CC BY
37
держанием ТГМ, содержанием галогенуксусных кислот, суммарным содержанием ГСС по показателю АГС. При применении диоксида хлора — хлорит- и хлорат-ионы.
2. Ввести положение о том, что при применении полимерных реагентов и средств обеззараживания воды необходимо контролировать содержание опасных мономеров и примесей в товарном продукте.
3. Целесообразно рассмотреть вопрос о включении в СанПиН дифференцированных требований к контролю за эффективностью обеззараживания в зависимости от применяемого средства обеззараживания воды по наиболее устойчивому показателю в соответствии с табл. 3.
Введение предложенных показателей повысит надежность контроля за применением различных средств обеззараживания воды, обеспечит химическую и эпидемическую безопасность водопользования.
Усовершенствование системы контроля в свою очередь соответствует задачам гармонизации санитарного законодательства с международными требованиями в связи с программой вступления России в ВТО.
Литер атура
1. Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю) . - 3-е изд. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2011. - С. 700-701.
2. Жолдакова З.И., Харчевникова Н.В., Полякова Е.Е. и др. // Гиг. и сан. - 2002. - № 3. - С. 26-29.
3. Жолдакова З.И., Синицына О.О., Тульская Е.А. // Гиг. и сан. -2006. - № 5. - С. 42-44.
4. Корш Л.Е., Артемова Т.З. Ускоренные методы санитарнобактериологического исследования воды. - М.: Медицина, 1978. - С.14-26.
5. Львова Л. // Провизор. - 2005. - № 6. http://www.provisor.com. ua/archive/1999/N11/lvova.php. (дата обращения 06.12.2011).
6. МУ 1.2.1105-02. Оценка токсичности и опасности дезинфицирующих средств: Метод. указания. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2002.
7. МУ 2.1.4.2898-11. Санитарно-эпидемиологические исследования (испытания) материалов, реагентов и оборудования,
используемых для водоочистки и водоподготовки: Метод. указания. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2011.
8. МУ 2.1.4.1060-01. Санитарно-эпидемиологический надзор за использованием синтетических полиэлектролитов в практике питьевого водоснабжения: Метод. указания. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001.
9. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000.
10. СанПиН 2.1.4.559-96. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. МУ 2.1.4.682-97. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 1997.
11. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2002.
12. СанПиН 2.1.2.1188-03. Плавательные бассейны. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды. Контроль качества. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003.
13. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам: Энциклопедический справочник. - 3-е изд. - М.: Протектор, 2002. - С. 441-446.
14. EN. Directive 98/83/EC. Drinking water standards. http: //www. bsmi.gov.tw/wSite/public/Attachment/f1224039638719.pdf (дата обращения 10.10.2011).
15. Guidelines for Canadian drinking water quality. Summary table. http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/pubs/water-eau/2010-sum_ guide-res_recom/index-eng.php (дата обращения 10.10.2011).
16. Guidelines for drinking-water quality. - 3rd ed. - Vol. 1: Recommendations. - Geneva: WHO, 2003.
17. Krasner S.W., Weinberg H.S., Richardson S.D. et al. // Environ. Sci. Technol. - 2006. - Vol. 40, N 23. - P. 7175-7185.
18. United States Environmental Protection Agency «Drinking water contaminants. National primary drinking water regulations. Stage 1: Disinfectants and disinfection byproducts rule: A quick reference guide». - 2009. http://water.epa.gov/drink/contami-nants/index.cfm#content (дата обращения 14.11.2011).
