Проблема качества воды остро стоит перед обществом на современном этапе развития. В связи с изменением климата в сторону потепления во многих водоемах, особенно в летний период, создаются благоприятные условия для сохранения и развития большого количества различных микроорганизмов (бактерий, вирусов, микроскопических грибов и т.д.). Вода является важным компонентом биосферы и одним из наиболее важных факторов для жизни организмов, но в то же время и одним из основных путей передачи ряда инфекционных заболеваний бактериальной и вирусной этиологии. Поэтому на сегодняшний день остро стоит вопрос не только об очистке потребляемой воды от ксенобиотиков, но и ее дезинфекции.
Обеспечение эпидемической безопасности водопользования в отношении кишечных инфекций, распространяющихся водным путем, является первостепенной задачей микробиологического контроля качества воды [1, 2]. В связи с этим особое внимание придается различным способам обеззараживания воды на различных этапах водоподготовки. При полной очистке поверхностных вод обеззараживание необходимо всегда; при использовании подземных вод – только тогда, когда микробиологические свойства исходной воды этого требуют. Для профилактического обеззараживания и обработки воды в аварийных ситуациях сооружения обеззараживания необходимы на всех станциях подготовки хозяйственно-питьевых вод [3].
Для обеззараживания используют в основном два метода – обработку воды сильными окислителями (хлор, хлорсодержащие реагенты, озон) и воздействие на воду ультрафиолетовыми лучами. Однако при подаче в воду окислителей большая их часть расходуется на окисление органических и некоторых минеральных веществ. Это приводит к появлению специфических привкусов, а, самое главное, обеззараженные таким образом воды могут стать химически токсичными для организма [4, 5].
Поэтому разработка новых более экологичных и экономически выгодных способов очистки воды является актуальной проблемой. Ранее нами была показана перспективность использования органобентонита в качестве сорбента для комплексной очистки питьевой и сточной воды от ПАВ и различных микроорганизмов. В связи с этим целью этой работы было создание инновационной фильтрующей системы на основе природного биологически активного сорбента органобентонита и наноструктурированного биополимера с антибактериальными свойствами, отвечающего вышеизложенным требованиям.
Материалы и методы исследования
В ходе проведенных исследований изучали фильтрующие свойства гранул органобентонита в отношении санитарно-показательных микроорганизмов водных источников. Органобентонит (бентон) представляет собой продукт взаимодействия естественных монтморил-лонитовых глин (бентонитов) с олеофилизаторами (рисунок), в частности, с четвертичными аммониевыми солями (ЧАС). Гранулы органобентонита для наших исследований были предоставлены ООО НПП «Лисскон» (г. Саратов).
Структура элементарной ячейки Na-монтмориллонита
В качестве фильтра использовали гранулы органобентонита в чистом виде, а также после обработки 1 % раствором полидиметилдиаллиламмония (ПДДА) йодид сахарозы, который представляет собой биосовместимый полимер с выраженной антимикробной активностью. ПДДА йодид сахарозы является полиэлектролитом с высокой плотностью заряда и обладает антимикробными свойствами за счет ингибирования процессов активного транспорта. Так как бактерии имеют отрицательный заряд мембраны, а полимер – положительный, то образуется сильная электростатическая связь между полимером и мембраной бактерии. Второй действующий фактор – это ионгидраты, которые сами по себе обладают активностью и эффективны в борьбе с микрофлорой.
В ходе изучения свойств ПДДА йодид сахарозы была доказана его эффективность против грамотрицательных и грамположительных условно-патогенных бактерий. Минимальная действующая концентрация препарата в 4 раза ниже, чем у современных широко используемых дезинфектантов. Еще одним достоинством этого препарата является его экологическая безопасность. В ходе проведенных нами экспериментов было показано, что биополимер относится к IV классу токсичности и является малоопасным соединением в отличие от популярного диоксида хлора, который относится к III классу токсичности и считается умеренно-опасным.
При создании фильтрующей системы нами был использован принцип многоступенчатой загрузки, где фильтрующий материал представляет собой структуру «ядро – оболочка». В качестве «ядра» фильтрующего элемента использовали наноструктурированный природный биологически активный органобентонит с высокой площадью удельной поверхности. Так как кристаллическая структура вещества «ядра» слоистая, и гранула имеет развитую поверхность с большой площадью, то она легко обрабатывается водным раствором биополимера. Это позволяет создать на поверхности наноразмерную полимерную «оболочку» и «перезарядить» гранулы, придав им при этом антимикробные свойства.
