ПРИМЕНЕНИЕ ДОСТИЖЕНИЙ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ПЛАВАТЕЛЬНЫХ БАССЕЙНОВ.

Titl1_S34

Каплуненко В.Г., Косинов Н.В., Копилевич В.А., Максин В.И.,

Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, г. Киев

Фурмашева Е.В.,

Институт гигиены и медицинской экологии им. А.М.Марзеева, г. Киев

Известно, что хлор и его соединения получили широкое распространение в качестве средства антибактериального обеззараживания как питьевой воды, так и воды плавательных бассейнов (1-3). Соединения хлора не только имеют резкий неприятный запах и вкус, но и токсичны, вызывают аллергию и обладают канцерогенными свойствами при продолжительном их использовании. Много вопросов по поводу безопасности возникает у специалистов к обеззараживанию воды плавательных бассейнов с помощью озонирования.

Обработка воды бассейна ультрафиолетом лишена большинства недостатков хлорирования, однако недостаточно эффективна.

Значительно более эффективными являются методы обеззараживания воды плавательных бассейнов ионами неорганических соединений серебра или серебра и меди, которые генерируются или с помощью картриджей, содержащих неорганическую соль серебра или электролитическим способом на специальном оборудовании, предлагаемом в последнее время рядом ведущих украинских и зарубежных компаний. Однако, кроме дорогого сложного оборудования, потребляющего электроэнергию и требующего постоянного обслуживания, эти методы имеют ряд других существенных недостатков, о которых компании-производители и компании-дилеры по продаже указанного оборудования, к сожалению, умалчивают.

В первую очередь, к таким недостаткам относятся токсичность ионов неорганических солей металлов, в том числе серебра и меди, и ограниченный спектр антибактериального действия серебра именно в обычной ионной форме. К тому, же ионы, генерируемые таким оборудованием, стремятся вступить в неорганические соединения с находящимися в воде бассейна различными веществами, теряя при этом свои бактерицидные свойства и образуя нерастворимые неорганические соли, выпадающие в осадок, что хорошо известно специалистам, обслуживающим подобное оборудование (1).

Цель данной работы – показать действие разработанного нами водного раствора наноаквахелатов серебра и меди для обеззараживания воды плавательных бассейнов как альтернативу используемым в настоящее время другим средствам обеззараживания воды.

Кардинальное решение проблемы обеззараживания воды плавательных бассейнов может быть получено благодаря нанотехнологиям – ведущему направлению научно-технического прогресса в ХХІ веке. Авторами (4-6) разработан и реализован в промышленное производство новый наноматериал с биоцидными свойствами “Шумерское серебро” (ТУ У 24.6-35291116-001:2007; ТУ У 24.6-35291116-003:2009; ТУ У 24.1-35291116-004:2009; ТУ У 24.235291116-001:2009). Этот материал представляет собой водный раствор наноаквахелатов серебра и меди – гидратированых и/или карбоксилированых наночастиц (7) серебра и меди, который обладает широким спектром антибактериального, антивирусного и антигрибкового действия благодаря уникальным свойствам серебряных рецептур древних шумер.

В последнее десятилетие в связи с появлением и развитием нанотехнологий в качестве бактерицидных средств успешно применяются наноразмерные частицы серебра. Хорошо известны также антимикробные, фунгицидные, антиоксидантные, иммуномодулирующие, противовоспалительные и другие важные свойства наночастиц меди, которые эффективнее всего проявляются в присутствии серебра. К тому же, медь является одним из восьми металлов, без которых невозможно протекание биологических процессов в организме человека, животного, растения. Серебро, даже в минимальных дозах, значительно усиливает свойства меди, что, повидимому, связано с синергизмом серебра по отношению к меди в биохимических реакциях. Их совместное действие на микроорганизмы значительно выше, чем у серебра и в меди отдельно. Медно – серебряные водные растворы владеют антимикробным и вирулицидным действием при минимальном проявлении токсичных и аллергических свойств. Медь является составной частью большого количества металлоферментов, она играет ключевую роль в обменных процессах. Показано (8), что составы с серебром и медью в нанодисперсном состоянии намного менее токсичны по сравнению с составами, в которых те же металлы находятся в ионном состоянии, полученном растворением неорганических солей. Например, наночастицы меди в 7 раз менее токсичны ионов меди в составе неорганических солей, что подтверждено большим количеством экспериментов.

