CC BY
5
С КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2006 УДК 613.31:628.1б]-078
Г. И. Корчак, И. Н. Скороход, Е. В. Сурмашева
ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ СОМАТИЧЕСКОГО КОЛИФАГА Т2 ПРИ ВИРУСОЛОГИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ
Институт гигиены и медицинской экологии им. А. Н. Марзеева АМН Украины, Киев
Обеспечение населения питьевой водой, которая соответствовала бы действующей нормативной базе [3], является одной из главных проблем профилактики инфекционной заболеваемости с водным путем передачи во многих странах. Уже не вызывает возражений тот факт, что питьевая вода может стать причиной водных вспышек различных инфекций вирусной этиологии (вирусный гепатит А (ВГА), ротавирусные гастроэнтериты, эн-теровирусные и прочие инфекции) [5]. К сожалению, прямой вирусологический контроль качества воды вследствие существенных материальных и временных затрат проводится значительно реже, чем этого требуют состояние водопроводных сооружений и эпидемиологическая ситуация. Поэтому для косвенного контроля вирусного загрязнения воды применяется определение коли-фагов, которые, как доказано многими исследованиями, являются удовлетворительными индикаторами присутствия патогенных вирусов в воде (1, 2, 4, 8, 19—22, 26). Но наряду с этим до настоящего времени остается много нерешенных вопросов и прежде всего выбор из многочисленных представителей колифагов наиболее адекватного.
Много авторов предлагают использовать в качестве модели энтеровирусов (ЭВ) РНК-бактериофаги, в частности Р-специфический колифаг МБ2, на том основании, что ЭВ и ВГА, которые являются наиболее распространенными, также относятся к РНК-вирусам и имеют близкие размеры [12, 16—18, 23, 25). В то же время не изучен такой важный аспект, как удаление бактериофагов в процессе коагуляции-флокуляции вообще и в сравнительном аспекте в частности. До этого времени контроль эффективности и разработку параметров применения коагулянтов и флокулянтов, как правило, проводят, основываясь лишь на эффективности оптимизации физико-химических показателей качества воды (цветность, мутность, перманганатная окисляемость, остаточный алюминий и т. п.). Кроме того, большинство исследований процесса адсорбции вирусов касается изучения механизмов связывания вирусов различными грунтами, которые обычно имеют отрицательный заряд, в то время как коагулянты заряжены положительно.
В нашей работе была осуществлена попытка выяснить параметры эффективной работы ряда коагулянтов (сульфат алюминия (СА), оксисульфат алюминия (ОСА), оксихлорид алюминия (ОХА), оксихлоридсульфат алюминия (ОХСА)) в отношении очистки от бактериофагов речной воды разного физико-химического состава и в разные периоды года, наиболее опасные в отношении распространения кишечных вирусных инфекций (лето, осень).
В проведенных нами ранее исследованиях [6, 9] колифаг МБ2 демонстрировал неадекватное для процесса удаления вирусов из воды с помощью коагулянтов поведение по сравнению с предлагаемым нами соматическим ДНК-колифагом Т2 и потому он не может служить соответствующей моделью ЭВ относительно очистки воды этими реагентами, поскольку для эффективной адсорбции колифага МБ2 требовались слишком маленькие дозы реагентов (в 2—3 раза меньше, чем для Т2), а сам процесс его удаления отличался от ожидаемого для него поведения как биоколлоида, так как щелочность, ионная сила, температура и рН водной системы имели меньшее влияние на этот фаг. Эти особенности поведения колифага МБ2 могут объясняться его физико-химическими свойствами, в частности низким значением изоэлектри-ческой точки (р! = 3,5), гидрофобностью, маленькими
размерами и простым строением вириона. Все это, казалось бы, делает его привлекательной моделью для оценки эффективности работы разных реагентов. Но организм, претендующий на роль модели, должен максимально приближаться по своим физико-химическим свойствам к кишечным вирусам и проявлять высокую резистентность, т. е. иметь "худшее" поведение. Известно, что многие патогенные вирусы имеют изоэлектриче-ские точки в диапазоне 4,0—7,0 (полиовирусы (ПВ), ро-тавирусы (РВ), вирусы ECHO), большие размеры (РВ, аденовирусы) и более сложное строение, что значительно усложняет очистку воды от этих патогенных агентов. В этом случае более перспективным в качестве модели вирусов можно считать колифаг Т2, имеющий более высокую изоэлектрическую точку (pi = 4,2), сложное строение и большие размеры вириона. Поведение этого колифага в экспериментах практически во всех случаях четко и адекватно изменялось при корректировании ионной силы, щелочности, температуры и pH водного раствора [6, 9, 10]. Кроме того, натурные исследования коагуляции и флокуляции продемонстрировали возможность эффективной очистки воды от вирусов на примере именно колифага Т2, причем можно было довольно четко линейно определять влияние определенных концентраций коагулянтов и флокулянтов на эффективность процесса очистки воды [7, 11].