В качестве экспериментальной модели использовали грамотрицательные бактерии E. coli 113–13. Из суточной культуры исследуемого микроорганизма готовили взвесь в физиологическом растворе по оптическому стандарту мутности 10 Ед (ГИСК им. Тарасевича), а затем титровали ее до рабочей концентрации 1∙103 мк/мл.
Гранулы помещали в стеклянную колонку высотой 30 см. Фильтрование осуществляли путем пропускания трех объемов по 100 мл взвеси микроорганизмов через колонку с гранулами. Затем отбирали по 0,1 мл фильтрата из каждой пробы, вносили в чашку Петри с мясо-пептонным агаром и с помощью шпателя распределяли по всей поверхности плотной питательной среды. Посевы инкубировали в термостате при температуре 37 °С в течение 24 часов, после чего подсчитывали количество выросших колоний в 1 мл фильтрата. В качестве контроля проводили посев рабочей концентрации взвеси.
Все эксперименты проводили в трехкратных повторностях с последующей обработкой методами вариационной статистики с определением средних арифметических величин (М) и средней ошибки средней арифметической (m).
Результаты исследования и их обсуждение
Нами было проведено фильтрование взвеси E. coli 113–13 с концентрацией микробных клеток, близкой по содержанию в сточных бытовых водах, через фильтрующие системы, содержащие только гранулы органобентонита и гранулы, обработанные 1 % раствором ПДДА йодид сахарозы. В ходе проведенных исследований были получены результаты, которые представлены в таблице.
Влияние полимера на выживаемость E. coli 113–13
|
Контроль |
Фильтрат, КОЕ/мл (М ± m) |
|
|
Гранулы органобентонита |
Гранулы органобентонита + биополимер |
|
|
586 ± 67 |
473 ± 51 |
37 ± 1,9* |
Примечание. * – наличие достоверности при уровне значимости р < 0,05 по отношению к контролю.
При проведении фильтрации через гранулы органобентонита наблюдалась частичная механическая задержка бактерий кишечной палочки, количество КОЕ/мл достоверно не отличалось от контрольных значений. При этом в посевах фильтрата отмечено появление колоний, отличающихся по морфологическим свойствам от колоний кишечной палочки, что свидетельствовало о присутствии в гранулах органобентонита посторонней микрофлоры.
При посеве фильтрата из системы с обработанными полимером гранулами органобентонита отмечено значительное уменьшение количества КОЕ/мл (37 ± 1,9) в среднем в 15 раз по сравнению с контролем (586 ± 67). Было установлено также, что на степень обеззараживания влияет скорость фильтрации.
Для определения сохранения клеток E. coli на гранулах, обработанных полимером, через 24 часа после фильтрования взвеси через фильтр пропускали стерильный физиологический раствор. Затем полученный фильтрат высевали на поверхность плотной питательной среды аналогично вышеприведенным экспериментам. Отмечено отсутствие роста колоний на поверхности питательной среды через 24 часа культивирования в термостате.
Таким образом, установлено, что ПДДА йодид сахарозы, адсорбированный на гранулах органобентонита, обладает бактерицидными свойствами в отношении бактерий группы кишечной палочки.
Заключение
В результате проведенного исследования удалось установить, что фильтрование взвеси E. coli 113–13 с концентрацией 103 микробных клеток в 1 мл через гранулы органобентонита, обработанные 1 % раствором полидиметилдиаллиламмония йодид сахарозы, приводило к снижению количества КОЕ/мл в соответствии с допустимым нормам (не более 100 КОЕ/100 мл). Полученные результаты свидетельствуют об эффективности разработанной фильтрующей системы на основе обработанных полимером гранул органобентонита в отношении санитарно-показательных микроорганизмов воды.
Рецензенты:
Луцевич И.Н., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой гигиены медико-профилактического факультета Саратовского государственного медицинского университета им. В.И. Разумовского, г. Саратов;
Карпунина Л.В., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой микробиологии, вирусологии и биотехнологии Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова, г. Саратов.
Работа поступила в редакцию 07.05.2013.