Поступила 06.02.12
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2012 УДК 614.777.628.16
Т.Н. Максимкина1, Т.З. Артемова1, Н.А.Кузнецова2, О.О. Синицына1, Е.К. Гипп1, А.В. Загайнова1, Н.Н. Буторина1,
О.А. Южакова2, А.В. Красняк1
ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТООБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ
воды от бактериального загрязнения в присутствии гетерогенных сенсибилизаторов на основе фталоцианинов, привитых к
АМИНОПРОПИЛИРОВАННОМУ СИЛИКАГЕЛЮ
1ФГБУ НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина Минздрава России; 2НИИ органических полупродуктов и красителей, Москва
Изучена возможность использования для обеззараживания воды от бактерий 12 гетерогенных сенсибилизаторов на основе фталоцианинов (ФС), ковалентно привитых к аминопропилированному силикагелю. Для надежного контроля качества воды разработана методика бактериологического анализа в присутствии гранул ФС в пробе. Изучены условия, повышающие эффективность фотообеззараживания в присутствии ФС. Обоснован алгоритм оценки фотообеззараживающего действия ФС в отношении бактерий. Полученные данные подтверждают перспективность дальнейших исследований по обоснованию возможности применения ФС для обеззараживания воды.
Ключевые слова: гетерогенные сенсибилизаторы на основе фталоцианинов, фотообеззараживание воды, бактерии Escherichia coli
91
[гиена и санитария 6/2012
T. N. Maksimkina1, T. Z. Artemova1, N. A. Kuznetsova2, O. O. Sinitsyna1, N. N. Butorina1, O. A. Yuzhakova2, A.V. Krasnyak1,
E. K. Gipp1, A.V.Zagainova1 - STUDY OF THE CONDITIONS FOR IMPROVEMENT OF EFFECTIVITY OF PHOTO DISINFECTION OF WATER FROM BACTERIAL CONTAMINANTS IN THE PRESENCE OF HETEROGENEOUS
sensitizers based on phthalocyanines grafted to aminopropyl SILICAGEL
1Federal State Budgetary Institution "A. N. Sysin Research Institute of Human Ecology and Environmental Health" of the Ministry of Healthcare and Social Development, Moscow, Russian Federation; 2Federal State Unitary Enterprise " Scientific Research Institute of organic intermediates and dyes", Moscow, Russian Federation
The possibility of using 12 heterogeneous sensitizers (HS) based on phthalocyanines covalently grafted to aminopropyl silicagel for disinfection of water from bacteria has been studied. For reliable water quality control the technique of performing bacteriological analysis in the presence of HS beads in the sample has been elaborated. The conditions increasing the efficiency ofphoto disinfection in the presence of HS were studied. Algorithm for estimation ofphoto disinfectant effect of HS against bacteria was substantiated. Obtained data confirm the perspective of further studies on the substantiation of the possibility of the application of HS for water disinfection.
Keywords: heterogeneous sensitizers based on phthalocyanines, photo disinfection of water, Escherichia coli bacteria
Разработка новых эффективных и безопасных методов обеззараживания воды является одной из основных задач повышения эпидемической безопасности водопользования. В последние годы проводятся исследования с целью создания фотодинамического метода обеззараживания воды с учетом цитотоксических свойств активных форм кислорода, генерируемых при световом воздействии на фотодинамически активные красители - фотосенсибилизаторы.
Основным препятствием к внедрению в практику водоподготовки метода фотодинамического обеззараживания с использованием водорастворимых красителей (профлавина ацетата, метиленового голубого, холиниометилзамещенно-го фталоцианина цинка) является установленное в токсикологических исследованиях негативное влияние на организм человека присутствующих в воде сенсибилизаторов и продуктов их фототрансформации [1, 2]. Это существенно усложняет технологию обеззараживания воды, поскольку после обработки из воды необходимо удалить остаточные количества фотосенсибилизатора и/или продукты его фотодеградации до уровней предельно допустимых концентраций. Для устранения этих негативных аспектов применения фотодинамического обеззараживания воды в практике водоподготовки предложено использовать гетерогенные фотосенсибилизаторы, в которых краситель-сенсибилизатор (активная фаза) ковалентно привит к нерастворимому в воде носителю, но сохраняет способность индуцировать фотодинамическую инактивацию бактерий за счет сенсибилизации синглетного кислорода под действием видимого света. После завершения процесса обеззараживания гетерогенные фотосенсибилизаторы могут быть удалены из воды с помощью фильтрования.