Учитывая, что основным требованием, предъявляемым к санитарно-показательному микроорганизму (а бактериофаги рассматриваются нами как санитарно-по-казательные вирусы), является адекватность его поведения соответствующему патогенному агенту, целью данного этапа комплекса исследований явилось изучение адекватности модельной роли соматического ДНК-ко-лифага Т2 в отношении удаления ЭВ для оценки эффективности этапа коагуляции и технологических схем во-доподготовки, в которых для обеззараживания применяются соединения хлора.
Объекты исследования: музейные штаммы соматического ДНК-колифага Т2 и F-специфического РНК-ко-лифага MS2, дикие штаммы соматических и F-специфи-ческих колифагов, выделенные из речной и питьевой воды, ПВ типа 2 (вакцинный штамм Сэбина Р712 Ch 2 ab); тест-культуры бактерий-хозяев (Е. coli штамм В и С для соматических колифагов и Е. coli штамм К-12 Hfr для F-специфичсских колифагов); коагулянты CA, ОСА, ОХА, ОХСА; пробы воды рек Днепр и Десна, вода на этапах водоподготовки Деснянской водопроводной станции.
Методики: при исследовании проб питьевой воды и на этапах водоподготовки (в объеме 1 л) для определения колифагов использовали на первом этапе метод обогащения в среде накопления, а на втором — двухслойный агаровый метод. Количество колифагов в 1 л питьевой воды определяли с помощью таблиц наиболее вероятного числа. Исследование проб речной воды на колифаги проводили двухслойным агаровым методом.
Натурные исследования эффективности коагулянтов относительно удаления вирусов проводили с помощью тестов в стаканах ("jar-test") [6].
Эффективность удаления ПВ коагулянтами определяли путем выявления их инфекционной активности по цитопатическому действию. Титрование вирусов выполняли микрометодом в перевиваемых клеточных культурах Нер-2 (штамм Cincinnati). Титр кишечных вирусов определяли по формуле Кербера.
Таблица 1
Фнзико-хнмическме показатели качества речной воды
Показатель качества Днепр Десна
лето осень лето осень
Цветность, град 58 32 31 23
Мутность, мг/дм3 2,0 1,3 6,5 6,2
Щелочность, мг-экв/дм3 2,4 2,8 3,7 3,7
рН 7,85 8,1 7,95 8,4
Окисляемость, мг/дм3 9,28 7,6 7,6 5,6
Статистическую обработку данных выполняли путем вычисления средних арифметических и их ошибок, достоверности разности по критерию Стьюдента и регрессионного анализа с вычислением коэффициентов регрессии.
Соматические и Р-специфические колифаги выделялись на всех этапах водоподготовки, включая воду перед подачей в водораспределительную сеть (резервуар чистой воды — РЧВ), в концентрациях (2—50) бляшкообра-зующих единиц на I л (БОЕ/л) при требовании их отсутствия в 1 л. Необходимо отметить, что количество положительных на колифаги проб почти не уменьшилось при прохождении всего цикла водоподготовки от камеры реакции до РЧВ (11,1—20,8%) и даже увеличилось в пробах после фильтрования и из РЧВ, что может быть связано с явлением дисагрегации вирусных частиц. Процессы предшествующего хлорирования, коагуляции и флокуля-ции, которые происходят в камере реакции, оказались наиболее эффективными методами удаления колифагов из речной воды. Так, количество положительных на соматические колифаги проб речной воды после прохождения камеры реакции снизилось на 67,9—75,7%, а на Р-специфические — на 71,0%. Можно утверждать (р < 0,05), что в конечной воде из РЧВ соматические колифаги выделялись чаще, чем Р-специфические, что указывает на их преобладающую способность по сравнению с Я-специфическими колифагами, представителем которых является колифаг МБ2, проходить через очистные сооружения, а следовательно, на возможность использования колифага Т2 как показателя эффективности удаления патогенных для человека вирусов из воды при применении разных технологических приемов водоподготовки.
