научная статья по теме СТЕРИЛИЗАЦИЯ РАСТВОРОВ ПОДВОДНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ Химия

Текст научной статьи на тему «СТЕРИЛИЗАЦИЯ РАСТВОРОВ ПОДВОДНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2012, том 46, № 3, с. 259-262

ПЛАЗМОХИМИЯ

УДК 537.525

СТЕРИЛИЗАЦИЯ РАСТВОРОВ ПОДВОДНЫМИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ © 2012 г. А. И. Максимов*, И. К. Наумова**, А. В. Хлюстова*

*Учреждение Российской академии наук Институт химии растворов им. Г.А. Крестова 153045, Иваново, ул. Академическая, 1 E-mail: kav@isc-ras.ru ** Ивановская государственная сельскохозяйственная академия им. Д.К. Беляева 153012, Иваново, ул. М. Рябининой, 45 Поступила в редакцию 17.10.2011 г. В окончательном виде 16.11.2011 г.

Рассмотрена возможность использования низковольтного подводного разряда типа диафрагменно-го для стерилизации водных растворов. Экспериментально установлено, что время полной стерилизации раствора определяется видом бактериальной культуры и количеством диафрагм. Установлено явление "пост-эффекта". Стерилизующее свойство раствора сохраняется в течение продолжительного времени. Анализ полученных результатов позволил выделить основные стерилизующие факторы, к которым относятся химически активные частицы, ударная и звуковая волны, генерируемые разрядом, УФ-излучение.

Стерилизация воды, водных растворов и медицинских инструментов, помещенных в раствор, является важным фактором в медицине и ветеринарии. Газовая низкотемпературная плазма обладает уникальными характеристиками, так как содержит ряд биохимических активных агентов, таких как УФ-излучение, ОН-радикалы, атомы кислорода и так далее. С другой стороны, система плазма—жидкость не так хорошо известна и изучена, как классическая низкотемпературная плазма пониженного давления с металлическими электродами [1].

Имеется ряд исследований, посвященных применению низкотемпературной плазмы в медицине [2—8]. Для стерилизации водных растворов в [2, 3] рассматривается импульсный искровой разряд в воде. Показано, что стерильность растворов наступает уже после 30 с газоразрядного воздействия. Также рассматривается использование скользящей дуги во влажном воздухе как способ стерилизации водных растворов [4]. Авторы отметили так называемый пост-эффект, продолжительность которого меняется от 20 до 30 мин в зависимости от времени контакта плазмы с водой (от 2 до 10 мин). Ряд работ [5—8] посвящен изучению воздействия диэлектрического барьерного разряда на различные объекты. Исследования показали, что к основным стерилизующим факторам относятся заряженные частицы, электрическое поле, микротермический эффект и вакуумное УФ-излучение, создаваемое такого вида разрядом.

В данной работе представлены результаты изучения стерилизующего эффекта низковольтного подводного разряда.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использовался низковольтный электрический разряд переменного тока, типа диафрагменного, возбуждаемый внутри раствора электролита (рис. 1). Ток разряда варьировался в диапазоне 20—120 мА, рабочее

И

гЕД,

Я

по.

Рис. 1. Схема лабораторной ячейки для стерилизации. 1 — рабочий раствор, 2 — крышка, 3 — термометр, 4 — электроды, 5 — кварцевая ампула, 6 — мешалка, 7 — диафрагмы.

3

4

2

4

5

1

260

МАКСИМОВ и др.

t, мин

17 г

16 -

15 -

14 -

13 -

12 -

11 -

10 -

9 -

8 -

7 -

6 -

5 -

4

3 -

2 -

1 -

0

Staph.

E-coli

104 Кл/мл

105 Кл/мл

Рис. 2. Время достижения полной стерилизации раствора для бактериальных культур разной природы.

напряжение не превышало 1500 В. Время газоразрядной активации варьировалось от 1 до 10 мин. Ранее проведенные эксперименты показали, что при генерации диафрагменного разряда происходит частичное разрушение электродов и переход ионов в раствор. Известно, что наличие определенных ионов в растворе может способствовать как размножению, так и гибели бактерий. Так, стерилизующее действие пероксида водорода и активных кислородных радикалов усиливается в присутствии ионов Ag, Cu, Zn и снижается при добавлении ионов Fe и Mn. Ионы Mo, Ni и Al оказывают аддитивное действие с H2O2. По этой причине рабочими электродами были выбраны графитовые стержни диаметром 5 мм.

В качестве исследуемого материала были выбраны штаммы бактерий Escherichia coli M17 (E-Coli) и Staphyloccocus Aureus. Концентрации бактериальной культуры менялись от 104 до 106 Кл/мл. В качестве рабочего электролита использовался физиологический раствор (0.9% NaCl).

После газоразрядной обработки активную среду объемом 0.1 мл высеивали из емкостей на поверхность среды Эндо с соблюдением правил асептики, распределяя равномерно по всей поверхности стерильным шпателем. Далее посевы инкубировали в термостате при температуре 37°С. Подсчет колониеобразующих единиц выполнялся спустя 24 ч по характерным культураль-

ным свойствам колоний кишечной палочки и стафилококка на среде Эндо.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Рисунок 2 иллюстрирует влияние природы бактериальной культуры на время полной стерилизации зараженного раствора под действием диафрагменного разряда для исходных концентраций посевного материала. При этом эффективность газоразрядного воздействия на растворы, содержащие стафилококк, гораздо ниже, чем в случае кишечной палочки (в 3—4 раза). Из приведенной диаграммы видно, что если в случае кишечной палочки в концентрации 104—105 Кл/мл 3—6 минутная обработка полностью подавляет рост жизнеспособных клеток, то при использовании стафилококка в качестве бактериальной культуры подобный эффект достигается лишь через 12—16 мин активации (для концентрации его в растворе 104—105 Кл/мл соответственно).

