Инактивация микроорганизмов ультрафиолетовым излучением эксилампы с использованием пероксида водорода и нанодисперсных частиц диоксида титана (стр. 1 )

На правах рукописи

АСТАХОВА

Светлана Александровна

ИНАКТИВАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ЭКСИЛАМПЫ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА И НАНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА

03.00.23 – «биотехнология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Улан-Удэ, 2009

Работа выполнена в Байкальском институте природопользования Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

кандидат химических наук, доцент Балдынова Федосия Прокопьевна

Ведущая организация:

МУП «Водоканал», г Улан-Удэ

Защита состоится «22» октября г. в 10 часов на заседании Регионального диссертационного Совета ДМ. 212.039.02 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете г. Улан-Удэ, а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГТУ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по указанному адресу ученому секретарю Совета.

Автореферат разослан « 18 » сентября 2009г.

Ученый секретарь

Регионального диссертационного Совета,

доктор технических наук,

профессор

Актуальность работы.

В настоящее время проблема эффективного обеззараживания питьевой воды остается актуальной в связи с сохранением риска возникновения и распространения заболеваний, связанных с употреблением недоброкачественной питьевой воды. На практике наиболее распространены три способа обеззараживания воды: реагентная обработка (хлором или его соединениями), ультрафиолетовое (УФ) облучение и озонирование.

Технологическая простота хлорирования и доступность хлора обусловили его широкое использование в практике водоснабжения. Серьезным недостатком хлорной обработки воды является образование ряда токсичных побочных продуктов (хлорированных фенолов, тригалометанов, диоксинов и др.). Кроме того, хлор (жидкий и газообразный) относится к токсичным веществам, что требует соблюдение повышенной техники безопасности при его транспортировании, хранении и использовании (Луцевич, 2003). Озонирование является более дорогим, но экологически безопасным методом обеззараживания воды. Использование озона, в связи с его высокими реагентными свойствами, требует повышенных мер безопасности для персонала (Фалендыш, 2009).

Обработка УФ-излучением, как известно, не имеет проблемы передозировки и не вызывает образование токсичных соединений. В качестве источников УФ-из­лучения традиционно используют ртутные лампы низкого, среднего или высокого давления. Существенным недостатком ртутных бактерицидных ламп, ограничивающим их применение, является высокое содержание металлической ртути в свободном состоянии, которая, как известно, является опасным поллютантом (Aucott et al., 2003). Современной альтернативой ртутным лампам являются УФ-эксилампы. Это новый класс источников спонтанного УФ - и вакуумного УФ-излучения, основное достоинство которых заключается в том, что до 80% и более общей мощности излучения сосредоточено в относительно узкой полосе (не более 10 нм на полувысоте) излучения (Sosnin et al., 2006).

В последнее десятилетие бурное развитие получили новые окислительные технологии, или АОТ (Advanced Oxidation Technologies), которые нашли широкое применение для очистки сточных вод от органических загрязнителей (Zona et al., 2002). К ним относится обработка воды УФ-излучением в присутствии сильных окислителей (например, озона, пероксида водорода) и (или) фотокатализаторов. Применение АОТ имеет большой потенциал для инактивации патогенных микроорганизмов в водной среде. В связи с этим большой научный и технологический интерес представляет бактерицидный эффект УФ-излучения эксиламп в присутствии пероксида водорода (H2O2) и/или нанодисперсного фотокатализатора диоксида титана (TiO2).

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Байкальского института природопользования СО РАН по научному направлению 5.4. «Химические аспекты современной экологии и рационального природопользования, включая проблемы утилизации и безопасного хранения радиоактивных отходов».

Цель работы. Исследование эффективности инактивации бактериальных клеток Escherichia coli (далее E. coli) и Bacillus cereus (далее B. cereus) УФ-излучением KrCl-эксилампы в присутствии окислителя (пероксида водорода) и (или) нанодисперсного фотокатализатора (наночастиц диоксида титана) в водной среде.

Основные задачи:

–  установить эффективность УФ-излучения эксилампы для инактивации бактерий E. сoli и B. cereus;

–  изучить комбинированное бактерицидное действие УФ-излучения эксилампы и пероксида водорода (УФ/H2O2);

–  изучить комбинированное бактерицидное действие УФ-излучения эксилампы и наночастиц диоксида титана (УФ/TiO2);

–  определить бактерицидный эффект УФ-излучения эксилампы при совместном присутствии пероксида водорода и наночастиц диоксида титана (УФ/H2O2/TiO2);

–  разработать принципиальную схему обеззараживания воды с помощью KrCl-эксилампы и окислителя H2O2.