В настоящее время разработаны различные типы гетерогенных сенсибилизаторов, в том числе на основе пор-фиринов, привитых на нерастворимые в воде матрицы из полистирола, силикагеля и других материалов. Однако известно лишь несколько работ, в которых изучалось их
Максимкина Т.Н. - мл. науч. сотр. лаб. санитарной бактериологии и паразитологии ([email protected]); Артемова Т.З. -канд. биол. наук, вед. науч. сотр. лаб. санитарной бактериологии и паразитологии; Кузнецова Н.А. - д-р хим. наук, вед. науч. сотр. отд. функциональных красителей ([email protected]); Синицына О.О. - д-р мед. наук, зам. дир. по научной работе (labtox430@mail. ru); Гипп Е.К. - канд. мед. наук, ст. науч. сотр. лаб. санитарной бактериологии и паразитологии; Буторина Н.Н. - канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. санитарной бактериологии и паразитологии; Загайнова А.В. - канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. санитарной бактериологии и паразитологии; Южакова О.А. - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. отд. функциональных красителей; Красняк А.В. -мл. науч. сотр. лаб. санитарной бактериологии и паразитологии.
фотообеззараживающее действие в отношении Escherichia coli [3-8].
В последние годы в ФГУП ГНЦ НИОПИК предложена методика получения гетерогенных сенсибилизаторов на основе фталоцианинов, привитых к аминопропилированному силикагелю [6]. Между тем антибактериальное действие предлагаемых сенсибилизаторов не изучено. Не в полной мере выработаны условия применения фотодинамического метода обеззараживания с использованием этих сенсибилизаторов, а также методика оценки их эффективности.
В связи с этим целью настоящих исследований являлась разработка алгоритма оценки фотообеззараживающего действия новых водонерастворимых гетерогенных сенсибилизаторов в отношении бактериального загрязнения воды и обоснование условий, повышающих эффективность применения таких фотосенсибилизаторов.
Материалы и методы
Исследованные гетерогенные сенсибилизаторы (ФС) получены путем химической прививки замещенных фталоциа-нинов (активная фаза) к аминопропилированным силикагелям Диасорб-100амин, Диасорб-250амин и Диасорб-750амин (носители). Для ковалентной прививки использовали метал-лофталоцианины, производные которых эффективно генерируют цитотоксический синглетный кислород в растворах и, как показано в работе Н. Кузнецовой и соавт. [ 6 ], после гетерогенизации сохраняют способность сенсибилизировать образование этой активной формы кислорода. Исследовали следующие образцы:
- полихолинилзамещенные фталоцианины алюминия, цинка, галлия и кремния, привитые на Диасорб-100амин: ФС 1 - Д-100ам/5мкм-А1(ОН) PcChol7; ФС 2 - Д-Ш0ам/5мкм^п(ОН)РсЗДо17; ФС 3 - Д-100ам/5мкм-Ga(OH)PcChol7; ФС 4 - Д-100ам/5мкм^(ОН)РсСЬ17 ;
- полихолинилзамещенные тетра-3-тиофенилфтало-цианины цинка и алюминия в качестве активной фазы на различных силикагелях с разной концентрацией активной фазы (1,5; 3 и 10 мкм/г): ФС 5 - Д-750ам/5мкм-А1(ОН) Pc(SPh)4Chol7; ФС 6 - Д-750амЛ,5мкм-2пРс^)4Сйо!7; ФС 7 - Д^ОамЛДмкм-гпРс^Р^^о^; ФС 8 -Д-250ам/3мкм-2пРс^Р^4С^к; ФС 9 - Д-250ам/10мкм-ZnPc(SPh)4Chol7;
- гетерогенные сенсибилизаторы с различным электрическим зарядом: ФС 10 - Д-250ам/5мкм-А1(ОН)Рс^Р^4 Chol7 (положительный); фС 11 - Д-250ам/5мкм-А1(ОН) Pc(SPh)4Chm7 (нейтральный), ФС 12 - Д-250ам/5мкм-А1 (OH)Pc(SPh)4 (СH2NHCH2CH2SO3Na)7 (отрицательный). ФС 10 - ФС 12 получены на основе одного исходного образца ФС 11, в котором хлор в хлорметильных группах заменяли на остатки холина либо таурина. Электронные
92
Контроль
Опыт
Сенсибилизатор, освечивание, без барботирования
Сенсибилизатор, барботирование, без доступа света
Сенсибилизатор, барботирование,освечивание
Рис. 1. Влияние барботирования воздухом и освечивания воды модельного водоема с гетерогенным сенсибилизатором ФС 5 на выживаемость тест-культуры Eschea^a coli.