Совместное использование нескольких металлов, в частности, серебра и меди для получения бактерицидних водных растворов известно давно (9). Например, исследователями шумерской культуры найдены металлические сосуды, изготовленные из комбинации металлов – серебра и меди, которые использовалась для лечебных целей. Это знаменитая ваза Энтемены и медные кувшины с серебряным носиком. Медь и серебро – это металлы-синергисты. Их совместное действие на микроорганизмы значительно выше, чем у серебра и в меди отдельно. Исследователи считают, что при хранении воды в вазе Энтемены в воду генерировались ионы серебра и меди, и вода превращалась в целебный и омолаживающий эликсир (10).

При получении наноматериала “Шумерское серебро” для повышения его биологической активности нами использован гальванический эффект нанопар серебро-медь. Агломераты наночастиц являются совокупностью короткозамкнутых наногальванических элементов, которые состоят из наночастиц серебра и меди (11). Короткозамкнутые гальванические пары из наночастиц серебра и меди усиливают химическую активность наноматериала за счет активного растворения одного из электродов гальванопары – анода.

Технология обеспечивает наличие в наночастицах серебра и меди поверхностного электрического заряда, который способствует эффективному хелатированию наночастиц молекулами воды и/или карбоновой кислоты и способствует образованию агломератов наночастиц серебра и меди. Нанотехнология позволяет получать концентрированные маточные растворы “Шумерского серебра”, которые при необходимости можно разбавлять к нужной концентрации непосредственно перед применением. Объединение наночастиц серебра и меди в агломераты наночастиц позволяет задействовать электрохимические явления для повышения биоцидной активности наноматериала.

Совместное использование серебра и меди позволяет расширить спектр биоцидного действия препарата как за счет применения двух металлов, которые имеют разную направленность биоцидного действия, так и за счет взаимного синергического усиления действия серебра и меди при совместимом их использовании.

Наночастицы для синтеза наноаквахелата “Шумерское серебро получены методом эрозийно-взрывного диспергирования серебряных и медных гранул в деионизованной воде (12,13). При эрозийно-взрывном диспергировании медных и серебряных гранул возникают свежеобразованные поверхности, которые владеют свойством выпускать поток электронов. При взрывах локальных участков серебряных и медных гранул возникает явление взрывной электронной эмиссии. За счет явления взрывной электронной эмиссии образуются мощные потоки электронов в процессе взрывообразного превращения вещества на пар и наночастицы. Диполи воды за счет действия электростатического поля наэлектризованных наночастиц обволакивают наночастицы металла, при этом образуются хелатные комплексы.

В качестве лигандов могут быть использованы также молекулы различных карбоновых кислот. Известно, что хелаты металлов владеют рядом преимуществ по сравнению с неорганическими солями: они менее токсичны, стойки во всем диапазоне рН, легко растворимы в воде.

Для определения биоцидных свойств наноматериала “Шумерское серебро как перспективного дезинфектанта проведен комплекс соответствующих исследований.

■ ИССЛЕДОВАНИЯ БАКТЕРИЦИДНОЙ И ВИРУЛИЦИДНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛА “ШУМЕРСКОЕ СЕРЕБРО”

В качестве тестовых культур использовали следующие штаммы: для изучения бактерицидной активности – E.coli ATCC 25922, S.aureus ATCC 6583, как наиболее стойкие представители грамотрицательных и грамположительных бактерий. Для изучения вирулицидной активности как модель применяли соматический ДНК-колифаг Т2 (E.Coli C – в качестве бактерии – хозяина). Указанные микроорганизмы использовали в конечной концентрации 106 — 107 — 108 КОЕ/мл, бактериофаг – 107 БОЕ/мл.

Длительность экспозиции составляла 2, 6, 24 часов. Экспозицию исследуемых рабочих растворов средства проводили при температуре 20°С. Питательные среды:

  • соево-казеиновый бульон производства “MERCK”, серия 508 – для выращивания тестовых штаммов микроорганизмов;
  • мясо-пептонный агар (МПА) производства “Экспериментального завода медпрепаратов ИБОНХ НАНУ” (Киев), серия 330606 К 237 – для определения количества бактерий и бактериофага Т2.

Перед исследованием контролировали ростовые свойства питательных сред и их стерильность. Нейтрализатор дезинфекционного действия средства – 0,1%-ный стерильный раствор сульфида натрия при экспозиции 10 минут.

