Материал: Гончарук учебник

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ние года. Вводить серебро можно непосредственно, путем обеспечения конта­ кта воды с поверхностью самого металла, а также растворяя соли серебра в во­ де электролитическим способом. Л.А. Кульский разработал ионаторы ЛК-27, ЛК-28, в которых предусматривается анодное растворение серебра электриче­ ским постоянным током.

Механизм действия химических дезинфектантов на микроорганизмы.

Начальной стадией действия любого дезинфектанта на бактериальную клетку является его сорбция на клеточной поверхности (О.С. Савлук, 1998). После диффузии дезинфектантов сквозь клеточную стенку мишенями их действия становятся цитоплазматическая мембрана, нуклеоид, цитоплазма, рибосомы, мезосомы. Следующий этап — деградация макромолекулярных, в том числе белковых, структур бактериальной клетки в результате инактивации высокореактивноспособных функциональных групп (сульфгидрильных, аминных, фенольных, индольных, тиоэтиловых, фосфатных, кетогрупп, эндоциклических атомов азота и пр.). Наиболее чувствительными являются ферменты, содержа­ щие SH-группы, т. е. тиоловые ферменты. Среди них наиболее сильно угнета­ ются дегидрогеназы, которые обеспечивают дыхание бактерий и локализова­ ны преимущественно в мезосомах.

Среди органелл бактериальной клетки одной из наиболее повреждаемых химическими дезинфектантами является цитоплазматическая мембрана. Это обусловлено ее легкой доступностью для окислителя (сравнительно с другими органеллами) и наличием большого количества активных групп (в том числе сульфгидрильных), которые легко инактивируются. Поэтому для повреждения цитоплазматической мембраны необходимы сравнительно незначительные ко­ личества дезинфектантов. Ввиду важности функций цитоплазматической мемб­ раны для жизнедеятельности бактериальной клетки, ее повреждение является чрезвычайно опасным.

Нуклеоид, основную часть которого представляет молекула ДНК, несмотря на наличие реактивноспособных групп, которые потенциально способны взаи­ модействовать с дезинфектантами, малодоступен для их молекул и ионов. Это вызвано, во-первых, трудностями транспорта дезинфектанта из водного раст­ вора в нуклеоид через внешнюю и цитоплазматическую мембраны бактериа­ льной клетки, а отсюда —- с непродуктивными потерями обеззараживающих агентов. Во-вторых, наличие первичной гидратной оболочки на поверхности ДНК становится препятствием для некоторых дезинфектантов. В частности, эта гидратная оболочка непроницаема для катионов.

Значительное количество дезинфектанта необходимо для инактивации ри­ босом и полисом, которые содержат рРНК, что обусловлено их высокой кон­ центрацией в бактериальной клетке (по сравнению с ДНК).

Химические дезинфектанты должны иметь максимально широкий спектр бактерицидного действия и минимальную токсичность для организма. С уче­ том механизма взаимодействия с бактериальными клетками химические дезин­ фектанты разделены на две группы:

1. Вещества, которые поражают клеточные структуры за счет хими­ ко-физического воздействия, т. е. вещества полярной структуры, которые со-

181

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

держат липофильные и гидрофильные группы (спирты, фенолы, крезолы, де­ тергенты, полипептидные антибиотики). Растворяют фрагменты клеточных структур — мембран, нарушая их целость и соответственно функции. Обладая широким спектром бактерицидного действия благодаря сходству строения клеточных мембран у разнообразных прокариотов, этот класс дезинфектантов эффективен лишь в высоких концентрациях — от 1 до 10 М.

2. Вещества, поражающие клеточные структуры за счет химического взаимодействия. Их можно разделить на 2 подкласса: 1 ) вещества, которые только тормозят рост бактерий; 2) вещества, вызывающие их гибель. Грань ме­ жду ними достаточно условна и в большой степени определяется концентра­ цией. К дезинфектантам, которые вызывают гибель клеток, принадлежат поч­ ти все тяжелые металлы, образующие с сульфгидрильными группами тяжело диссоциируемые комплексы, а также циан-анионы, которые образуют тяжело диссоциируемые комплексы с железом, чем блокируют функцию терминально­ го дыхательного фермента цитохромоксидазы. Дезинфектанты, которые тормо­ зят рост бактерий, при взаимодействии с функциональными группами клеточ­ ных соединений или приводят к их превращению (обратимому в определенных условиях) в другие группы, или ингибируют их вследствие структурного подо­ бия дезинфектантов с нормальными клеточными метаболитами.

