Гигиеническая оценка комбинированного действия ультрафиолетового излучения и химических реагентов при обеззараживании питьевой воды

Вестник Смоленской медицинской академии, № 3, 2001

УДК 614.777:628.16.085:615.28:546.215:576.8

ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОМБИНИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ ПРИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ А. В. Авчинников

Смоленская государственная медицинская академия

Проведены исследования по изучению комбинированного действия ультрафиолетового излучения (УФИ) и химических реагентов при обеззараживании воды. Материалы исследований позволили получить сравнительные данные о бактерицидном действии УФИ с хлором, пероксидом водорода, ионами меди. Установлено, что комбинации УФИ с химическими реагентами обладают высокой бактерицидной эффективностью и средней скоростью процесса отмирания микроорганизмов, наличием выраженного синергизма или аддитивным характером совместного действия дезинфектантов.

Ультрафиолетовое излучение (УФИ) широко используется в практике обеззараживания питьевой воды [2]. Отрицательными сторонами обеззараживания воды УФИ являются: зависимость бактерицидного эффекта от мутности и цветности обрабатываемой воды, вида микроорганизмов, их количества, дозы облучения [7]. К числу негативных особенностей способа относится и возможность осаждения содержащихся в воде гуминовых кислот, железа и солей марганца на кварцевом чехле ламп, уменьшающее интенсивность излучения. В результате отсутствия эффекта последействия возможен вторичный рост бактерий в обрабатываемой воде. Реактивация микрофлоры возникает в тех случаях когда интенсивность УФИ ниже необходимого уровня, обработанная вода подвергается вторичному загрязнению или последующему облучению видимым светом [10].

Недостатки УФИ определяют необходимость совершенствования данного способа обеззараживания воды. В последние годы в нашей стране и за рубежом все большее внимание уделяется изучению возможности обеззараживания воды комбинированным действием УФИ и химических дезинфектантов [6]. Гигиенической оценке комбинированного действия УФИ и химических реагентов посвящено гораздо меньшее число работ, а результаты этих исследований имеют ограниченный и нередко противоречивый характер. Изучение возможности обеззараживания воды сочетанным воздействием УФИ и химических реагентов проводилось без учета характера совместного действия дезинфектантов и скорости процесса отмирания микроорганизмов.

Цель наших экспериментальных исследований состояла в том, чтобы дать гигиеническую оценку бактерицидным свойствам УФИ и химических реагентов при их сочетанном действии. В связи с этим были поставлены следующие задачи: изучить бактерицидные свойства ультрафиолетового излучения в сочетаниях с хлором, пероксидом водорода, ионами меди, которые самостоятельно применяются в практике водоподготовки [5]. Особое внимание уделяли количественной оценке характера совместного действия факторов, реализующих конкретный комбинированный физико-химический способ (синергизм, антагонизм, аддитивное действие) и средней скорости процесса отмирания микроорганизмов.

Методы исследования. В качестве источника УФИ использовали серийно выпускаемые отечественной промышленностью лампы ДРБ-40. Хлорирование воды проводили традиционным методом [4], пероксид водорода вносили в воду в виде раствора, а Cu2+ соответственно в виде раствора соли CuSO4x 5Н2О. В экспериментах варьировали концентрации окислителей: хлор 0,5 -г 1,0 мг/л, пероксид водорода 5,0 г 20,0 мг/л, ионы меди 0,1 г 0,5 мг/л. Доза УФИ составляла 1 г 8 мДж/см2. Интенсивность УФИ оценивали ферриоксалатным методом, а мощность и суммарную дозу с помощью дозиметра РД-2 [3]. При выборе доз УФИ и концентраций химических реагентов исходили из имеющихся в литературе данных о минимальных (бактериостатических и суббактерицидных) значениях данных показателей при обеззараживании воды [5]. Интервал времени между внесением химического реагента и воздействием физического фактора составлял не более 1 мин.