спектры поглощения этих гетерогенных сенсибилизаторов демонстрируют одинаковую концентрацию и идентичный агрегационный состав фталоцианинов на поверхности носителя.
Антибактериальную активность ФС оценивали в отношении тест-культуры Escherichia coli штамм 1257.
Эксперименты проведены на воде модельных водоемов с внесением заданной концентрации ФС и последующим внесением суточной культуры бактерий. После выдерживания модельных водоемов в течение 30 мин в темноте отбирали контрольные пробы воды до освечи-вания. Опытные образцы после выдерживания в темноте подвергали освечиванию при активном барботировании в заданный интервал времени при 22-250С.
Результаты и обсуждение
На первом этапе разработки алгоритма оценки фотообеззараживающего действия ФС предпринято сравнительное определение эффективности четырех методов бактериологического анализа в присутствии гранул в пробе: прямого посева методом газона, глубинного культивирования, метода мембранной фильтрации и титрационного метода. Установлено, что наиболее информативными методами выделения бактерий при работе с ФС являются метод прямого посева проб воды и мембранной фильтрации.
ФС нерастворимы в воде и при отсутствии интенсивного перемешивания выпадают в осадок. Поэтому проведены исследования для поиска наиболее оптимального метода выявления бактериального загрязнения в различных фракциях модельного водоема с целью объективной оценки эффективности процесса фотообеззараживания. Пробы отбирали после постоянного перемешивания (суспензию), после интенсивного перемешивания и последующего отстаивания (надостаточную жидкость), после удаления жидкой фракции (осадок). Статистически достоверные различия в численности бактерий в суспензии и надосадочной жидкости не выявлены, что позволяет рекомендовать проводить отбор проб из надосадочной жидкости. Поскольку возможна адсорбция бактерий на гранулах сенсибилизатора, необходимо дополнительно исследовать осадок.
При выработке условий повышения эффективности ФС изучено влияние некоторых факторов на процесс фотообеззараживания, а именно роль освечивания проб воды и подачи кислорода путем барботирования воздухом.
Изучение динамики инактивации Escheriсhia coli в присутствии ФС 5 под действием всех факторов, обеспечивающих процессы фотообеззараживания (свет, барбо-
тирование), осуществлялось параллельно с определением численности бактерий в модельных водоемах, где при прочих равных условиях было исключено освечивание или барботирование. Результаты (рис. 1) показали, что в темноте процессы обеззараживания не происходят. Число бактерий в течение 120 мин оставалось неизменным. При исключении процесса барботирования выраженное снижение численности бактерий также не наблюдалось. В те же временные интервалы при наличии освечивания и бар-ботирования численность бактерий интенсивно снижалась. Следовательно, эффективное фотообеззараживание в отношении бактерий Escherichia coli в воде происходит в присутствии ФС, освечивания и интенсивного барботи-рования воздухом, что необходимо для сенсибилизации активных форм кислорода, оказывающих влияние на бактерии.