Эффективность действия химических дезинфектантов зависит и от возмож­ ностей их транспорта через клеточные структуры к мишени в клетке. У грациликутных (грамотрицательных) и фирмакутных (грамположительных) бакте­ рий оболочки имеют разное строение, причем основное отличие состоит в том, что грациликутные бактерии имеют дополнительную внешнюю прослойку, состоящую из фосфолипидов, липопротеинов и белков. И двух-, и трехслойная структуры оболочки обеспечивают высокую селективность проникновения из­ вне в клетку чужеродных веществ.

Кроме транспортных ограничений, на эффективность химических дезин­ фектантов может влиять электролитный состав обеззараживаемой воды. На­ пример, при использовании для дезинфекции катионов тяжелых металлов на­ личие некоторых анионов (С1~, Вг", I", SO^~, PO J" и пр.) и щелочная среда, мо­ жет привести к образованию тяжелорастворимых плохо диссоциируемых со­ единений.

Взаимодействие дезинфектантов с метаболитами клетки и химическими соединениями, которые содержатся в ней, также может привести к измене­ нию физико-химических свойств дезинфектанта. Так, по данным Л.А. Кульского (1988), внутриклеточная жидкость содержит почти 3 мг-экв/л анионов, до 100 мг-экв/л HPOj" и почти 20 мг-экв/л SOj", чего вполне достаточно для превращения многих дезинфектантов, например катионов тяжелых металлов, в малодиссоциированные соединения.

Механизм бактерицидного действия позволяет объяснить синергические эффекты, которые наблюдаются экспериментально при обеззараживании воды комбинациями химических дезинфектантов или путем физического влияния и действия химического дезинфектанта. С позиции рассмотренного механиз­ ма, действием одного из комбинации дезинфектантов нейтрализуется система

182

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

"жертвенной защиты" бактериальной клетки, после чего другой дезинфектант получает практически беспрепятственный доступ к основным мишеням и, взаи­ модействуя с ними, инактивирует клетку. Так, оптимальными бактерицидны­ ми свойствами должны обладать комбинации химических дезинфектантов, в которых один способен необратимо связывать сульфгидрильные группы бел­ ков оболочки, а другой, имеющий высокоселективные транспортные свойства, быстро диффундирует в цитоплазму клетки и, взаимодействуя с ДНК и РНК, инактивирует бактериальную клетку.Такими высокоэффективными комбина­ циями дезинфектантов являются системы С12 : Н2 02 , С12 : 03 , С12 : Ag+, I2 : Ag+ и т. п. При сочетании физического влияния и действия химического дезинфектанта в результате физического воздействия на оболочку бактериальной клетки происходит дезорганизация или частичное разрушение ее структуры. Это способствует более легкой транспортировке химического дезинфектанта к мишеням клетки и ее дальнейшей инактивации. Применение комбинаций дезинфектантов очень эффективно в отношении инактивации бактериальных клеток-мутантов, которые находятся в клеточных популяциях в количестве

ю-4—ю-".

Рассмотренный механизм бактерицидного действия химических дезинфе­ ктантов позволяет объяснить закономерности инактивации вирусов и бактери­ офагов. В частности, повышенная резистентность к химическим дезинфектантам бактериофагов по сравнению с бактериальными клетками объясняется их пребыванием в цитоплазме бактерии и таким образом низкой доступностью для большинства химических дезинфектантов. Инактивация химическими дезинфектантами вирусов и бактериофагов вне бактериальной клетки, возмож­ но, осуществляется благодаря денатурации белковых оболочек вируса и взаи­ модействия с его ферментными системами, расположенными под белковыми оболочками.

Обеззараживание воды ультрафиолетовым (УФ) облучением. Обезза­ раживание воды УФ-лучами относится к физическим (безреагентным) методам. Безреагентные методы имеют ряд преимуществ, при их применении не изме­ няется состав и свойства воды, не появляются неприятные привкусы и запахи, отпадает необходимость в транспортировке и хранении реагентов.

Бактерицидное действие оказывают участок УФ-части оптического спектра в диапазоне волн от 200 до 295 нм. Максимум бактерицидного действия при­ ходится на 260 нм. Такие лучи проникают через 25-сантиметровый слой про­ зрачной и бесцветной воды. Обеззараживается вода УФ-лучами достаточно быстро. После 1—2 мин облучения гибнут вегетативные формы патогенных микроорганизмов. Мутность и особенно цветность, окраска и соли железа, сни­ жая проницаемость воды для бактерицидных УФ-лучей, замедляют этот про­ цесс. То есть предпосылкой надежного обеззараживания воды УФ-лучами яв­ ляется предварительное ее осветление и обесцвечивание.