Научная новизна работы. В работе установлена эффективность УФ - излучения KrCl-эксилампы при 222 нм для инактивации бактерий E. сoli и B. cereus. На примере данных тест-организмов впервые показан высокий бактерицидный эффект УФ-излучения эксилампы в комбинации с окислителем H2O2 и нанодисперсным фотокатализатором TiO2.

Практическая значимость. В работе показана применимость узкополосного УФ-излучения эксилампы при 222 нм в присутствии окислителя H2O2 для высокоэффективного обеззараживания питьевой воды. В зависимости от исходной численности клеток в воде для достижения эффективности обеззараживания 100% рекомендованы УФ-облучение или комбинированная (УФ/окислитель) обработка. Разработанная схема может применяться для эффективного обеззараживания питьевой воды.

Результаты исследований включены в отчеты Байкальского института природопользования СО РАН.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на международных и всероссийских конференциях: V школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2009), III International Conference on Chemical Investigation and Utilization of Natural Resources (Ulaanbaatar, 2008), XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008), IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2008), II Всероссийской научно-практической конференции «Развитие физико-химической биологии и биотехнологии на современном этапе» (Иркутск, 2008), IV школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованных источников (115 наименований). Работа изложена на 97 страницах машинописного текста, иллюстрирована 27 рисунками и 9 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для изучения бактерицидного действия УФ KrCl-эксилампы объектами являлись бактериальные культуры E. coli и B. cereus. Культуру E. coli получали при растворении сухого колибактерина Colibacterinum siccum. Культура B. cereus выделена ранее из ила пруда-аэратора Байкальского ЦБК (Матафонова и др., 2007).

Источником УФ-излучения являлась эксилампа барьерного разряда на молекулах KrCl, излучающая на длине волны 222 нм.

Фотокатализатором служил нанодисперсный порошок TiO2 (кристаллическая модификация анатаз, средний диаметр частиц 23.3 нм ( “Старт”, г. Пермь)). Для диспергирования наночастиц TiO2 в воде (Халявка, 2007) их подвергали предварительной ультразвуковой обработке с помощью прибора “УЛЬТРАЭСТ–М” (частота ультразвука − 45 кГц, мощность − 50 Вт) в течение 15 мин. Концентрация TiO2 в облучаемом растворе составила 0.5 г/л. В качестве окислителя использовали пероксид водорода с концентрацией 1 г/л.

Для облучения по схемам УФ/H2O2 и УФ/TiO2 клетки были приготовлены в стерильной воде из соответствующих односуточных культур методом предельных разведений (Егоров, 1995). Полученные бактериальные суспензии, содержащие от 102 до 107 колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 мл, последовательно облучали в течение 5–300 с при температуре 23–25 0C в режиме перемешивания на магнитной мешалке (для равномерного распределения дозы облучения во всем объеме) в кювете, расположенной под выходным окном эксилампы. Интенсивность УФ-излучения при данных условиях составила в среднем 2.2 мВт/см2.

При обработке по комбинированным схемам, 1 мл раствора H2O2 и (или) суспензии TiO2 помещали в кювету перед внесением бактериальной суспензии. После облучения 100 мкл аликвоты высевали в чашки Петри с агаризованным питательным бульоном и инкубировали при 37 0C (B. cereus) или 28 0C (E. coli) в течение 24 ч в 3−5 повторностях для определения числа КОЕ выживших клеток.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Инактивация E. сoli и B. cereus УФ-излучением KrCl-эксилампы

На первом этапе проведены эксперименты по обработке бактериальных суспензий УФ-излучением KrCl-эксилампы без участия окислителя и катализатора (прямой фотолиз).

Результаты УФ-обработки клеток E. coli KrCl-эксилампой представлены на рисунке 1. Как видно из рисунка при исходной численности 102–106 КОЕ/мл полная инактивация E. coli достигалась после 10–30 с облучения, что соответствует дозе облучения 22–66 мДж/см2. При максимальной исходной численности клеток E. coli в воде (107 КОЕ/мл) наблюдалось снижение эффективности инактивации. В данном случае большое влияние приобретают поглощение излучения средой и рассеяние излучения на клетках, имеющих размеры, сопоставимые с длиной волны. Это обусловлено эффектом экранирования, отмеченным ранее при облучении суспензий с высокой численностью клеток (Muranyi et al., 2007).