На примере ФС 6 изучена эффективность процесса фотообеззараживания в отношении бактерий Escheriсhia coli в зависимости от концентрации гетерогенного сенсибилизатора 1, 2, 5 г/дм3. Установлено, что при концентрации 1 и 2 г/дм3 после 60 мин освечивания число бактерий Escheriсhia coli уменьшилось только в 3 раза, эффективность составила около 70%. При увеличении дозы сенсибилизатора до 5 г/дм3 число бактерий снизилось на 3 порядка при эффективности 99,83%.
Проведено изучение эффективности фотообеззараживающего действия трех образцов гетерогенных сенсибилизаторов ФС 7, ФС 8, ФС 9 при одной и той же дозе 4 г/дм3, но с различной концентрацией активной фазы фталоциа-нина цинка на аминопропилированном силикагеле, которая составляла 1,5; 3 и 10 мкм/г. При использовании ФС 7 и ФС 8 с низкой концентрацией активной фазы (1,5 и 3 мкм/г) обеззараживающего действия после 30 и 60 мин освечивание не выявлено (рис. 2.) При воздействии ФС 9 с большой концентрацией активной фазы 10 мкм/г и освечивании в течение 1 ч эффективность обеззараживания существенно увеличилась (до 99,6%), при этом уровень бактерий по сравнению с контрольным снизился на 2 порядка с 2,5-105 до 1,0103 КОЕ/100 мл.
Определена эффективность фотообеззараживающего действия в отношении бактерий Escheriсhia coli трех ФС, различающихся электрическим зарядом. Анализ полученных результатов, представленных на рис. 3, показал, что через 1 ч воздействия наблюдались существенные различия в эффективности обеззараживания воды. В присутствии ФС 10 эффективность составила 99,8%, ФС 11 - 95,7%, ФС 12 - 90%. При увеличении времени освечивания до
1,5 мкм/г Щ 3 мкм/г О Ю мкм/г
Рис. 2. Эффективность фотообеззараживания тест-культуры Escheriсhia coli в присутствии гетерогенных сенсибилизаторов ФС 7, ФС 8, ФС 9 с содержанием активной фазы 1,5; 3 и 10 мкм/г.
93
[гиена и санитария 6/2012
Щ ФС10 §§ФС11 Щ ФС12
Рис. 3. Сравнительная оценка эффективности фотообеззараживания воды в отношении тест-культуры Escherkhia coli в присутствии сенсибилизаторов с положительным (ФС 10), нейтральным (ФС 11) и отрицательным (ФС 12) зарядом активной фазы.
2 ч различия в эффективности обеззараживания более выражены. В водоемах с ФС 10 бактерии Escheriсhia coli не были обнаружены (эффективность 100%). В присутствии ФС 11 в воде оставались единичные клетки бактерий (эффективность 99,8%), а при действии ФС 12 через 2 ч освечивания сохранили жизнеспособность сотни клеток (эффективность 98,5%). Таким образом, при одном и том же исходном уровне заражения до освечивания отмирание бактерий наиболее интенсивно и эффективно протекало в присутствии ФС с положительным зарядом. Наименьшая эффективность установлена в присутствии ФС с отрицательным зарядом. В присутствии образца с нейтральным зарядом получено промежуточное значение. Выявленную закономерность можно объяснить увеличением адсорбции клеток бактерий, заряженных отрицательно, на поверхности гранул сенсибилизатора с положительно заряженной активной фазой (ФС 10), где большая концентрация образующихся активных форм кислорода способствует повышению обеззараживающего действия. Отрицательный заряд активной фазы (ФС 12), напротив, из-за электростатического отталкивания уменьшает адсорбцию бактерий на поверхности сенсибилизатора и, следовательно, снижает эффективность фотообеззараживания.