Обеззараживают УФ-облучением с помощью бактерицидных ламп преи­ мущественно воды подземных водоисточников, коли-индекс которых не бо­ лее 1000 КОЕ/л, содержание железа — не более 0,3 мг/л. Бактерицидные уста­ новки оборудуют на всасывающих и напорных линиях насосов II подъема в

183

Рис. 26. Установка для обеззараживания воды УФ-лучами (OB AKX-1):

а — разрез; б — схема движения воды по камере; 1 — смотровое окно; 2 — корпус; 3 — перегородки; 4 — подача воды; 5 — ртутно-кварцевая лампа ПРК-7; 6 — кварцевый чехол

отдельных зданиях или помещениях. Если продуктивность водопроводной станции до 30 м3/ч, применяют установки с непогружным источником облуче­ ния в виде аргонно-ртутных ламп низкого давления. Если продуктивность ста­ нции составляет 30—150 м3/ч, то применяют установки с погружными ртут- но-кварцевыми лампами высокого давления (рис. 26).

При использовании аргонно-ртутных ламп низкого давления в воде не об­ разуются токсические побочные продукты, тогда как под действием ртутнокварцевых ламп высокого давления химический состав воды может изменять­ ся за счет фотохимических превращений растворенных в воде веществ.

Обеззараживающий эффект бактерицидных УФ-лучей обусловлен преиму­ щественно фотохимическими реакциями, вследствие чего возникают необра­ тимые повреждения ДНК бактериальной клетки. Кроме ДНК, УФ-лучи повреж­ дают и другие структурные части клетки, в частности рРНК, клеточные мемб­ раны. Выход бактерицидной энергии составляет 11% при оптимальной длине большей части излучаемых волн.

Таким образом, бактерицидные лучи не денатурируют воду и не изменяют ее органолептических свойств, а также имеют более широкий спектр абиоти­ ческого действия — они губительно влияют на споры, вирусы и яйца гельмин­ тов, устойчивые к хлору. В то же время использование этого метода обеззара­ живания воды усложняет оперативный контроль эффективности, так как резу­ льтаты определения микробного числа и коли-индекса воды можно получить

184

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

только через 24 ч инкубации посевов, а экспрессного метода, который подобен определению остаточного свободного или связанного хлора или остаточного озона, в данном случае не существует.

Обеззараживание воды ультразвуком. Бактерицидное действие ультра­ звука объясняется главным образом механическим разрушением бактерий в ультразвуковом поле. Данные электронной микроскопии свидетельствуют о разрушении клеточной оболочки бактерий. Бактерицидный эффект ультразву­ ка не зависит от мутности (в пределах до 50 мг/л) и цветности воды. Он расп­ ространяется как на вегетативные, так и на споровые формы микроорганизмов и зависит лишь от интенсивности колебаний.

Ультразвуковые колебания, которые могут быть использованы для обезза­ раживания воды, получают пьезоэлектрическим или магнитострикционным путем. Чтобы получить воду, отвечающую требованиям ГОСТа 2874-82 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством", интенсивность ультразвука должна составлять около 2 Вт/см2, частота колебаний — 48 кГц в 1 с. Ультразвук частотой 20—30 кГц уничтожает бактерии за 2—5 с.

Термическое обеззараживание воды. Метод используют для обеззара­ живания небольшого количества воды в санаториях, больницах, на пароходах, поездах и пр. Полное обеззараживание воды и гибель патогенных бактерий до­ стигается через 5—10 мин кипячения воды. Для этого типа обеззараживания используют специальные типы кипятильников.

Обеззараживание рентгеновским излучением. Метод предусматривает облучение воды коротковолновым рентгеновским излучением длиной волны 60—100 нм. Коротковолновое излучение глубоко проникает в бактериальные клетки, обусловливает их значительные изменения и ионизацию. Метод изу­ чен недостаточно.

Обеззараживание вакуумированием. Метод предусматривает инактива­ цию бактерий и вирусов при пониженном давлении. Полный бактерицидный эффект достигается в течение 15—20 мин. Оптимальный режим обработки — при температуре 20—60 °С и давлении 2,2—13,3 кПа.

Другие физические методы обеззараживания, такие как обработка у-облу- чением, высоковольтными разрядами, электрическими разрядами малой мощ­ ности, переменным электрическим током, используют ограничено вследствие их высокой энергоемкости, сложности аппаратуры, а также из-за их недоста­ точной изученности и отсутствия информации о возможности образования вредных побочных соединений. Большинство из них сегодня находятся на ста­ дии научных разработок.

Обеззараживание воды в полевых условиях. Система водоснабжения в полевых условиях должна гарантировать получение качественной питьевой воды, не содержащей возбудителей инфекционных болезней. Из технических средств, пригодных для улучшения качества воды в полевых условиях, особого внимания заслуживают тканево-угольные фильтры (ТУФ): портативные, транс­ портабельные, простые и высокопродуктивные.

ТУФ конструкции М.Н. Клюканова предназначены для временного ис­ пользования (водоснабжения в полевых условиях, сельской местности, на

185