Исследования влияния параметров электроозонирования на выживаемость тест-микроорганизмов

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

1

УДК 638.15-085

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРООЗОНИРОВАНИЯ НА ВЫЖИВАЕМОСТЬ ТЕСТМИКРООРГАНИЗМОВ

Николаенко Сергей Анатольевич

к.т.н., доцент кафедры электрических машин и

электропривода

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Цокур Дмитрий Сергеевич

к.т.н., ассистент кафедры электрических машин и электропривода

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

В статье представлены: результаты экспериментальных исследований влияния параметров озонирования на Escherichia coli и Staphylococcus aureus, оптимальные параметры озонирования улья по критерию минимальной энергоемкости обработки

Ключевые слова: ОЗОН, ESCHERICHIA COLI, STAPHYLOCOCCUS AUREUS, МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГОЕМКОСТЬ

UDC 638.15-085

RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THE PARAMETERS OF ELECTRIC OZONIZATION ON THE SURVIVAL OF MICROORGANISMS

Nikolaenko Sergey Anatolyevich

Cand.Tech.Sci., associate professor, the Department of

Electrical Machines and Drives

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

Tsokur Dmitry Sergeevich

Cand.Tech.Sci., assistant of the Department of

Electrical Machines and Drives

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

The article presents: the results of experimental studies of the influence of parameters on Escherichia coli ozonation and Staphylococcus aureus, the optimal parameters of ozonation hive on the criterion of minimum energy intensity of the treatment

Keywords: OZONE, ESCHERICHIA COLI, STAPHYLOCOCCUS AUREUS, LESS ENERGY INTENSIVE

Для разработки электроозонатора для лечения болезней пчел необходимо определить рациональные параметры озонирования, которые являются основой для алгоритма функционирования системы озонирования [3, 4]. Определение рациональных параметров

производилось на базе экспериментальных исследований.

о

Из таблицы 1 видно, что озон в концентрации 25 мг/м при минимальной экспозиции (7 мин) инактивирует в среднем 35% кишечной палочки. При увеличении продолжительности воздействия озона при этой же концентрации количество жизнеспособных бактериальных клеток уменьшается еще в большей степени. Так после 30-минутной обработки погибло 80% клеток Escherichia coli. При воздействии озона в течение 120 минут 4% клеток Escherichia coli сохранило свою жизнеспособность.

При снижении концентрации озона до 12 мг/м3 отметили увеличение времени, требуемого для проявления бактерицидного эффекта, при этом

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

2

7% клеток кишечной палочки сохранило свою жизнеспособность даже по истечении экспозиции 120 минут (рисунок 1).

Таблица 1 - Экспериментальные данные влияния параметров

озонирования на санитарно-значимые микробиологические объекты

N=25 С, мг/м3 t, мин E.coli Staf. Aureus

№ х1 Х2 Уі У2

контроль 0 0 100 100

1. 6 7 89 56

2. 6 15 75 35

3. 6 30 47 15

4. 6 60 39 5

5. 6 120 19 0

6. 12 7 80 45

7. 12 15 61 22

8. 12 30 20 10

9. 12 60 15 0

10. 12 120 7 0

11. 25 7 65 18

12. 25 15 43 4

13. 25 30 10 0

14. 25 60 6 0

15. 25 120 4 0

16. 50 7 7 0

17. 50 15 3 0

18. 50 30 0 0

19. 50 60 0 0

20. 50 120 0 0

21. 100 7 5 0

22. 100 15 4 0

23. 100 30 1 0

24. 100 60 0 0

25. 100 120 0 0

3

Уменьшение концентрации озона до 6 мг/м сопровождалось большей выживаемостью тест-микроорганизмов. Даже после 60минутного воздействия оставались жизнеспособными 39% Escherichia

3

coli. После 120-минутного воздействия озоном в концентрации 6 мг/м 19% Escherichia coli оставались жизнеспособными.

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

3

Полученные результаты показали, что между концентрацией озона, временем воздействия и выживаемостью тест-бактерий при экспозиции менее 15-30 минут наблюдается практически линейная зависимость, что, скорее всего, связано с активной гибелью низкорезистентных к озону клеток (молодых и находящихся в стадии естественного отмирания).

Рисунок 1 - Изображение чашек Петри с посевами тест-бактерий после обработки озоновоздушной смесью с концентрацией озона 50мг/м3 и экспозициями 15, 30, 60, 120 мин.

http://ej .kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

4

сунок 2 - Диаграмма влияния времени обработки на значение параметра выживаемости Escherichia coli при различных значениях концентрации озона.

При использовании озона даже в минимальной концентрации (6 мг/м) интенсивная гибель бактериальных клеток происходит уже в течение первых 30 минут (рисунок 2).

Однако в дальнейшем инактивация бактерий происходит не столь интенсивно, что по всей вероятности связано с включением у бактерий адаптационных процессов, заключающихся в усилении антиоксидантной системы защиты. Между тем, несмотря на тот факт, что все взятые в опыт тест-микроорганизмы каталазоположительные, а, следовательно, обладают способностью противостоять активным формам кислорода, не все в одинаковой степени оказались устойчивыми к озону. Озон в меньшей степени оказывает воздействие на грамнегативные бактерии. Из этого следует заключить, что в защите бактериальной клетки от неблагоприятного действия озона участвует не только фермент каталаза, но и другие факторы, в частности, вероятно, непосредственно клеточная стенка, которая у грамположительных микроорганизмов преимущественно состоит из мурамилпептида и тейхоевых кислот, а у грамотрицательных -

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

5

из липополисахарида [1].

На базе регрессионного анализа построена математическая модель, описывающая взаимодействие факторов и наблюдаемой величины, представлена в виде уравнения регрессии:

y1 = 101,3 -2,462x - 2,033x, +0,569x1x2 +1,561у2 + 1,255x22.

Уравнение регрессии позволяет оценить степень влияния независимых переменных и их сочетаний на зависимую переменную. Каждый из коэффициентов регрессии в уравнении (1) отражает уровень изменения выживаемости Escherichia coli при изменении одного из параметров озонирования на единицу. Коэффициент детерминации составил 88%, что говорит о хорошем качестве построенной модели. Согласно регрессионному анализу наибольшее влияние на выживаемость Escherichia coli оказывает концентрация озона х1 с высоким уровнем значимости р = 0,000002. Время обработки х2, с уровнем значимости р = 0,000019, оказывает незначительно меньшее влияние, чем х1.

С позиции дальнейшего применения наибольшую ценность представляет эмпирическая математическая модель, представленная полином второй степени в выражении (2). Даная математическая модель позволяет оценить влияние концентрации озона и времени обработки в абсолютных единицах на выживаемость Escherichia coli .

y1 = 101,3 - 2,055x1

1,415x2 + 0,006 x1x2 + 0,012x12 + 0,007x22

Анализ экспериментально полученных наблюдаемых значений переменной y1 и предсказанных регрессионной моделью представлен графически на рисунке 3.

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

6

I I 100

I I 80

I I 60

I I 40

I I 20

Рисунок 3 - Диаграмма влияния концентрации озона в озоновоздушной

смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на значение параметра выживаемости Escherichia coli

Диаграмма влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на проекцию поля параметра выживаемости Escherichia coli представлена рисунком 4.

Полученная математическая модель (2) влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на выживаемость Escherichia coli обеспечивает достаточно точное прогнозирование результатов воздействия параметров озонирования на зависимую переменную при любых значениях xj и x2. Модель обосновывает область решений рациональных параметров озонирования для лечения колибактериоза пчел. Из множества вариантов

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

7

рациональными параметрами озонирования для уничтожения Escherichia coli являются: 1) концентрация озона Ck = 50 мг/м ; 2) время воздействия t = 30 мин.

Уі

Хі

I I -20

Рисунок 4 - Диаграмма влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на проекцию поля параметра выживаемости Escherichia coli.

Результаты экспериментальных исследований параметров озонирования на возбудителя Staphylococcus aureus показывают, что озон в концентрации 25 мг/м при минимальной экспозиции (7 мин) инактивирует в среднем 82% колониеобразующих клеток. При увеличении

продолжительности воздействия озона при этой же концентрации количество жизнеспособных бактериальных клеток уменьшается еще в большей степени. Так после 30-минутной обработки погибли все стафилококки. При снижении концентрации озона до 12 мг/м отмечено увеличение времени, требуемого для проявления бактерицидного эффекта.

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

8

Так в отношении золотистого стафилококка бактерицидное действие озона

3

в концентрации 12 мг/м наступало через 60 минут (рисунок 5).

Рисунок 5 - Изображение чашек Петри с посевами тест-бактерий контрольной группы и после обработки озоновоздушной смесью с концентрацией озона 50 мг/м и экспозицией 15 мин.

Уменьшение концентрации озона до 6 мг/м сопровождалось большей выживаемостью тест-микроорганизмов. Даже после 60минутного воздействия оставались жизнеспособными 5% клеток S. Aureus. После 120-минутного воздействия озоном в концентрации 6 мг/м3 установили полную гибель золотистого стафилококка.

Полученные результаты показали, что между концентрацией озона, временем воздействия и выживаемостью тест-бактерий при экспозиции менее 15-30 минут наблюдается практически линейная зависимость, что,

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

9

скорее всего, связано с активной гибелью низкорезистентных к озону клеток (молодых и находящихся в стадии естественного отмирания).

При использовании озона даже в минимальной концентрации (6 мг/м) интенсивная гибель бактериальных клеток происходит уже в течение первых 30 минут (рисунок 6).

Однако в дальнейшем инактивация бактерий происходит не столь интенсивно, что, по всей вероятности, связано с включением у бактерий адаптационных процессов, заключающихся в усилении антиоксидантной системы защиты.

t, мин

Рисунок 6 - Диаграмма влияния времени обработки на значение параметра выживаемости Staphylococcus aureus при различных значениях концентрации озона.

Между тем, несмотря на тот факт, что все взятые в опыт тестмикроорганизмы каталазоположительные, а следовательно, обладают способностью противостоять активным формам кислорода, не все в одинаковой степени оказались устойчивыми к озону. В большей степени

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

10

озон оказывал бактерицидное действие на грампозитивные микроорганизмы - золотистый стафилококк и сенную палочку, в меньшей степени на грамнегативные бактерии - кишечную и синегнойную палочку. Из этого следует заключить, что в защите бактериальной клетки от неблагоприятного действия озона участвует не только фермент каталаза, но и другие факторы, в частности, вероятно, непосредственно клеточная стенка, которая у грамположительных микроорганизмов преимущественно состоит из мурамилпептида и тейхоевых кислот [2].

Произведен регрессионный анализ влияния параметров x1 и x2 озонирования на у2 выживаемость возбудителя Staphylococcus aureus.

На базе регрессионного анализа построена математическая модель, описывающая взаимодействие факторов и наблюдаемой величины, представлена в виде уравнения регрессии:

2 2

у2 = 48,58-2,32xj - 2,22x + 0,686xjX2 + 1,49x1 + 1,4x2

Полученное уравнение регрессии позволяет оценить степень влияния концентрации озона, подаваемого в контейнер с чашками Петри, времени обработки и их сочетаний на зависимую переменную. Коэффициент детерминации составил 0,75%, что говорит о нормальном качестве построенной модели.

Эмпирическая математическая модель представлена полином второй степени в выражении (4). Даная математическая модель позволяет оценить влияние концентрации озона и времени обработки в абсолютных единицах на выживаемость Staphylococcus aureus.

y2 = 48,58-1,03x1 - 0,82x2 + 0,004x1x2 + 0,006x12 + 0,004x2 .

Анализ экспериментально полученных наблюдаемых значений переменной y2 и предсказанных регрессионной моделью представлен графически на рисунке 7.

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

11

> 8(

I I < 8(

I I < 6(

I I < 4(

I I < 2(

Рисунок 7 - Диаграмма влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на значение параметра выживаемости Staphylococcus aureus

Полученная математическая модель (4) влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на выживаемость Staphylococcus aureus обеспечивает достаточно точное прогнозирование результатов воздействия параметров озонирования на зависимую переменную при любых значениях xj и x2. Модель обосновывает область решений рациональных параметров озонирования для лечения бактериозов пчел. Из множества вариантов рациональными параметрами озонирования для уничтожения Staphylococcus aureus являются: 1) концентрация озона Ck = 50 мг/м ; 2) время воздействия t = 30 мин.

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

12

120

100

80

X 60

40

20

20

40

60

80

> 100  < 100  < 80 О < 60

О < 40

О < 20 100  < 0 Н < -20

Х1

0

0

Рисунок 8 - Диаграмма влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на проекцию поля параметра выживаемости Staphylococcus aureus.

В результате анализа экспериментальных данных определено множество сочетаний концентрации озона в улье и времени обработки, при которых достигается снижение выживаемости возбудителей бактериозов пчел до нулевого значения. Выбор конкретного режима следует произвести по критерию минимальной энергоемкости обработки пчелиных семей. Это особенно существенно при автономном электроснабжении, так как влечет за собой выбор более мощного автономного источника и, следовательно, резкое увеличение капитальных вложений и эксплуатационных затрат.

e АПС

t -

n„

n„

Целевая функция будет иметь вид:

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

13

t •

*

e =

С • А

СВУ Ауд

(Qk + VBy • 0,1538 • е0’22Г >000

+ Qk а

удк

min

n,.

xn

x1 • А

(Qk + VBy • 0,1538 • е0’22Г >000 + QeА

e

удк

к

min

n

y1 = 101,3 - 2,055x1

1,415x2 + 0,006 x1x2 + 0,012x1 + 0,007x;

2

y2 = 48,58 - 1,03x1 - 0,82x2 + 0,004 x1x2 + 0,006x12 + 0,004x22

xn

e

x1 • Ауд

(Qk + VBy  0,1538 • е°-22 r >000

+ Q к А

kj удк

y1 = 101,3 - 2,055x1 < y2 = 48,58 -1,03x1

- 1,415x2 + 0,006 x1x2 + 0,012x/ + 0,007x22

- 0,82x2 + 0,004 x1x2 + 0,006x/ + 0,004x22

e = 11x1x2 +12x2

' y1 (0 -100) 0 < y2 (0-100) 0 e(0 - 400) min

0 = 101,3 - 2,055x1 - 1,415x2 + 0,006 x1x2 + 0,012x2 + 0,007x22 <0 = 48,58 - 1,03x1 - 0,82x2 + 0,004 x1x2 + 0,006x12 + 0,004x22 75 = 11x1x2 +12x2

где l = 0,0123 и 12 = 1,75

Первое и второе уравнение необходимо привести к виду уравнения эллипса. Для этого вначале сделаем замену:

Г х1 = х 1х 2 = у

Перейдём к новой системе координат при помощи следующих формул:

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

14

л = л' cos a - y' sin a y = x' sin a + y' cos a

Таким образом, первое уравнение принимает вид:

0,012( л' cos a - y' sin a)2 - 2,055( x' cos a- y' sin a) + 0,007( x' sina + y' cos a)2 --1,415(x'sin a + y'cos a) + 0,006(x'cos a - y'sin a)(x'sin a + y'cos a) +101,3 = 0

В результате преобразований получаем:

x/2(0,012cos2 a + 0,007 sin2 a + 0,006cosa • sina) + y/2(0,012sin2 a + 0,007 cos2 a- 0,006 cos a • sin a) + .x/y/(-0,024 cos a • sin a + 0,014sin a • cos a + 0,006 cos2 a -- 0,006 sin2 a) + хг(-2,055 cos a - 1,415sin a) + yr(2,055 sin a - 1,415cos a) +101,3 = 0

Найдём a из уравнения:

-0,24 cos a^ sin a + 0,014 cos a^ sin a + 0,006 • cos2 a-0,006 • sin2 a = 0 В результате решения получаем два корня:

tga = 0,46837

tga2 =-2,13504

Значения tga соответствуют двум взаимно перпендикулярным

направлениям. Поэтому, взяв tga2 = 0,46837 вместо tga2 = -2,13504 , мы только меняем ролями оси x и y .

Найдём sina и cos a:

cosa =

\

1

1 + 0,46837

2

0,90558

sina = V1- 0,905582 = 0,42415

Таким образом, имеем:

0,0134 x'2 + 0,00559 y'2 + 0 - 2,46116 x'- 0,40976 y'+ 101,3 = 0 В результате преобразований получаем:

0,0134 (x' - 91,79944 )2 + 0,00559 (y' - 36,62009 )2 = 19,16975 Применив формулы преобразования координат:

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

15

Г х= х + 91,79944 [ у ' = у + 36,62009

получим первое уравнение в виде уравнения эллипса:

0,0134 х2 + 0,00559 у2 = 19,16975

Таким же образом к уравнению эллипса приводится и второе уравнение. В этом случае система уравнений (11) примет вид:

0,0134х2 + 0,00559у2 = 19,16975 < 0,00723х2 + 0,00276у2 = 12,66499 0,0123ху +1,75 у = 71

(N

X

140

120

100

80

60

40

20

0

0 20 40 60 80 100 120

Xi

Рисунок 9 - Диаграмма влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на проекцию поля параметра выживаемости Staphylococcus aureus

Таким образом, определены оптимальные параметры озонирования улья по критерию минимальной энергоемкости обработки: концентрация озона 50 мг/м ; время обработки 30 минут, энергоемкость 71 Вт-ч/улей (рисунок 9).

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf

Научный журнал КубГАУ, №103(09), 2014 года

16

Список литературы

1. Болотской Е. Н. Новые технологии дезинфекции и лечения болезней пчел / Е. Н. Болотской // Пчеловодство. - 2001. - № 4. - С. 3-32.

2. Болотской Е. Н. Пчелы в окружении микробов / Е. Н. Болотской, В. М. Бахир,

А. М. Кожемякин // Пчеловодство. - 2002. - № 3. - С. 25-28 .

3. Овсянников Д. А. Режимы озонирования для лечения колибактериоза пчел / Овсянников Д. А. - В 16Н.: Материалы второй международной научно-практической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства». -ВГСХА Волгоград, 2008. - 4 с.

4. Овсянников Д. А. Способ борьбы с аскосферозом пчел / Овсянников Д. А., Нормов Д. А., Лисицын В. В. - В 16Н.: Материалы четвертой региональной научнопрактической конференции молодых ученых «Научное обеспечение

агропромышленного комплекса». - Краснодар: КГАУ, 2003. - 4 с.

References

1. Bolotskoj E. N. Novye tehnologii dezinfekcii i lechenija boleznej pchel / E. N. Bolotskoj // Pchelovodstvo. - 2001. - № 4. - S. 3-32.

2. Bolotskoj E. N. Pchely v okruzhenii mikrobov / E. N. Bolotskoj, V. M. Bahir, A. M. Kozhemjakin // Pchelovodstvo. - 2002. - № 3. - S. 25-28 .

3. Ovsjannikov D. A. Rezhimy ozonirovanija dlja lechenija kolibakterioza pchel / Ovsjannikov D. A. - V N.: Materialy vtoroj mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Osnovy dostizhenija ustojchivogo razvitija sel'skogo hozjajstva». - VGSHA Volgograd, 2008. - 4 s.

4. Ovsjannikov D. A. Sposob bor'by s askosferozom pchel / Ovsjannikov D. A., Normov D. A., Lisicyn V. V. - V N.: Materialy chetvertoj regional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh «Nauchnoe obespechenie agropromyshlennogo kompleksa». - Krasnodar: KGAU, 2003. - 4 s.

http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/45.pdf