Исследования бактерицидной и вирулицидной активности средства проводили в соответствии как с отечественной (14), так и с европейской инструкцией (15). Согласно отечественной инструкции (14) эффективным считают средство, что обеспечивает 100% гибель микроорганизмов в суспензионном методе. Согласно европейской инструкции EN 13727:2003 (15) применяли адаптированный суспензионный метод, в соответствии с которым достаточная эффективность дезинфекции определялась как уменьшение количества числа жизнеспособных бактерий и колифагов на 5 lg.

Суспензионный метод. В емкость из 9,0 мл рабочей концентрации средства добавляли 1,0 мл суспензии тестовых микроорганизмов (бактерии – 107-8 КУО/мл), тщательным образом перемешивали и оставляли на отмеченный срок экспозиции. После этого отбирали по 1 мл полученной смеси и переносили в нейтрализатор в соотношении 1:10 на 10 минут. После нейтрализации осуществляли засев образца по 0,5 мл на две чашки из СПА поверхностным методом.

После 24-48 часов инкубации посевов при температуре 370°С делали учет результатов.

Двухслойный агаровый метод. Для определения колифагов использовали двухслойный агаровый метод согласно (15). Полученные результаты представляли как усредненное значение lg редукции фагов (15) .

Исследование эффективности нейтрализации средства. Для того, чтобы провести нейтрализацию антимикробного действия дезинфецирующего средства, нужно подобрать эффективный инактиватор. Исследования проводили со следующими нейтрализаторами в соотношении 1:10 (1мл средства и 9 мл нейтрализатора) при экспозиции 10 мин: 0,1% сульфид натрия (Na2S), универсальный нейтрализатор (твин, гистидин, лецитин, тиосульфат натрия, цистеин, пептон, фосфатный буфер) и вода (для сравнения). Исходная концентрация нанодезинфектанта “Шумерское серебро” состаляла 100 мг Ад/дм3 и 200 мг Си/дм3. Другие растворы для эксперимента были приготовлены соответствующим разбавлением дистиллированной водой

 

Таблица 1. Эффект нейтрализующего действия 0,1% раствора Na2S и универсального инактиватораtab1_S34

Полученные результаты предоставлены в табл. 1. Как видно из таблицы, оба индикатора нейтрализуют антимикробное действие нанодезинфектанта “Шумерское серебро”. В последующих опытах было решено использовать в качестве нейтрализатора 0,1% Na2S для всех тестовых штаммов.

■ ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАКТЕРИЦИДНОЙ АКТИВНОСТИ НАНОДЕЗИНФЕКТАНТА “ШУМЕРСКОЕ СЕРЕБРО” СУСПЕНЗИОННЫМ МЕТОДОМ

Бактерицидную активность средства на грамотрицательные и грамположительные микроорганизмы изучали на моделях E.coli и S.aureus, исходная концентрация которых равнялась 8,4х107 – 2,1х108 КОЕ/мл соответственно (7.9-8.3 lg). Результаты исследований приведены в табл. 2 и 3.

Приведенные результаты экспериментальных исследований демонстрируют, что нанодезинфектант “Шумерское серебро” при его непосредственном применение в неразбавленном виде является эффективным дезинфектантом относительно обеззараживания от указанных бактерий при экспозиции 1 час. Также приведенные в таблицы данные свидетельствуют о том, что срок экспозиции имел решающее значение для специфической активности последующих разбавлений препарата. Наиболее эффективно действие средства в концентрации 1:10 проявлялась при контакте 6 часов – для E.coli (100%; >6,8 lg ), и 24 часа – для S.aureus (100%; >5,8 lg ).

■ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИРУЛИЦИД НОЙ АКТИВНОСТИ НАНОДЕЗИНФЕКТАНТА “ШУМЕРСКОЕ СЕРЕБРО” СУСПЕНЗИОННЫМ МЕТОДОМ

Как модель вирусов был использован соматический ДНК-колифаг Т2, концентрация которого в опыте составляла 2,6х107 БОЕ/мл (7,4 lg). Результаты исследования вирулицидной активности нанодезинфектанта “Шумерское серебро” представлены в табл. 4.