В следующей серии экспериментов изучали зависимость эффективности фотообеззараживания от природы центрального атома в молекуле привитого фталоцианина. В экспериментальных условиях моделировали процесс фотообеззараживания в присутствии четырех ФС с одинаковыми носителем (Диасорб-100амин) и концентрацией активной фазы (5 мкм/г), содержащих полихолинилзамещенные фталоцианины алюминия, цинка, галлия или кремния (ФС 1 - ФС 4). В результате исследований (рис. 4) установлено, что строение активной фазы гетерогенного сенсибилизатора существенно влияет на эффективность его действия в процессе фотообеззараживания воды от бактериального заражения. Наиболее эффективными оказались ФС, содержащие в качестве активной фазы фталоцианины кремния (99,68%) и алюминия (99,16%), менее эффективным - сенсибилизатор с фталоцианином цинка (93,02%) и практически неэффективным - сенсибилизатор с фталоцианином галлия (78,88%).
В ы в о д ы. 1. В результате исследований показана возможность использования для обеззараживания воды от бактерий кишечной группы гетерогенных сенсибилизаторов на основе фталоцианинов, ковалентно привитых к аминопропилированному силикагелю.
2. Определены наиболее эффективные методы бактериологического анализа воды в присутствии гранул гете-
После освечивания в течение 120 мин
Рис. 4. Сравнительная оценка эффективности фотообеззараживания тест-культуры Escherichia coli в присутствии гетерогенных сенсибилизаторов, содержащих в качестве активной фазы полихолинилзамещенные фталоцианины с различными центральными атомами (ФС 1 - алюминий , ФС 2 - цинк, ФС 3 - галлий, ФС 4 - кремний).
рогенных сенсибилизаторов - прямой посев и метод мембранной фильтрации.
3. Обоснован алгоритм оценки реального фотообеззараживающего действия гетерогенных фотосенсибилизаторов в отношении бактерий кишечной группы, включающий методы отбора проб воды из надосадочной жидкости, время взаимодействия сенсибилизатора с инокулятом без доступа света (30 мин), интенсивное барботирование воздухом и освечивание (не менее 60 мин).
4. Определены условия повышения эффективности фотообеззараживания бактерий в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов (концентрация сенсибилизатора не менее 4 г/дм3; наличие в структуре активной фазы фта-лоцианинов алюминия и кремния; концентрация активной фазы должна составлять не менее 5 мкм/г; сенсибилизатор должен иметь положительный заряд).
5. Полученные данные подтверждают перспективность дальнейших исследований по обоснованию возможности применения гетерогенных фотосенсибилизаторов на основе привитых к аминопропилированному силикагелю фталоцианинов для обеззараживания воды.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Москвы и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 10-03-00444)
Литер атура
1. Головач Е.Н., Беляева Н.Н., Юрченко В.В. // Вестн. Рос. Военно-мед. акад. - 2008. - Т. 23, № 3( прил. 2,ч. II). - C. 459-460.
2. Синицына О.О., Жолдакова З.И., ПоляковаЕ.Е. и др. // Гиг. и сан.
- 2007. - № 5. - С. 57-60.
3. BezmanS.A., BurtisP.A., IzodT.P.J., ThayerM.A. // Photochem. Pho-tobiol. - 1978. - Vol. 28. - P. 325-329.
4. Bonnett R., KrystevaM.A., Lalov I.G., Artarsky S.V // Water Res. -2006. - Vol. 40. - P. 1269-1275.
5. Fueda Y., SuzukiH., Komiya Y. et al. // Bull. Chem. Soc. Jpn. - 2006.
- Vol. 79, N 9. - P. 1420-1425.
6. KuznetsovaN., Yuzhakova O., StrakhovskayaM. et al. // J. Porphyrins Phthalocyanines. - 2011. -Vol. 15. - P. 718-726.
7. Mosinger J., LosinskaK., Abrhamova T. et al. // Anal. Lett. - 2000. -Vol. 33, N 6. - P. 1091-1104.
8. YokoiH., Shiragami T., Hirose J. et al. // World J. Microbiol. Biotech-nol. - 2003. - Vol. 19. - P. 559-563.
Поступила 22.02.12
94