Адекватность этой модели подтверждена также в лабораторных исследованиях процесса обеззараживания воды от вирусов соединениями хлора. В частности, обнаружено, что бактериофаг Т2 проявляет высокую резистентность к хлору по сравнению с МБ2. Как свидетельствуют результаты, полное обеззараживание воды от фага Т2 достигается лишь теми дозами хлора, которые применяются при специальном режиме дезинфекции воды от кишечных вирусов, а колифаг МБ2 инактивируется дозами, эффективными лишь для бактериальной микрофлоры, а не для вирусов.
Последним этапом наших исследований было непосредственное сравнение удаления с помощью коагулянтов колифагов Т2 и представителя ЭВ ПВ типа 2. Натурные исследования были проведены с использованием воды рек Десна и Днепр, которые отличаются по своему физико-химическому составу (табл. 1). Целью этих испытаний было определение оптимальных концентраций разных коагулянтов для удаления ЭВ из речной воды и демонстрация взаимосвязи между эффективностью удаления коагулянтами непосредственно ЭВ (ПВ типа 2) и претендентов на выполнение роли их модели — колифагов Т2.
Анализ полученных результатов достаточно четко показал существенную разницу между эффективностью новых (ОХА, ОХСА) и традиционных коагулянтов (СА, ОСА) в процессе удаления ПВ из воды (табл. 2). Применение даже повышенных доз коагулянтов СА и ОСА
(20—30 мг/л по А1203), которые обычно не используются на практике, позволило удалить ПВ из воды Десны лишь на 55,6—66,7%, а из воды Днепра — на 66,7—77,8%. Использование же коагулянтов ОХА и ОХСА даже при внесении невысоких доз этих реагентов (10—15 мг/л по А1203) позволило достичь 100% удаления ПВ независимо от происхождения воды.
Сравнение уровней удаления ПВ типа 2 и колифага Т2 из воды обоих рек показало, что между этими показателями не существует достоверно значимой разности, т. е. эти организмы имеют подобный характер реагирования на влияние разных коагулянтов, что делает возможным использование колифага Т2 для прогнозирования уровней удаления ПВ из воды при ее коагулировании. С этой целью нами были вычислены коэффициенты регрессии, которые с достоверностью 95% позволяют рассчитывать степень эффективности удаления ПВ разными коагулянтами при известной их эффективности относительно колифага Т2 (табл. 3).
Проведенные исследования показали, что коагуляция является эффективным методом удаления вирусов из речной воды, в особенности при применении прогрессивных коагулянтов ОХА и ОХСА, поскольку их внесение позволяет очистить воду на 99—100% как от колифагов Т2, так и ПВ. Необходимо заметить, что при использовании довольно высоких доз реагентов не наблюдалось различия между удалением колифага Т2 из воды Десны и Днепра, в отличие от ПВ, удаление которого коагулянтами хуже проходило в воде Десны, особенно при использовании СА и ОСА. Это может объясняться высокой мутностью воды (в 5 раз выше, чем в Днепре) и рН (8,4), что усложнило процесс адсорбции вирусов коагулянтами. Снижение температуры воды в осенний период (до 10°С) не требует увеличения доз всех изученных коагулянтов.
