VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Ключевые слова и фразы: полиамидная мембрана, модификация, бактерицидность, серебро, хитозан, полигексаметиленгуанидин.

Аннотация

Проведены исследования объемно и поверхностно модифицированных полиамидных мембран. В качестве биоцидных агентов использовались препараты серебра и вещества, содержащие четвертичные аммониевые группы. Учет результатов оценки бактерицидных свойств мембранных фильтров начинали проводить через 24 часа после посева и продолжали все время испытаний.

Установлено, что метод объемной модификации не позволяет достичь бактерицидного эффекта. Поверхностная модификация препаратами серебра и полигексаметиленгуанидином обеспечивает получение бактериостатических мембран. Наилучшими антимикробными свойствами обладали две мембраны:

– поверхностно-модифицированная мембрана раствором смеси хитозана и препаратом «Биоформ»;

- поверхностно-модифицированная мембрана 5 % раствором ПГМГ.

Модифицированные мембраны, сохраняющие бактериостатические свойства в течение 14 суток, могут быть рекомендованы для производства на их основе индивидуальных фильтров, входящих в экипировку служащих МО, МВД и работников МЧС.

Обозначения: ММК- мембрана микропористая капроновая, ПГМГ - полигексаметиленгуанидин гидрохлорид, ПВФ - прибор вакуумного фильтрования, КОЕ - колоний образующие единицы, МПБ - мясопептонный бульон, МПА – мясопептонный агар, ПА – полиамид, ПАК - полиакриловая кислота, ДМДААХ - диметилдиаллиламмонийхлорид.

Введение

Проблема обеспечения населения доброкачественной питьевой водой, пригодной для хозяйственно-питьевого использования и безопасной в эпидемическом отношении, является одной из приоритетных задач в системе водоснабжения страны.

С середины прошлого века задачи получения питьевой воды безопасной в токсикологическом и эпидемиологическом отношении часто стали решаться с применением мембранных процессов. Однако одной из важнейших проблем сдерживающих развитие мембранных технологий является снижение производительности и уменьшение ресурса работы мембранных фильтров вследствие образования на их поверхности различных осадков. При этом бактериальные загрязнения вызывают больше проблем, чем коллоидные или кристаллические. Это связано с тем, что задержанные мембраной микроорганизмы в благоприятных условиях продолжая размножаться через некоторое время образуют колонии, превращающиеся в биопленки, которые способны прорастать сквозь поры мембраны. Вследствие этого бактерии попадают в фильтрат, заражая его, а мембрана теряет свои стерилизующие свойства. Это явление может происходить как в процессе фильтрации (динамическом режиме), так и в статическом состоянии, т.е. когда нет фильтруемого потока, но фильтр находится во влажном состоянии [4]. Явлению прорастания микроорганизмов через мембрану было дано достаточно логичное объяснение, заключающееся в том, что бактериальная клетка при размножении делится на две части и в таком уменьшенном состоянии может проникнуть через мембрану, которая является не проницаемой для нее в исходном виде [3].

Для предотвращения зарастания мембран биологическими веществами пользователи мембранных фильтров были вынуждены применять сильные дезинфицирующие средства, которые вызывают деструкцию полимерной мембраны и коррозию оборудования[1]. Альтернативным способом борьбы с биологическими загрязнениями могло бы быть использование в фильтрах бактерицидных мембран, однако сведения о промышленных производствах такой продукции отсутствуют [2].

В настоящей работе использовались два подхода к технологии модификации:

- введение порошка серебра и серебросодержащих добавок в формовочную массу (т.е. объемная модификация);

- обработка антибактериальными средствами поверхности мембраны (поверхностная модификация)

В данной работе приведены результаты исследований бактерицидных свойств полиамидных микрофильтрационных мембран модифицированных различными способами и некоторыми биоцидами.

В качестве исходной, использовали полиамидную микрофильтрационную мембрану марки ММК – 0,2, выпускаемую ООО НПП «Технофильтр» (г. Владимир)

Объемная модификация мембраны препаратами серебра, хитозаном и полигексаметиленгуанидингидрохлоридом осуществлялась путем введения модифицирующего агента в формовочный раствор на стадии его приготовления.

Поверхностную модификацию проводили на специальной установке с намазывающими и отжимными валками, установленными в ванне с модифицирующими раствором.

