Биосистемы
О.В. Смирнов,
С.В. Воробьева
Тюменский центр
Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности
Электрокинетические
свойства биосистем используются для получения безопасной обеззараженной воды.
Обеззараживание – один из наиболее важных процессов приготовления питьевой
воды. Известно, что потребляемая человеком вода часто является причиной
желудочно-кишечных заболеваний и других заболеваний.
На основании
анализа литературных материалов выделяются следующие методы обеззараживания
воды, связанные с электричеством:
электрохимические,
использующие электроэнергию для получения бактерицидного или нейтрального
агента, озонирование, обработка ионами серебра, электролиз, электрофлотация;
методы
электрообработки на основе силового взаимодействия поляризованных или
обладающих жестким диполем бактериальных тел- электрофорез, электрокоагуляция,
электрический разряд, обработка ультракороткими волнами тока.
При обработке
воды каждым из указанных методов изменяются агрегативная и седиментационная
устойчивости биодисперсий. Следовательно, теоретическая трактовка механизма
обеззараживания вод, связанного с разделением фаз, а также технологические и
аппаратурные решения могут быть выполнены, исходя из основных положений теории
коллоидно-дисперсных систем и их устойчивости.
Известно, что
недостаточная очистка исходной воды отрицательно сказывается на бактерицидном
действии применяемых обеззараживающих агентов и в конечном счете на качестве
получаемой воды. Хотя в процессе коагулирования бактерии и вирусы не гибнут, но
они инактивируются за счет осаждения (например, в фильтре) и последующего
удаления сконцентрированной фазы. Так, коагулирование и удаление коллоидных и
менее дисперсных включений из речной воды понижает общее содержание вирусов в
ней на 98% от исходного. Имеются также указания на достаточно полную
инактивацию вирусов полиомиелита и гепатита при реагентной обработке воды.
Таким образом,
учитывая, что по своей величине бактерии соответствуют коллоидным частицам и
входят в состав более крупных образований, сорбируясь на частицах и агрегатах,
для их удаления приемлемы адгезия, адсорбция, коагуляция и флокуляция.
Экспериментально подтверждено, что отделение частиц коагулянта и взвесей от воды
обеспечивает значительно большую бактериальную безопасность, чем хлорирование,
озонирование или ультрафиолетовое облучение, которое эффективно при условии
бесцветной и абсолютно прозрачной воды.
Нерастворимые в
воде примеси с величиной частиц 10-5 – 10-4 см и более
обуславливают мутность воды, а в некоторых случаях ее цветность. Эти частицы
могут представлять собой ил, планктон, в них возможно присутствие
болезнетворных бактерий, споровых микроорганизмов и вирусов, и, наконец, они
иногда токсичны. Полнота удаления этих примесей из воды непосредственно зависит
от степени осветления последней. К таким примесям со степенью дисперсности 10-6
– 10-5см также могут быть отнесены болезнетворные (патогенные)
микроорганизмы, вирусы и другие организмы, которые по своим размерам
приближаются к коллоидным частицам.
Устойчивость
частиц во многом зависит и от электрического заряда, который обуславливает
целый ряд свойств микроорганизмов, например, их электрофоретическую
подвижность, устойчивость биосуспензии, склонность к спонтанной агглютинации и
некоторые другие особенности, вплоть до различий в вирулентности. Существует
аналогия между электрическим зарядом белковых молекул и бактериальных клеток.
Белки входящие в состав бактериальной клетки, обуславливают ряд ее особенностей,
свойственных белковым частицам. Бактериальная клетка ведет себя, как амфотерный
элетролит благодаря большому количеству аминокислот, входящих в состав ее
бактериального белка. Поэтому диссоциация определенных групп в белковой
структуре позволяет каждой белковой частице проявить себя в качестве кислоты и
в качестве основания.
При диссоциации
карбоксильной группы происходит образование ионов водорода, вследствие чего
белок приобретает слабо кислый характер и в электрическом поле будет двигаться
к аноду. В свою очередь, аминогруппа (- Н2), присоединяя протоны,
придает белку щелочной характер и тем самым обуславливает передвижение микроба
к катоду.
В воде протоны
растворенного белка присоединяются к аминогруппам, таким образом частицы
находятся в ионизированой форме, несущей одновременно положительный и
отрицательный заряды.
В электрическом
поле эти частицы электрически нейтральны и не передвигаются ни к аноду, ни к
катоду. Это явление имеет место в нейтральной среде. При изменении рН среды
значительно изменяется величина электрического заряда. То значение рН, при
котором белковая частица ведет себя как амфиион и остается неподвижной в
электрическом поле вследствие того, что потенциал ее равен 0, называется
изоэлектрической точкой.
Микромолекулы,
расположенные на поверхности клеточной стенки (или капсулы) микроорганизма,
содержат заряженные группы, в результате чего этот организм имеет поверхностный
заряд. Поверхность большинства микробных клеток заряжена отрицательно, так как
среди клеточных компонентов, образующих эту поверхность, присутствуют
соединения, изоэлектрическая точка которых лежит в кислой зоне (рН = 7). За
небольшим исключением отдельные организмы не поляризованы, так как заряд
распределяется равномерно по всей поверхности клетки.
Электрофоретическая
подвижность микроорганизма зависит от штамма или вида, а также от ионной силы и
значения рН окружающей среды. Она изменяется с возрастом микроорганизма,
например, наименьшая электрофоретическая подвижность бактерии Е.Coli
наблюдается в течение ранней экспоненциальной фазы роста. Подобно белковым
частицам бактериальные клетки, суспендированные в водной среде с различными рН,
при наложении электрического поля перемещаются или в сторону анода, или в
сторону катода. В водной нейтральной среде они движутся по направлению к аноду,
что указывает на то, что бактериальные клетки заряжены отрицательно.
Производились
попытки использовать электрокинетическую подвижность бактерий в качестве
признака или даже показателя сравнительной вирулентности различных представителей
одного и того же вида. Однако, наряду с экспериментальными трудностями при
определении этого свойства, имеется множество переменных величин, влияющих на
движение бактерий в электрическом поле. Так, например, известно, что молодые
клетки более электроотрицательны, чем взрослые. По-видимому, изменения
электрического заряда в процессе роста клеток чрезвычайно сложны.
Электрический
заряд бактериальной клетки, суспендированной в водной среде, объясняется
возникновением двойного электрического слоя. Бактериальная клетка с помощью
своих поверхностных ионов притягивает ионы противоположного заряда из среды. В
результате этого получается двойной слой, внутренняя часть которого-
поверхность клетки, а наружная- среда, в которой она находится. кси- потенциал
бактерий выражает разность потенциалов между подвижной и неподвижной частями
двойного электрического слоя, то есть между глубоко лежащей частью двойного
слоя, непосредственно связанной с поверхностью частицы, и всей остальной
средой. Из этого следует, что кси - потенциал бактерий значительно зависит от
степени концентрации ионов водорода среды.
Бактерии,
суспендированные в нейтральной водной среде, под влиянием электрического поля
несут отрицательный электрический заряд. Это связано с состоянием щелочной
диссоциации белка бактерии. При постепенном подкислении среды потенциал
снижается до нуля, при дальнейшем подкислении бактерии перезаряжаются и
приобретают положительный электрический заряд и поэтому под действием
электрического поля перемещаются теперь к катоду. Чем больше удаляются бактерии
от изоэлектрической точки, тем выше их положительный заряд. Скорость движения
не изменяется и после смерти клетки.
Направление
движения бактерий в электрическом поле, спонтанная агглютинация, которую они
часто обнаруживают при кислой реакции среды указывают, что у бактерий при их
физиологических значениях рН наблюдается перевес кислых групп над основными.
Вследствие отрицательного заряда и коллоидных размеров бактерий и
взаимодействие с положительно заряженными ионами окружающей среды представляет
особенный интерес. Между клеткой и средой все время происходит обмен ионами,
который зависит как от концентрации этих ионов, так и от их способности к
адсорбции.
Таким образом,
биосистемы обладают многими свойствами обычных дисперсных систем. Попытка
удаления их биофазы из питьевой воды путем коагуляции и флокуляции является
сравнительно новой.
Электрообработка,
при которой кроме анодного растворения электродов из железа и алюминия имеют
место явления специфические- поляризационные, связанные с воздействием поля на
клетку как слоистый полупроводник- диэлектрик, должна быть тем более
эффективной при обеззараживании воды. Известно, что для некоторых
географических районов применение химических методов обеззараживания воды,
например, для Крайнего Севера и Сибири, связано со значительными трудностями. В
условиях низкой температуры обеззараживающее действие хлора не проявляется,
транспортировка реагентов в условиях Севера и в Сибири для обеззараживания
сложна и стоит дорого, для реагентной обработки необходимы капитальные очистные
сооружения. На Крайнем Севере и в Сибири для обеззараживания воды наиболее
перспективны электрохимические методы и методы электрообработки.
Общим для
методов электрообработки является использование внешнего электрического поля.