Адсорбция вирусов частицами продуктов гидролиза (ЧПГ) коагулянтов зависит от штамма вируса и его электрокинетических свойств, что может быть вызвано вариабельностью в конфигурации белков внешнего капси-да вирусов, а это в свою очередь влияет на поверхностный заряд вируса [14, 15]. Этот заряд влияет на электростатический потенциал между вирусом и ЧПГ коагулян-
Таблица 2 Эффективность удаления ПВ типа 2 и колифага Т2
Коагулянт, дозы по А1;03, в мг/л ПВ типа 2 Колифаг Т2 ПВ типа 2 Колифаг Т2
1« редукции % редукции
Десна
СА 10 2,5 3,3 55,6 99,96
20 2,5 3,4 55,6 100,0
ОСА 15 2 3,0 44,4 99,91
20 2 3.4 50,0 100,0
30 3 3,4 66,7 100,0
ОХА 5 2,5 2.9 55,6 99,75
10 4,5 3.4 100,0 100,0
ОХСА 5 2,5 2,4 55,6 99,7
10 2 2,9 50,0 99,92
15 4.5 3,4 100,0 100,0
Днепр
СА 15 2,5 3,2 55,6 99,90
20 2,5 3,2 57.6 99,96
30 3.0 3.2 66,7 100,0
ОСА 20 2,75 3.3 64,9 99,98
30 3,5 3,2 77,8 100,0
ОХА 5 2,5 2.9 58,3 99,46
10 3,75 3.3 88,9 99,98
15 4,0 3.42 100,0 100,0
ОХСА 10 3,25 2,61 76,4 99,8
15 4,25 3.42 100,0 100,0
Таблица 3
Коэффициенты регрессии для расчета удаления коагулянтами ПВ
Коагулянт Коэффициент регрессии и его погрешность (при р < 0.05)
ПВ типа 2 и колифаг Т2
СА 0,80 ± 0,04
OCA 0,81 ± 0,09
ОХА 1,10 ± 0,09
ОХСА 1,13 ± 0,12
тов, что оказывает влияние на степень взаимодействия
между вирусом и коагулянтом. Известно, что вирусы в водных растворах представляют собой биоколлоиды, поэтому можно предположить, что адсорбция вирусов, имеющих внешний белковый капсид, подобна адсорбции белковых молекул к твердым частицам. Поскольку аминокислоты капсида могут нести заряд или присоединять гидрофобные группы, то адсорбция вирусов может иметь электростатический, что характерно для гидрофильных коллоидов, или гидрофобный характер взаимодействия, что характерно для вирусов с гидрофобными свойствами [24]. При этом важное значение имеет также размер вируса, поскольку известно, что вирусы, имеющие размеры больше 60 нм, удаляются путем адсорбции сложнее, чем меньшие вирусы [13]. Гидрофильные биоколлоиды, к которым относятся колифаг Т2 и ПВ, должны удаляться хуже, чем гидрофобные (колифаг М82), поскольку преобладает их притяжение к молекулам воды. Поэтому при удалении из воды колифага Т2 и ПВ преобладают электростатические взаимодействия между вирусами и коагулянтами, а при удалении колифага МБ2 — гидрофобные взаимодействия. Итак, основываясь на этих особенностях адсорбции вирусов, можно объяснить поведение разных вирусов, которые тестировались нами в натурных условиях.
Основными факторами, определяющими удаление колифага Т2 и ПВ, были их размеры, изоэлектриче-ская точка и гидрофобность или гидрофильность. При адсорбции ПВ коагулянтами можно было предусмотреть, что его довольно высокая изоэлектрическая точка (р1 = 4,5) будет усложнять этот процесс, но оказалось, что большее влияние имел его маленький размер, что позволило довольно легко удалить его из воды, особенно с помощью основных коагулянтов ОХА и ОХСА.
Таким образом, разработка эффективных технологических параметров очистки воды от вирусов может быть упрощена путем использования модельного колифага 12, который продемонстрировал удаление с помощью разных реагентов, подобное ПВ. Принимая во внимание более эффективное действие основных коагулянтов (ОХА и ОХСА) относительно удаления вирусов из воды, особенно при низких температурах, можно рекомендовать в водопроводах проводить замену реагентов в зависимости от периода года, т. е. в теплый период применять СА или ОСА, а в холодный — ОХА или ОХСА, контролируя при этом соответствие концентраций коагулянтов и такие параметры воды, как рН, щелочность, ионная сила, температура, цветность и окис-ляемость.
Полученные данные дают право рекомендовать внедрение на водопроводах более тщательного контроля за прохождением процесса коагулирования, поскольку этот этап обработки воды, как доказано нашими исследованиями, является крайне важным в решении проблемы удаления вирусов из воды.