Таблица 2. Бактерицидная активность нанодезинфектанта “Шумерское серебро” в зависимости от концентрации и времени согласно (14)

tab2_S34

Приведенные экспериментальные исследования демонстрируют, что нанодезинфектант “Шумерское серебро” при его применении в концентрации 1:10 и экспозиции 6 часов есть эффективным дезинфектантом (5,4 lg) относительно обеззараживания от указанного вируса. Уменьшение эффективности обеззараживания при экспозиции 24 часа сравнительно с 6 часами объясняется тем, что в контроле условий опыта наблюдается уменьшение количества бляшкообразовывающих единиц с 5,4 до 4,7 lg и, как следствие, происходит уменьшение и логарифма редукции (з>5,4>4,7 lg).

Таблица 3. Бактерицидная зависимость растворов нанодезинфектанта “Шумерское серебро” в зависимости от концентрации и времени действия согласно (15) (lg редукции)

tab3_S34

Таблица 4. Вирулицидная активность нанодезинфектанта “Шумерское серебро” в зависимости от концентрации и времени действия согласно (15) (lg редукции”)

tab4_S34

■ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ НАНОРАСТВОРА “ШУМЕРСКОЕ СЕРЕБРО” КАК СРЕДСТВА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ПЛАВАТЕЛЬНОГО БАССЕЙНА

Для проверки эффективности нанораствора “Шумерское серебро” в качестве средства для обеззараживания воды плавательного бассейна были проведены соответствующие натурные исследования на действующем бассейне объемом 120 м3 в Киевский области. При этом, учитывая, что бактерицидная загрязненность плавательного бассейна до обеззараживания была значительно меньше, чем в приведенных выше лабораторных исследованиях, использовался раствор “Шумерское серебро” с концентрацией серебра и меди, которая при разведении в 120 м3 воды не превышала ПДК для питьевой воды. Результаты исследований приведены в табл. 5.

Как видно из табл. 5 нанораствор “Шумерское серебро” эффективно обеззараживает воду плавательного бассейна, сохраняя на длительное время его практически чистым в отношении бактерицидной загрязненности. При этом купание в бассейне с водой, содержащей раствор “Шумерское серебро”, не только комфортно и безопасно, но и благоприятно воздействует на организм человека, очищает и смягчает его кожу, укрепляет иммунную систему.

Таблица 5. Активность нанораствора “Шумерское серебро” при обеззараживания воды плавательного бассейна.

tab5_S34

В общих чертах механизм действия серебра на одноклеточные (бактерии) и бесклеточные микроорганизмы (вирусами) можно представить следующим образом: серебро реагирует с клеточной мембраной бактерии, которая представляет собой структуру из особых белков (пептидогликанов), соединенных аминокислотами для обеспечения механической прочности и стабильности.

Ris1_S34 Ris2_S34 Ris3_S34

Серебро взаимодействует с внешними пептидогликанами, блокируя их способность передавать кислород внутрь клетки бактерии, что приводит к “удушению” микроорганизма и его гибели.

Действие серебра специфично не по инфекции (как у антибиотиков), а по клеточной структуре. Любая клетка без химически устойчивой стенки (такое клеточное строение имеют бактерии и другие организмы без клеточной стенки, например, внеклеточные вирусы) подвержена воздействию серебра. Поскольку клетки млекопитающих имеют мембрану совершенно другого типа (не содержащую пептидогликанов), серебро никаким образом не действует на них.

В силу отличий механизма действия наночастиц серебра от механизма действия антибиотиков антибактериальный спектр действия наночастиц серебра распространяется, по мнению многих источников, на 650 видов бактерий, тогда как антибактериальный спектр любого антибиотика лишь – на 5-10 видов бактерий.

В целом, приведенные выше результаты исследований показывают высокую биоцидную активность нанораствора “Шумерское серебро” и является достаточными для рекомендации его в качестве как дезинфектанта широкого спектра назначения, так и как средства и для обеззараживания воды плавательного бассейна.

■ ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ БАССЕЙНОВ С ПОМОЩЬЮ НАНОДЕЗИНФЕКТАНТА “ШУМЕРСКОЕ СЕРЕБРО”

Технология обеззараживания воды бассейнов с помощью нанодезинфектанта “Шумерское серебро” очень проста и доступна любому из частных и общественных бассейнов. Заключается всего лишь в одной операции – добавлении в воду бассейна раствора “Шумерское серебро” до определенной концентрации серебра и меди в воде бассейна. При этом эффект обеззараживания воды бассейна достигается при уровне концентрации меди и серебра, не превышающем допустимый для питьевой воды.