Сами методы, в зависимости от явлений, происходящих в межэлектродном
пространстве, могут быть классифицированы следующим образом. Во внимание
принимались технология электрообработки, особенности внешнего электрического
поля (частота, равномерность и т.д.). Выделялись такие методы: электродиализ,
электролиз, электрохимическая коагуляция, электрофлотация, электрофорез,
электрокоагуляция, диполофорез, электрофильтрование, электроосмос,
электрический разряд малой мощности, высоковольтный импульсный разряд, комплекс
электрических воздействий.
Принципиально
новые технологии и биотехнологии с использованием электричества породили ряд
актуальных вопросов безопасности как в отношении работающих, так и в
экологическом аспекте.
Применение
электрообработки в быту, водоснабжении и водоотведении, а так же при освоении
нефтегазоперерабатывающих территорий Сибири и Крайнего Севера, в монолитном
домостроении, при сооружении оснований и фундаментов, производстве зданий из
керамических масс, обезвоживании осадков, осушении грунтов и строительных
конструкций, а также при создании замкнутых систем водоснабжения с
использованием узлов электрообработки, позволило улучшить условия труда за счет
исключения контакта работающих с вредными реагентами, например, солями железа, алюминия,
магния, органическими добавками (в бетон или скоагулированную воду) и др.
Внедрение АСУ
ТП с использованием электрообработок позволило достичь тех же целей там, где
невозможна по технологии замена вредных компонентов- аэрозолей, излучений,
шума, вибраций, вредных газов и жидкостей.
В целом
отмечается снижение общего числа несчастных случае, но тяжесть их, к сожалению,
несколько возрастает.
Для широкого
внедрения электрических методов необходимо убедится в отсутствии опухолеродного
действия воды, подвергнутой электрообработке. Особенно это важно для
водообеспечения экипажей автономных объектов, длительно использующих воду после
электрообработки.
Проводились
исследования к.м.н. Окуневым Р.А с сотрудниками по проверке возможной
онкогенности веществ образовывающихся при электрообработке.
Согласно
заключению экспертов Всемирной организации здравоохранения, не менее 75% всех
случаев возникновения злокачественных опухолей обусловлено факторами окружающей
среды, и прежде всего широким внедрением химии в сферу производственной и
хозяйственно- бытовой деятельности человека. Это обстоятельство требует
проверки на канцерогенность химических веществ, однако она трудно выполнима как
из-за огромного их числа (ежегодно синтезируется более 250000 новых веществ),
так и сложности, длительности, дороговизны проведения классических опытов на
животных. Так, эксперименты по определению канцерогенности только одного
какого- либо вещества требует участия многих специалистов, использования
многочисленных методик; длительности опыта не менее 2-3 лет. По данным США,
оценка канцерогенности лишь одного химического вещества обходится в 300 -
500000 долларов.
Проводилось
исследование с использованием в качестве микроорганизмов- тестеров сальмонеллы
тифимуриум линий (штаммов) ТА- 98 и 100. На первом этапе исследовалась
мутагенность воды, подвергнутой различным электрическим воздействиям:
постоянное электрическое поле, электрический разряд малой мощности и их
сочетание- комплекс электрических воздействий. Число мутантов обоих штаммов мальмонеллы
тифимуриум в воде после использования различных методов электрообработки
примерно такое же, что и в контроле (дехлорированной водопроводной воде). При
этом следует подчеркнуть, что достоверным считается увеличение числа мутантов в
3 и более раза.
На следующем
этапе работы изучалась мутагенность воды, обработанной комплексом электрических
воздействий. В этой серии опытов производилось предварительное концентрирование
воды в 500 раз с помощью хлористого метилена на специальной установке.
Использовались 3 разные модификации методики Эймса: ТТА- тест на твердом агаре
(чашечная проба), МПр - модификация с преинкубацией и ЖИП-
высокочувствительная жидкостно- инкубационная проба.
С помощью
физико-химических методов одновременно производилось количественное определение
основных групп канцерогенных веществ полициклических ароматических
углеводородов (в частности, бенз(а)пирена) и нитрозосоединений. Определение
бенз(а)пирена проводилось флуоресцентно- спектральным методом на
спектрофотометре ДФС- 12, нитрозосоединений- хемилюминесцентным методом на
газовом хроматографе с детектором ТЭА- 502. Увеличение числа мутантов в пробах
обработанной воды ни в одном случае не превышало допустимого предела. Ни в
одной пробе не обнаружено таких канцерогеннов, как бенз(а)пирена и
нитрозосоединений.
Таким образом,
проведенные иследования не установили опухолеродной активности воды,
подвергнутой электрообработке.
Список
литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://www.promeco.h1.ru/l