Литература
1. Багдасарян Г. А., Мышляева Л. А., Зотова В. И. // Гиг. и сан. - 1983. - № 9. — С. 4-7.
2. Григорьева Л. В. Энтеровирусы во внешней среде. — М„ 1968.
3. ДСанПЖ 383/1940 Вода питна. Ппежчж вимоги до якосп води центр ал ¡зованого господарсько-питного водопостачання // Зб1рник важливих офшйних документе з санггарних i протиепщем1чних питань. — КиЧв, 1999. - Т. 5. - Ч. 3.
4. Корнилова Н. М. Научное обоснование индикаторного значения колифагов и их регламента для оценки качества питьевой воды в отношении кишечных вирусов: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. — М., 1991.
5. Корчак Г. /., Глушкевич Т. Г., Третьякова Л. В. та ш. // Вода i водоочисш технологи. — 2002. — № 4. — Р. 41-45.
6. Корчак Г. И., Скороход И. Н. // Химия и технология воды. - 2003. - Т. 25, № 6. - С. 585-593.
7. Корчак Г. И., Скороход И. М., Соломенцева И. М., Сурмашева О. В. // Тезисы докладов Международного водного форума "АКВА Украина" 4—6 ноября
2003. - Киев, 2003. - С. 214-215.
8. Недачин А. Е., Дмитриева Р. А., Доскина Т. В. // Гиг. и сан. - 1996. - № 5. - С. 3-6.
9. Скороход /. М. // Ппена населених мюць: 36. наук, пр. - КиТв, 2003. - Вип. 42. - С. 95-100.
10. Скороход I. М., Корчак Г. /., Соломенцева I. М. // Ппена населених мюць: 36. наук. пр. — КиТв, 2004.
- Вип. 43. - С. 110-119.
11. Скороход И. #., Корчак Г. И. // Тезисы докладов 6-го Международного конгресса "ЭКВАТЕК-2004. Вода: экология и технология", 1—4 июня 2004. — М.,
2004. - С. 813-814.
12. Bales R. С., Li S., Maguire К. М. et al. // Water Resources Res. - 1993. - Vol. 29. - P. 957-963.
13. DowdS. E., Pillai S. D., Wang S. et al. // Appl. Environ. Microbiol. - 1998. - Vol. 64, N 2. - P. 405-410.
14. Gerba С. P. // Adv. Appl. Microbiol. - 1984. - Vol. 30.
- P. 133-168.
15. Goyal S. M., Gerba C. P. // Appl. Environ. Microbiol.
- 1979. - Vol. 38. - P. 241-247.
16. Havelaar A. // Microbiol. Sci. - 1987. - Vol. 4, N 12.
- P. 362-364.
17. Havelaar A., van Olphen M., Drost Y. // Appl. Environ. Microbiol. - 1993. - Vol. 59, N 9. - P. 2956-2962.
18. Huertas A., Barbeau В., Desjardins C. et al. // Water Sci. Technol. - 2003. - Vol. 47, N 3. - P. 255-259.
19. IAWPRC Study Group on Health Related Water Microbiology // Water Res. - 1991. - Vol. 25. - P. 529— 545.
20. Kott Y. // Monogr. Virol. - 1984. - Vol. 15. - P. 171-174.
21. Payment P. // Can. Microbiol. - 1991. - Vol. 37. -P. 154-157.
22. Payment P., Franco E. // Appl. Environ. Microbiol. — 1993. - Vol. 59, N 8. - P. 2418-2424.
23. Report of Task Force on Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers. US Environmental Protection Agency, Cincinnati, 1986. — P. 1-29.
24. Schijven J. F., Hoogenboezem W., Hassanizadeh S. M. et al. Ц Water Resources Res. — 1999. — Vol. 35. — P. 1101-1111.
25. Shields P., Farrah S. I I Appl. Environ. Microbiol. — 2002. - Vol. 64, N 8. - P. 3965-3968.
26. Stetler R. // Appl. Environ. Microbiol. - 1984. -Vol. 48, N 3. - P. 668-670.
Поступила 22.04.05