Время действия эффективности обеззараживания воды бассейна нанодезинфектантом “Шумерское серебро” – до следующей замены воды при условии поддержания заданной концентрации серебра и меди в воде бассейна, для чего следует проводить ежеквартальный контроль концентрации наночастиц серебра или меди (меди проще).

В заключение следует также отметить, что по стоимости и простоте технологии применения нанодезинфектант – антибактериальный коллоидный раствор “Шумерское серебро” доступен массовому украинскому потребителю.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. – К.: Наук. думка, 1991. – 568 с.
  2. Экологические аспекты современных технологий охраны водной среды / В.В. Гончарук, А. П. Чернявская, В. Н. Жукинский и др. – Киев: Наукова думка, 2005. – 400 с.
  3. Петренко Н.Ф., Мокиенко А.В., Андрейцова Н.И. Сравнительная эколого-гигиеническая оценка современных средство обеззараживания воды// Вода і водоочисні технології. – 2007. – № 3. – С. 32 – 42.
  4. Патент Україні на корисну модель №28910. Наноматеріал з біоцидними властивостями “Шумерське срібло” /Косінов М.В., Каплуненко В.Г.; МПК (2006): C02F 1/50, B22F 9/16. Опубл. 25.12.2007, бюл. № 21/2007.
  5. Патент Україні на корисну модель №28222. Спосіб отримання наноматеріалу з біоцидними властивостями “Шумерське срібло” /Косінов М.В., Каплуненко В.Г.; МПК (2006): C02F 1/50, B22F 9/16. Опубл. 26.11.2007, бюл. № 19/2007.
  6. Патент Україні на корисну модель №26843. Металовмісний препарат з біоцидними властивостями “Шумерське срібло”. /Косінов М.В., Каплуненко В.Г.; МПК (2006): C02F 1/50, B22F 9/16. Опубл. 10.10.2007, бюл. № 16/2007
  7. Патент Україні на корисну модель №35580. Гідратована і карботована наночастка. /Косінов М.В., Каплуненко В.Г.; МПК (2006): В0и 13/00 , В32В 5/00. Опубл. 25.09.2008, бюл. № 18/2008
  8. Е.М. Родімін. Металлоїонотерапія. Лікування міддю, сріблом, золотом. Видавництво: Ріпол Класик, 2007. 224 стор.
  9. Арсентьева І.П. Використання біологічних активних препаратів на основі наночасток металів в медицині і сільському господарстві. Доповідь на нараді: “Індустрія наносистем і матеріали: оцінка нинішнього стану і перспективи розвитку”. Москва, Центр “Відкрита економіка”, 2006, http://www.strf.ru/client/doctrine.aspx ).
  10. Морозов Н.А. “Міражі історичних пустель”, Том 9. “Історія людської культури в природнонаучному освітленні. Христос, в 10-ти томах”, – М. Крафтлеан, 1997 – 2003;
  11. Петкова С.М. Довідник по світовій культурі і мистецтву, М., 2005 р. – 507 с.
  12. Патент Україні на корисну модель №29007. Наногальванічний елемент. /Косінов М.В., Каплуненко В.Г.; МПК (2006): Н01М 8/00, Н01М 14/00, Н01М 6/24. Опубл. 25.12.2007, бюл. № 21/2007
  13. Каплуненко В.Г, Косинов М.В., Поляков Д.В. Получение новых биогенных и биоцидных наноматериалов с помощью эрозивно-взрывного диспергирования металлов: Сборник трудов по материалам научно-практических конференций с международным участием “Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины”, 11 – 12 октября 2007 г, СибУПК. – Новосибирск, 2007. – С.134 – 137
  14. Патент Україні №35582. Спосіб отримання гідратованих і карботованих наночастинок “Електроімпульсна нанотехнологія отримання гідратованих і карботованих наночастинок” /Косінов М.В., Каплуненко В.Г.; МПК (2006): B01J 13/00 , B32B 5/00, A61N 1/40, H01J 19/00. Опубл. 25.09.2008, бюл. № 18/200
  15. Инструкция по определению бактерицидных свойств новых дезинфицирующих средств.-М., № 739-68.-1968.
  16. EN 13727:2003 Chemical disinfectants and antiseptics – Quantitative suspension test for the evaluation of bactericidal activity of chemical disinfectants for instruments used in the medical area – Test method and requirements (phase 2, step 1). – 2003.

Comments are closed.