам бензола [11].
Исследование адсорбционной активности по I2, как одной из основных характеристик АУ, применяемых в процессах водоочистки, проводилось согласно [12].
Изучение обеззараживающих свойств материалов осуществлялось по отношению к штамму культуры Escherichia coli, путем оценки фекального загрязнения воды [13]. Анализ фекального загрязнения воды определялся по показателю Общие Колиформные Бактерии (ОКБ), который оценивался по количеству образуемых колоний E. coli на питательной среде агар Эндо ГРМ при температуре 37 °С [14].
В качестве исходной воды, подвергающейся очистке с помощью полученных материалов, использовалась вода, обогащенная бактериями. Отбор культуры E.col/ с поверхности плотной питательной среды для заражения воды производился в соответствии с [15]. Путем последовательных разбавлений [16] была получена вода с различным содержанием микроорганизмов, что позволило определить эффективность работы исследуемых материалов в зависимости от степени загрязнения очищаемой среды.
Экспериментальная часть
Первоначально был проведен анализ сорбцион-ных характеристик материалов с целью выбора модификатора, введение которого не ухудшит свойства сорбента. Были исследованы значения WS и адсорбционная емкость по йоду (I2). Результаты представлены в таблице 2, из данных которой видно, что введение добавки незначительно сказывается на величине Ws. Исключение составляет лишь образец АКУа, для которого отмечается снижение данной характеристики на 13 %, что свидетельствует о частичной блокировке пористой структуры сорбента акридиновым желтым.
Таблица 2. Сорбционные характеристики полученных материалов
Наименование образцов Модификатор Ws, см3/г I2,%
АКУИСХ - 0,47 73
АКУз Бриллиантовый зеленый 0,45 72
АКУф Фуксин 0,45 65
АКУх Хромовый темно-синий 0,46 69
АКУм Метиленовый голубой 0,46 67
АКУа Акридиновый желтый 0,41 67
Анализ адсорбционной активности по йоду показывает, что введение всех модификаторов приводит к изменению данной характеристики. Наибольшее снижение наблюдается при использовании фуксина (на 11 %), что свидетельствует о расположении молекул данного красителя главным образом в микропорах сорбента. Выделить из всех модификаторов можно бриллиантовый зеленый, поскольку в этом случае отмечается снижение адсорбционной активности по йоду лишь на 1 %, что находится на уровне погрешности.
Далее, в статических условиях опыта, был проведен эксперимент, направленный на выявление наличия обеззараживающих свойств у полученных материалов, результаты которого приведены в таблице 3. Отбор проб на микробиологические исследования проводился через указанные в таблице промежутки времени при модуле 50 см3 обсемененной воды / 1 г сорбента. В качестве оцениваемого параметра использовали соотношение С/С0, характеризующее эффективность обеззараживающих свойств, который определяется как отношение количества бактерий в воде с сорбентом в заданный момент времени (С) к количеству бактерий в исходной воде (С0), выдержанной в течение заданного времени в аналогичных условиях. Из полученных результатов видно, что немодифицированный АУ снижает количество бактерий в очищаемой воде на 17-21 %, за счет сорбции микрофлоры, что в дальнейшем может привести, как отмечалось ранее, к его биообрастанию. Введение красителей в АУ позволяет достичь большего подавления жизнедеятельности бактерий. Максимальный обеззараживающий эффект был отмечен в случае использования АУ, импрегнированного бриллиантовым зеленым, метиленовым голубым и акридиновым желтым. При этом наблюдалось снижение количества бактерий на 75, 74 и 76 %, соответственно.
Таблица 3. Обеззараживающие свойства полученных материалов в статических условиях (Со = 3000-6500 КОЕ/см3)
Образцы Модификатор С/Се
Через 1 час Через 24 часа
АКУ(исх) - 0,83 0,79
АКУз Бриллиантовый зеленый 0,63 0,25
АКУф Фуксин 0,79 0,57
АКУх Хромовый темно-синий 0,78 0,49
АКУм Метиленовый синий 0,67 0,26
АКУа Акридиновый желтый 1,03 0,24
На основании результатов, приведенных в таблицах 2 и 3, для дальнейших исследований были выбраны образцы АКУЗ и АКУМ, т.к. они наибольшим образом удовлетворяют заявленным требованиям, позволяя получить материал с наиболее высокой сорбционной и бактерицидной активностью.
На следующем этапе экспериментов были получены зависимости, представленные на рисунке 1.
Для выбранных образцов была определена величина сорбции а микроорганизмов, как количество поглощенных клеток микроорганизмов, при взаимодействии с 1 г адсорбента. Величину а определяли по разности концентраций клеточной суспензии до и после контакта с материалом. Время контакта клеток Е.со!/' с адсорбентом составляло 3 часа.
Представленные зависимости демонстрируют повышенную величину сорбции для образца, модифицированного бриллиантовым зеленым при выбранных концентрациях бактериальных клеток в воде. Учитывая, что величина сорбции для немодифицированного АУ независимо от концентрации остается в пределах 300-600
КОЕ/г, вероятно можно сделать заключение о том, что при наличии в пористой структуре бриллиантового зеленого, дополнительно происходит подавление жизнедеятельности бактерий за счет бактерицидной активности самого агента.
7000 в
6000
^ 5000 -
§ 4000
1000 0* ^
0 5000 10000 15000 20000 25000 С0, КОЕ/см3
"••АКУз -•-АКУм —•—АКУисх
Рисунок 1. Сорбция Е.соН на исследованных образцах в водной фазе
Заключительный этап исследований представлял собой анализ обеззараживающих свойств выбранных образцов в динамических условиях, приближенных к промышленным условиям эксплуатации подобных материалов.