Причина подобного явления заключается, вероятно, в различном строении клеточной стенки исследуемых микробных клеток. Так, толщина стенки стафилококка составляет 15—20 мкм, а для бактерий кишечной палочки — 10 мкм. Бактериальные стенки обладают высоко индивидуальными химическими особенностями. Например, клеточная стенка кишечной палочки имеет липопро-теидную природу, в ее составе велико содержание ароматических аминокислот, аргинина и проли-на, тогда как "оболочка" стафилококка состоит из глицеро-фосфорно-протеидного комплекса, который более устойчив.

Экспериментально наблюдалось явление "пост-эффекта" — наличие стерилизующего действия после выключения разряда. Изучалось поведение клеток кишечной палочки и стафилококка в физиологическом растворе после его кратковременной активации диафрагменным разрядом. Период воздействия выбирался таким образом, чтобы за этот промежуток времени не происходило полной стерилизации раствора, чтобы в его объеме оставалось некоторое количество жизнеспособных бактерий. Кинетические кривые выживаемости представлены на рис. 3. Из полученных данных видно, что спустя несколько минут после окончания газоразрядного воздействия концентрация бактериальных клеток в растворе уменьшилась примерно вдвое. Это говорит о том, что после выключения разряда в растворе продолжаются изменения, которые мы относим к явлению "пост-эффекта". Из рисунка видно, что после резкого уменьшения содержания бактериальных культур в растворе в течение короткого времени происходит некоторое "торможение" процесса гибели обоих типов бактерий в течение 30—40 мин. Этот "бактериостатический эффект"

СТЕРИЛИЗАЦИЯ РАСТВОРОВ ПОДВОДНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ

261

C, Кл/мл

t, мин

Рис. 3. Явление "пост-эффекта" действия разряда на содержание бактериальных культур в растворе. 1 — E-Coli; 2 — Staphylococcus aureus.

объясняется тем, что при увеличении поражающих факторов происходит повышение иммунитета бактерий. Стерилизующее свойство раствора сохраняется в течение 7 дней.

Количество диафрагм влияет на время достижения полной стерильности раствора (таблица). Как видно из представленных данных, увеличение числа диафрагм снижает время обработки для достижения полной стерильности раствора.

Известно, что зажигание электрического разряда генерирует большое количество химически активных частиц в растворе и в жидкой фазе. Нами была проведена серия экспериментов по выяснению механизма воздействия подводного разряда на бактериальную культуру. В рабочий раствор, предварительно обработанный диафрагменным разрядом (1—3 мин), помещались патогенные и непатогенные бактериальные культуры (рис. 4). Результаты показали, что в случае непатогенных бактерий E-Coli стерильность раствора достигалась спустя 1 ч после помещения бактерий в раствор. В случае патогенных микробов Staphylococ-cus Aureus эффект полной стерилизации наблю-

C, Кл/мл

t, мин

Рис. 4. Влияние предварительной газоразрядной обработки на выживаемость бактерий. 1 — Staphylocco-cus aureus, 2 — Escherichia coli M17.

дался только спустя 2 ч. Таким образом, можно заключить, что разрушение тела непатогенной бактерии происходит за счет взаимодействия химически активных частиц, которые присутствуют в растворе. Для разрыва или разрушения тела патогенной бактерии этого становится недостаточно из-за более толстых стенок бактерии.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

К одному из стерилизующих факторов действия диафрагменного разряда с уверенностью можно отнести химически активные частицы, образующиеся в растворе под действием электрического разряда, такие как радикалы H, OH, сольва-тированный электрон и H2O2. В случае подводных электрических разрядов активная зона, в которой происходит генерация активных частиц, представляет собой тонкий слой раствора, контактирующий с плазменным пузырем. По нашему мнению, наиболее химически активной частицей является гидроксил-радикал. Предполагая, что преобразование первичных активных частиц

Влияние количества диафрагм на стерилизующие свойства разряда/степень стерильности раствора

Число диафрагм, шт Время обработки, мин Начальная концентрация, Кл/мл Содержание E-Coli после обработки

1 10 106 Следы

1 5 104 0

50 10 106 0

50 5 104 0

262

МАКСИМОВ и др.

в ОН-радикалы может происходить по следующему механизму [9]:

Н2О—«-ОН + Н,

Н2О* + е^О- + ОН,

Н2О* + е—►Н- + ОН + е ОН*,

Н2О+ + Н2О^Н3О+ + ОН,

мы полагаем, что гидроксил-радикалы могут реагировать с соседними (близлежащими) органическими молекулами, приводя к цепному процессу окисления и таким образом разрушая молекулы ДНК бактерии, деполяризацию нуклеиновых кислот, разрыв других биологически активных веществ. Продукт рекомбинации ОН-радикалов — пероксид водорода может легко

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком