Изучение механизма бактерицидного действия в воде низкоэнергетических импульсных электрических разрядов

Вестник Смоленской медицинской академии, № 3, 2001

УДК 613.31:537.528

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА БАКТЕРИЦИДНОГО ДЕЙСТВИЯ В ВОДЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ А. В. Авчинников, В. С. Дукова

Смоленская государственная медицинская академия

Изучено бактерицидное действие в воде низкоэнергетических импульсных электрических разрядов (НИЭР). Показано, что ведущим звеном в механизме бактерицидного действия НИЭР на кишечную палочку является снижение активности ферментов бактериальной клетки -дегидрогеназ.

Среди перспективных физико-химических способов обеззараживания питьевой воды особый интерес вызывают низкоэнергетические импульсные электрические разряды (НИЭР) [13]. Особенностью биологического действия НИЭР в воде является комбинированное влияние на микроорганизмы физических факторов и химической составляющей - образующихся в зоне разряда свободных радикалов [11]. Кроме того, НИЭР обладает выраженным последействием, которое связывают с олигодинамией ионов металлов, выделяющихся с электродов в процессе разряда [1]. Это обстоятельство позволяет рассматривать НИЭР как комбинированный физико-химический способ обеззараживания питьевой воды. Выгодно отличаясь от высокоэнергетических разрядов меньшими энергозатратами, НИЭР при прочих равных условиях обладает более выраженным бактерицидным действием [8]. Показано, что эффективность бактерицидного действия НИЭР обратно пропорциональна величине рабочего напряжения, а оптимальное значение последнего приближается к 3 кВ [14]. Вместе с тем до настоящего времени нет единой точки зрения на механизм бактерицидного действия НИЭР [2].

Целью настоящего исследования было изучение механизма бактерицидного действия в воде низкоэнергетических импульсных электрических разрядов. При планировании экспериментальных исследований исходили из положения, что механизм бактерицидного действия комбинированного способа обеззараживания воды определяют составляющие его факторы [12]. Поскольку импульсное ультрафиолетовое излучение и химические вещества, образующиеся в процессе разряда, являются доминирующими факторами НИЭР, естественно предположить, что механизм бактерицидного действия этого комбинированного способа аналогичен таковому у УФИ и окислителей (озона, пероксида водорода и др.). В свою очередь, одним из ведущих механизмов бактерицидного действия последних считают повреждение ферментных систем бактериальной клетки, в частности, дегидрогеназ [5, 6]. Исходя из вышеизложенного, предположили, что гибель микроорганизмов в воде при воздействии НИЭР зависит в значительной степени от инактивации бактериальных ферментов.

Методы исследования. В качестве тест-объекта была выбрана кишечная палочка, сохраняющая свое санитарно-показательное значение при обеззараживании воды НИЭР. Исследования проводили с музейным штаммом Escherichia coli 25922 ATCC, полученным в ГИСК им. Л. Тарасевича.

Воздействие НИЭР на метаболизм кишечной палочки устанавливали по изменению активности дегидрогеназ, используя методику Тунберга в модификации Г. Н. Першина [9]. Методика основана на дегидрировании субстрата в присутствии метиленового синего. Активность дегидрогеназ определяют по времени полного обесцвечивания красителя. В опытах мы изучали дегидрогеназы различного функционального значения, отличающиеся по химической природе простетической группы. В качестве донаторов водорода использовали глюкозу (1 %), этиловый спирт (0,4 %), глицерин (1 %), янтарнокислый натрий (0,1 %), глютаминовую (0,4 %) и пировиноградную (0,2 %) кислоты, формальдегид (0,013 %), муравьинокислый натрий (0,4

%). Выбор дегидрогеназ осуществлялся с учетом имеющихся данных о наиболее устойчивых (д-зы глюкозы и муравьиной кислоты), средне - (д-зы этилового спирта, глютаминовой и пировиноградной кислот), наименее устойчивых (д-зы формальдегида и глицерина) ферментах к действию УФИ и окислителей [5, 6].

В опытах применяли воздействие НИЭР с суббактерицидными значениями удельной плотности энергии (о = 0,08 - 0,32 Дж/см3). Параллельно с исследованием влияния НИЭР на дегидрогеназы кишечной палочки фиксировали бактерицидное действие данного комбинированного способа методом мембранных фильтров [3, 4]. Результаты исследований обработаны на персональном компьютере с использованием пакета прикладных статистических программ.

Результаты исследований показали, что с повышением удельной плотности энергии обработки воды НИЭР возрастает степе нь угнетения активности дегидрогеназ кишечной палочки (рис. 1). Так, если при о = 0,08 Дж/см3 степень угнетения дегидрогеназ достигала 46,7 - 76,7 % , то уже при о = 0,32 Дж/см3 данный показатель составлял 87,5 - 100 %. Наиболее чувствительными к воздействию НИЭР оказались дегидрогеназы глицерина и формальдегида, наиболее резистентными - дегидрогеназы глюкозы и муравьиной кислоты.

Динамика угнетения активности дегидрогеназ коррелировала с эффективностью бактерицидного действия НИЭР (от 76,9±2,8 % при о = 0,08 Дж/см3, до 98,3±0,62 % при о = 0,32 Дж/см3). То есть процесс подавления активности дегидрогеназ кишечной палочки под действием НИЭР совпадает с увеличением эффективности бактерицидного действия в воде данного комбинированного способа.

Рис. 1. Влияние низкоэнергетических импульсных электрических разрядов на степень угнетения активности (%) дегидрогеназ кишечной палочки

Примечание: *Дегидрогеназы кишечной палочки

Следует отметить, что даже небольшая доза НИЭР (о = 0,32 Дж/см3), использованная в наших исследованиях, позволяла практически полностью подавлять активность ряда дегидрогеназ кишечной палочки (глицерина, формальдегида, глютаминовой и пировиноградной кислот). Данное обстоятельство позволяет предположить, что дегидрогеназы являются, повидимому, наиболее уязвимым звеном в обмене веществ бактериальной клетки при воздействии НИЭР.

Таким образом, наши исследования показывают, что снижение активности дегидрогеназ бактериальной клетки играет, вероятно, ведущую роль в механизме бактерицидного действия НИЭР в воде. Данный механизм бактерицидного действия позволяет объяснить экспериментально наблюдаемые синергические эффекты, возникающие при обеззараживании воды комбинированными физико-химическими способами и, в частности, НИЭР. С позиции рассмотренного механизма обеззараживания воды, влиянием одного из действующих факторов комбинации (импульсного УФИ), нейтрализуется система "жертвенной защиты" клетки (взаимодействие с сульфгидридными группами белков наружной или цитоплазматической мембраны). Другой действующий фактор комбинации (в нашем случае свобоннорадикальные продукты разряда) получает практически беспрепятственный доступ к наиболее чувствительным мишеням бактериальной клетки, в том числе и к дегидрогеназам. Полученные нами результаты хорошо согласуются с материалами исследователей, изучавших механизм бактерицидного действия других комбинированных способов обеззараживания воды [7, 10].

Литература

1. Веселов Ю. С., Лавров И. С., Рукобратский Н. И. Водоочистное оборудование: конструирование и использование.- Л.:Машиностроение,1985.-232 с.

2. Горячев В. Л., Рутберг Ф. Г., Федюкович В. Н. Электроразрядный метод очистки воды. Состояние проблемы и перспективы. // Известия РАН: Энергетика.- 1998.- № 1.- С. 40 - 55.

3. ГОСТ 18963-73. Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологического анализа.- М., 1973.

4. ИСО 8199:1988. Общее руководство по определению количества микроорганизмов с помощью питательной среды.

5. Корнев И. И. Экспериментальное исследование действия УФИ на некоторые процессы метаболизма бактерий при обеззараживании воды.... Автореф. дис. канд. мед. наук.- М.,1971.

6. Кульский Л. А. Основы химии и технологии воды. - Киев, 1991. - 568 с.

7. Маслюков А. П., Рахманин Ю. А., Матюшин Г. А. О механизме бактерицидного действия химических дезинфектантов // Гигиена и санитария .-1991.- №11.-С. 6- 11.

8. Павлов А. В. Жук Е. Г., Сотников В. Н., Гостищев С. А. Бактерицидные свойства новых физических способов обеззараживания питьевой воды // Актуальные вопросы военной медицины. - Томск, 1982.-С. 136 - 137.

9. Першин Г. Н. Влияние бактерицидных и химиотерапевтических веществ на бактериальные ферменты. -М.: Медгиз, 1952. - 228 с.

10. Butterfield I. M., Christensen P. A., Curtis T. P., Gunlazuardi J. Water disinfection using an immobilized titanium dioxide film in a photochemical reactor with electric field enhancement // Water Research.- 1997.-Vol.31, № 3.- P.675 - 677.

11. Gilliland S. E., Speck M. L. Inactivation of microorganisms by electrohydraulic shock // Applied and Environmental Microbiology.- 1967. - Vol.15, № 10.- P.1031- 1037.

12. Godfrey D. Water purification: problems and perspectives // Water Waste Treatment.- 1992. - Vol.35, № 11. -P. 56 - 57.

13. Hulscheger H., Potel J., Nieman E. S. Electric field effect on bacteria and yeast cells // Radiat. and Environ. Biophys.- 1983.- Vol. 22., № 2. - P.149 - 162.

14. Merton A. Desinfecting with waters lighning // New Scientist. - 1968.- Vol. 39, № 6. - P. 388 - 389.