Тест-объектом служила культура санитарно-показательного микроорганизма E. coli 1257. В опыты брали четырехчасовую бульонную культуру в поздней log-фазе роста. Суспензию бактерий

разводили до концентрации 104 КОЕ/мл на водопроводной воде известного химического состава. Зараженную воду помещали в чашку Петри, толщина облучаемого слоя составляла 1 см, а расстояние между лампой и облучаемым слоем воды 0,4 м.

Выживаемость микроорганизмов определяли по числу выросших колоний (КОЕ) на среде Эндо при посеве проб, отобранных через определенные промежутки времени и культивирования 24-48 ч при 37 °С. Выживаемость бактерий выражали как логарифм отношения числа выживших клеток (N) к исходному количеству (N0), то есть lg N/N0. Результаты большинства опытов представлены в виде графиков, на которых в масштабе десятичного логарифма отображены кинетические кривые отмирания бактерий. В подавляющем числе экспериментов показатели определяли не менее чем в 3 независимых опытах, каждый из которых ставился трижды.

Эффект комбинированного действия исследуемых факторов оценивали по отношению теоретически рассчитанной доли выживших бактериальных клеток (Т) к полученной экспериментально (Е). При оценке теоретически полученного значения принимается независимость эффектов от каждого фактора в отдельности. При Т/Е < 1 наблюдается антагонистическое действие обеззараживающих факторов в комбинации, при Т/Е=1 - аддитивное, а при Т/Е > 1 - синергическое [9]. Наряду с эффектом комбинированного действия оценивали скорость процесса отмирания бактерий в эксперименте [8]. K= lg (Nt/No) Результаты исследований обработаны на персональном компьютере с использованием пакета прикладных статистических программ и общепринятых в санитарной микробиологии показателей [1].

Результаты исследований и их обсуждение. В I серии исследований изучали комбинированное бактерицидное действие хлора и УФИ. Данные, характеризующие зависимость бактерицидного действия УФИ и УФИ в комбинации с хлором в концентрации 0,5, 0,75 и 1,0 мг/л (остаточное содержание хлора составляло соответственно 0,32, 0,53 и 0,75 мг/л) от плотности излучения, представлены на рис. 1. Из рис. 1-а видно, что при внесении в суспензию микроорганизмов хлора (0,5 мг/л) и облучения, независимо от плотности УФИ, в течение 10 мин экспозиции экспериментальная кривая, отражающая совместное действие реагентов, ложится близко к теоретической. То есть в исследуемом диапазоне плотности излучения (1^8 мДж/см2) наблюдали аддитивное действие УФИ с хлором на выживаемость клеток E. coli в воде. Количественная оценка характера комбинированного действия факторов, реализующих данный физико-химический способ, и средняя скорость процесса отмирания микроорганизмов представлены в табл. 1.

Иная зависимость наблюдалась при комбинированном действии более высоких концентраций вводимого хлора (0,75 и 1,0 мг/л) с УФИ. При 10-минутном контакте микроорганизмов с хлором (рис. 1, б, в) четко видно, что он задерживает проявление бактерицидного действия УФИ. Экспериментальные кривые совместного действия дезинфектантов расположены выше теоретической кривой. Отмеченный антагонизм оказался достоверным (р < 0,001) для комбинаций более высоких концентраций вводимого хлора с УФИ. Исключение составляла комбинация хлора 1,0 мг/л и УФИ плотностью 8 мДж/см2, при которой отмечали аддитивный характер совместного действия используемых дезинфектантов.

Анализируя динамику изменения средней скорости отмирания микроорганизмов, следует констатировать, что данный показатель с увеличением концентрации вводимого хлора при постоянной плотности энергии УФИ снижается, а с уровня 0,75 мг/л по 1,0 мг/л возрастает. Наиболее выражен этот процесс при плотности энергии УФИ 8 мДж/см2 - средняя скорость отмирания микроорганизмов возрастает на 39,1 % (р < 0,01). Более значимое влияние на динамику изменения скорости отмирания оказывает увеличение плотности излучения УФИ при всех концентрациях вводимого хлора. Наибольшее увеличение данного показателя (в 19 раз), отмечалось при концентрации вводимого хлора 0,5 мг/л.

1 - УФИ —— 2 - УФИ4-а CI.S ГуТУл 3 - УФИ|-а теоретическое |

Рис. 1. Выраженность бактерицидного действия ультрафиолетового излучения в комбинации с хлором (в концентрации 0,5 мг/л (а), 0,75 мг/л (б), 1,0 мг/л (в)) на E. coli 1257. Экспозиция после внесения хлора и облучения 10 мин.

Таблица 1. Эффект комбинированного действия хлора и ультрафиолетового излучения на выживаемость клеток E. coli в воде

Концентрация хлора, мг/л Плотность излучения УФИ, МДж/см2 Т/Е Средняя скорость отмирания микроорганизмов

0,5 1,0 0,96 0,010 ± 0,001

0,5 2,0 0,95 0,027 ± 0,001

0,5 4,0 0,97 0,090 ± 0,001

0,5 8,0 1,08 0,192 ± 0,003

0,75 1,0 0,84* 0,014 ± 0,003

0,75 2,0 0,61* 0,017 ± 0,001

0,75 4,0 0,45* 0,067 ± 0,003

0,75 8,0 0,41* 0,155 ± 0,003

1,0 1,0 0,67* 0,030 ± 0,001

1,0 2,0 0,60* 0,041 ± 0,002

1,0 4,0 0,55* 0,101 ± 0,002

1,0 8,0 1,04 0,267 ± 0,021

Примечание: * - достоверные различия между Т и Е

Таким образом, совместное применение хлора с УФИ с целью обеззараживания воды не усиливает их бактерицидный эффект. При сочетании хлора в остаточной концентрации 0,32 мг/л со всеми исследованными значениями плотности излучения УФИ установлен аддитивный характер взаимодействия дезинфектантов. При больших количествах вводимого в воду хлора (0,75 и 1,0 мг/л) обнаружен антагонизм с УФИ. Исключением являлась комбинация с использованием высоких концентраций хлора (1,0 мг/л) и УФИ плотностью 8 мДж/см2, когда эффект совместного действия приближался к аддитивному.

Во II серии исследований изучали бактерицидное действие пероксида водорода в концентрации 5,0, 10,0 и 20,0 мг/л и УФИ. Результаты исследований (рис. 2) показывают, что при внесении пероксида водорода во всех исследуемых концентрациях и облучения экспериментальные кривые, отражающие совместное действие дезинфектантов, независимо от плотности УФИ располагаются ниже теоретических, что свидетельствует о проявлении синергизма. Количественная оценка характера комбинированного действия факторов (табл. 2) достоверно подтверждает проявление синергизма при совместном использования Н2О2 (5-20 мг/л) и УФИ. Средняя скорость отмирания микроорганизмов возрастает как с увеличением концентрации Н2О2 при постоянной плотности энергии УФИ, так и с увеличением плотности энергии УФИ при постоянной концентрации вводимого Н2О2.

о 1  _t *——

1 . 1 1 1 1 — м ,, м_ л

<ЕЗ  1 2 Плотность излучения, 4 ivi Дж/ civi 2 3

1 — — Л - V43M —ш— 2 УФИ+Н202 5.D мг/л —А—3 УФИ+Н202 теоретическое I

Рис. 2. Выраженность бактерицидного действия ультрафиолетового излучения в комбинации с пероксидом водорода (в концентрации 5,0 мг/л (а), 10,0 мг/л (б), 20,0 мг/л (в)) на E. coli 1257. Экспозиция после внесения пероксида водорода и облучения 10 мин.

Следовательно, для достижения высокого бактерицидного эффекта и уменьшения времени обработки необходимо вводить в систему высокие (> 20 мг/л) концентрации пероксида водорода в комбинации с УФИ небольшой плотности (1 - 4 мДж/см2), либо небольшие концентрации Н2О2 (5 - 20 мг/л) в комбинации с УФИ большей плотности (> 8 мДж/см2). Последний вариант дает более ощутимый выигрыш в ускорении гибели кишечной палочки по сравнению с действием каждого агента в отдельности. Так, например, максимальное ускорение гибели микроорганизмов отмечено при совместном использовании 5,0 мг/л Н2О2 и УФИ плотностью 8 мДж/см2, когда скорость отмирания E. coli была в более чем 260 раз выше, чем под действием одного пероксида водорода и в 1,4 раза выше, чем под действием одного УФИ той же плотности.

Таблица 2. Эффект комбинированного действия пероксида водорода и ультрафиолетового излучения на выживаемость клеток E. coli в воде

Концентрация пероксида водорода, мг/л Плотность излучения УФИ, мДж/см2 Т/Е Средняя скорость отмирания микроорганизмов

5,0 1,0 4 8** 0,078 ± 0,002

5,0 2,0 4,5* 0,092 ± 0,002

5,0 4,0 5,1* 0,148 ± 0,003

5,0 8,0 7,0* 0,226 ± 0,023

10,0 1,0 6,3* 0,091 ± 0,002

10,0 2,0 6,7* 0,111 ± 0,003

10,0 4,0 6,5* 0,160 ± 0,003

10,0 8,0 8,3* 0,288 ± 0,004

20,0 1,0 8,3* 0,108 ± 0,002

20,0 2,0 7,9* 0,123 ± 0,003

20,0 4,0 10,8* 0,187 ± 0,007

20,0 8,0 12,0* 0,309 ± 0,043

Примечание: * - достоверные различия между Т и Е

В III серии изучали характер комбинированного бактерицидного действия ионов меди и УФИ. Данные, характеризующие зависимость бактерицидного действия УФИ и УФИ в комбинации с ионами меди от плотности излучения, представлены на рис. 3. Из рисунка видно, что при внесении ионов меди в концентрациях 0,1 и 0,25 мг/л экспериментальные кривые, отражающие совместное действие дезинфектантов, независимо от плотности УФИ располагаются близко к теоретическим, что свидетельствует об аддитивном характере совместного действия исследуемых факторов. При введении более высоких концентраций меди (0,5 мг/л) экспериментальная кривая с повышением плотности УФИ опускается ниже теоретической.

Анализ динамики изменения средней скорости отмирания микроорганизмов показывает, что этот показатель возрастает как с увеличением концентрации ионов меди при постоянной плотности энергии УФИ, так и с увеличением плотности энергии УФИ при постоянной концентрации вводимых ионов меди. Более значимое влияние на динамику изменения скорости отмирания оказывает увеличение плотности изучения УФИ при всех концентрациях вводимой меди. Наибольшее увеличение данного показателя (в 19 раз) отмечалось при минимальной концентрации Си2+ 0,1 мг/л и УФИ плотностью 8 мДж/см2, по сравнению с изолированным действием ионов меди в той же концентрации.

Количественная оценка характера комбинированного действия факторов, представленная в таблице 3, подтверждает достоверность синергизма при совместном использовании ионов меди в концентрации 0,5 мг/л и УФИ (2 - 8 мДж/см2), однако его величина небольшая и не превышает 1,38.

Таким образом, материалы наших исследований позволили получить сравнительные данные о бактерицидном действии комбинированных физико-химических способов при обеззараживании воды: ультрафиолетового излучения в сочетании с химическими реагентами (хлором, пероксидом

Плотность иэггу1чения. мДн<Усм2 -»— Л - УФИ —ш— 2 - УФкЬ-Cu 0.25 rvir/л А 3 - УФМ+CU -теоретическое

1

1  Ii 1  .1 & Ш- Л

i h

1 2 ГТпсггность излучения, 4 В

I - 1 - УФИ  2 - УФИ+Си O.S мг/л А 3 - УФИ+CU теоретическое |

I

Рис. 3. Выраженность бактерицидного действия ультрафиолетового излучения в комбинации с ионами меди (в концентрации 0,1 мг/л (а), 0,25 мг/л (б), 0,5 мг/л (в)) на E. coli 1257. Экспозиция после внесения ионов меди и облучения 10 мин.

Таблица 3. Эффект комбинированного действия ионов меди и ультрафиолетового излучения на выживаемость клеток E. coli в воде

Концентрация ионов меди, мг/л Плотность излучения УФИ, мДж/см2 Т/Е Средняя скорость отмирания микроорганизмов

0,1 1,0 0,97 0,009 ± 0,001

0,1 2,0 0,95 0,026 ± 0,001

0,1 4,0 1,01 0,080 ± 0,002

0,1 8,0 0,84 0,197 ± 0,008

0,25 1,0 1,03 0,013 ± 0,003

0,25 2,0 1,06 0,032 ± 0,001

0,25 4,0 1,07 0,090 ± 0,001

0,25 8,0 0,96 0,205 ± 0,007

0,5 1,0 1,06 0,018 ± 0,001

0,5 2,0 1,10* 0,033 ± 0,001

0,5 4,0 1,38** 0,098 ± 0,002

0,5 8,0 1,33* 0,222 ± 0,009

Примечание: * - достоверные различия между Т и Е

водорода, ионами меди). Установлено, что комбинации УФИ с химическими реагентами, в сравнении с изолированным действием использованных дезинфектантов имеют существенные преимущества. К ним относятся: более высокая бактерицидная эффективность и средняя скорость процесса отмирания микроорганизмов, наличие в подавляющем случае вариантов выраженного синергизма или аддитивный характер совместного действия дезинфектантов, низкая концентрация реагентов и удельная плотность энергии УФИ.

Литература

1. Ашмарин И. П., Воробьев А. А. Статистические методы в микробиологических исследованиях. - Л.: Медгиз, 1962.- 180 с.

2. Бутин В. М., Волков С. В., Костюченко С. В. Обеззараживание питьевой воды ультрафиолетовым излучением // Водоснабжение и санитарная техника. - 1996. - С. 7-10.

3. Гордон Ф., Форд Р. Спутник химика. Физико-химические свойства, методики.- М., 1976.- С. 373-375.

4. Корякин Ю. В., Ангелов И. И. Чистые химические вещества.- М.: Химия, 1976. - 408 с.

5. Кульский Л. А. Основы химии и технологии воды.- Киев.: Наук.думка, 1991. - 568 с.

6. Петрановская М. Р., Семенова М. А., Медриш Г. Л., Басин Д. Л. Новое направление в обеззараживании воды ультрафиолетовыми лучами // Гигиена и санитария.- 1986.- № 12.- С. 54-56.

7. Потапченко Н. Г., Савлук О. С. Использование ультрафиолетового излучения в практике обеззараживания воды // Химия и технология воды. - 1991. - № 12. - С. 1117-1129.

8. Hoff J. C., Acin E. W. Microbial resistance to disinfectants: mechanisms and significanse // Environ. Health Perspectives.- 1986.- Vol. 69, № 7.- Р. 7-13.

9. Ragab-Depre N. D. Water disinfection with the hydrogen peroxide ascorbic acid-copper system // Appl. And Environ. Microbiol.- 1982.- Vol. 44, № 3.- Р. 555 - 560.

10. Sommer R., Weber G., Cabaj A. Inactivation of selected microorganisms in water by UV irradiation // Zentralb. Hyg. und Umweltmed. - 1990. - Vol.190, № 5-6. - P.466 - 467.