Условия динамического процесса:
площадь сечения динамической трубки (Б) -
4.5 см2;
линейная скорость пропускания раствора -
1.6 м/ч;
высота слоя адсорбента - 8 см;
высота слоя воды над адсорбентом (Ив) - 3 см.
Начальное содержание бактериальных клеток (Со) в исследуемой воде, как и ранее было высоко и составляло 10000 КОЕ/см3.
Исследование проводилось в две стадии. Первая стадия состояла в пропускании взвеси микроорганизмов самотеком через колонки с сорбентом в заданных условиях. После завершения первого цикла работы шихты процесс был остановлен. Затем аналогично первой была проведена вторая стадия эксперимента. Результаты представлены на рисунке 2 в виде зависимостей изменения содержания бактериальных клеток в водной среде от отношения объема пропущенной воды (Ув) к объему шихты анализируемого сорбента (Уш).
10 10
8 8
2 2
°0 5* 10 15 20 25 30 35 40 45
V4u vB/vm
Рисунок 2. Результаты микробиологических исследований углей, модифицированных красителями в динамических условиях (С0=10000 КОЕ/см3); а) первая стадия; б) вторая стадия
В итоге было выявлено, что в динамических условиях наиболее высокой бактерицидной активностью обладает образец АКУЗ. На протяжении всего эксперимента с использованием данного образца в среднем было отмечено снижение количества бактериальных клеток на 80-90 %. При этом образец АКУМ в целом не
проявил обеззараживающих свойств, его эффективность была наравне с исходным немодифицированным углем, и к концу эксперимента отмечался значительный рост числа микроорганизмов (более чем в 2 раза). Существенное изменение бактерицидной активности образца А^М на второй стадии эксперимента свидетельствует о невысокой эффективности данного материала и преобладающем процессе подавления жизнедеятельности бактерий за счет их сорбции и удерживании на адсорбенте. В то время, как стабильная обеззараживающая способность образца А^З на протяжении всего опыта свидетельствует о проявлении у сорбента дополнительных обеззараживающих свойств.
Выводы
1 Предложено применение красителей в качестве модифицирующего агента АУ, что позволит сохранять сорбционные характеристики материала, придавая ему дополнительные бактерицидные свойства.
2. Установлено, что наибольшими обеззараживающими свойствами обладает сорбент, импрег-нированный бриллиантовым зеленым с содержанием 0,001%(масс.доли), что обеспечивает снижение фекального загрязнения воды более, чем на 97 %.
3. Показано, что введение бриллиантового зеленого не оказывает существенного влияния на сорбцион-ные характеристики материала, но при этом значительно повышает способность АУ к подавлению микрофлоры воды на примере E.coli.
Результаты получены в рамках задания №2014/191 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (Код проекта НИР № 678).
Литература
1 Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. ^нтроль качества: СанПиН 2.1.4.1Ü74-Ü1: М.: Рид Групп, 2Ü12. 128 с.
2. Андреев И.Л. Пресная вода как глобальная социальная проблема // Вопросы философии. 2Ü1Ü. № 12. С. 55-67.
3. Gordon A. McFeters. Anne K. Camper, Mark W. LeChevallier, Susan C. Broadaway, and David G. Davies Bacteria attached to granular activated carbon in drinking water // EPA/6ÜÜ/M-87/ÜÜ3. P. 1-5.
4. Савадян Э.Ш., Мельникова В.М., Беликова Г.П. Современные тенденции использования серебросодержащих антисептиков // Антибиотики и химиотерапия. 1989. № 11. С. 874-878.
5. Вредные вещества в промышленности: справ. для химиков, инженеров и врачей. Т. III. Неорганические и элементорганические соединения / под ред. Н.В. Лазарева, И.Д. Гадаскиной. Изд.7-е, пер. и доп. Л.: Химия, 1977. 6Ü8 с.
6. Nanotechnology and human health / ed. by Ineke Malsch, Claude Emond. Hoboken, NJ: CRC Press, 2Ü13. 365 p.
7. Селиванов Е.В. Гасители в биологии и медицине: справ. Барнаул: Азбука, 2ÜÜ3. 4Ü с.
8. Поздеев O.K., Покровский В.И. Медицинская микробиология: учеб. для вузов. М.: Геотар-мед, 2ÜÜ2. 768 с.
9. Бородкин В.Ф. Химия красителей. М.: Химия, 1981. 248 с.
1Ü. Халецкий A.M. Фармацевтическая химия. Л.: Медицина, 1966. 751 с.
11. Самонин В.В., Спиридонова Е.А., Подвязников М.Л., Тихомирова А.Д. Исследование сор-бционных и бактерицидных свойств углеродных адсор-
бентов и фуллеренов // Журн. прикл. химии. 2014. Т. 87. Вып. 7. С. 994-997.
12. ГОСТ 6217-74. Уголь активный древесный дробленый. Технические условия. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. 7 с.
13. Российская Федерация. Законы. О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения: фе-дер. закон : [принят Гос. Думой 12 марта 1999 г.: одо-бр. Советом Федерации 17 марта 1999 г.]. М. : Омега-Л, 2014. 32 с.
14. Санитарно-микробиологический анализ питьевой воды: МУК 4.2.1018-01: М.: ФЦ Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. 43 с.
15. Методы микробиологических исследований: метод. указ. для студ. дневного и вечернего фак-тов. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 1997. 59 с.
16. Прозоркина Н.В., Рубашкина Л.А. Основы микробиологии, вирусологии и иммунологии: уч. пос. для ср. спец. мед. уч. заведений. Ростов н/Д.: Феникс, 2002. 416 с.