Для модификации использовались:

- препарат наноструктурных частиц серебра марки «Сильвернано-1» изготовлен в ООО НПК «Наномет» г. Москва;

- концентрат антимикробной добавки на основе солей серебра(«Биоформ TRMB0080211-1») разработан и изготовлен в фирме «International Plastic Guide» г. Санкт-Петербург.

Обработку мембраны с нанесенным полигексаметиленгуанидин гидрохлоридом (ПГМГ) для перевода ее в основную форму обрабатывали 5% раствором NaOH с последующей промывкой дистиллированной водой.

Оценка бактерицидных свойств мембран проводилась по способности задерживать рост условно-патогенной микрофлоры, представителем которой выбрана культура Escherichia coli, полученная из ФГУ «Всероссийский государственный центр качества и стандартизации лекарственных средств для животных и кормов».

Испытания проводились с использованием фильтрационной установки включающей прибор вакуумного фильтрования ПВФ 35/47 НБ, соединенный с колбой Бунзена.

Рабочий раствор тест-культуры в количестве 50 см³ фильтровали через каждую испытуемую мембрану и контрольные образцы мембран.

После окончания фильтрования и осушения фильтра отключали вакуум, фильтр осторожно поднимали за край фламбированным пинцетом и переносили его, не переворачивая, на питательную среду (мясопептонный бульон, МПБ), разлитую в чашки Петри, избегая образования пузырьков воздуха между средой и фильтром. Поверхность фильтра с отфильтрованными на ней бактериями должна быть обращена вверх.

Фильтрат высевали на чашку Петри с питательной средой из расчета по 0,1 см³ на чашку, при 3 повторах.

Посевы инкубировали при температуре 37 °С в течение времени испытания.

Учет результатов оценки бактерицидных свойств мембранных фильтров начинали проводить через 24 часа после посева и продолжали все время испытаний.

Подсчитывали все выросшие на фильтрах колонии. Подсчет производился только на тех чашках, на которых выросло не более 300 изолированных колоний. Подсчитанное количество колоний на каждой чашке суммировали и делили на три. Результат выражали числом колоний образующих единиц (КОЕ) на площади исследуемого образца и заносили в протокол. Если из-за большого роста подсчет колоний на фильтрах невозможен, то в протоколе отмечали: "сплошной рост".

Результаты, полученные после инкубирования мембранных фильтров, интерпретировали следующим образом:

- если рост тест-культуры на испытуемой мембране после фильтрации и инкубирования при 37 °С в течение 5 суток полностью отсутствовал, то данный фильтр считался бактерицидным;

- бактериостатическими считали мембраны, на которых через 5 суток после инкубации в чашках Петри с МПА при 37 °С количество колоний тестовой культуры не превышало 10.

Общую концентрацию микробных клеток в суспензиях бактерий определяли визуально по отраслевому стандарту мутности. Количество живых микробных клеток определяли посредством титрования исследуемых культур на плотных питательных средах и выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ). Последовательные десятикратные разведения каждой пробы (0,5 см³ исходной бактериальной суспензии смешивали с 4,5 см³ стерильного физиологического раствора), в объёме 0,1 см³ высевали на 3 чашки Петри. Через 48 часов инкубации при 37 °С число выросших на чашках колоний подсчитывали на счетчике колоний, эквивалентных числовому значению живых бактерий в исходной суспензии.

Сначала было проведено определение максимальных концентраций E.coli, не вызывающих роста на модифицированных мембранах.

Результаты определения максимальных концентраций E.coli, не вызывающих прорастания мембранных модифицированных фильтров представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние концентрации E.coli на рост бактерий на поверхности модифицированных мембран

№ образца	Модификация	Кол-во, КОЕ в 250 мл	Количество колоний на фильтре через 24 часа
2	Поверхностная, наносеребро С= 600 мг/л	448 500	нет роста
		862 500	нет роста
		1 500 000	нет роста
		2 500 000	5 колоний
		5 000 000	15 колоний
		8 625 000	24 колонии
		10 000 000	50 колоний
3	Объемная, наносеребро 1 % от ПА	448 500	нет роста
		862 500	20 колоний
4	Поверхностная 0,8% «Биоформ»	448 500	нет роста
		862 500	нет роста
		1 725 000	нет роста
		2 500 000	нет роста
		3 450 000	1 колония
		5 000 000	10 колоний
		10 000 000	34 колонии

Результаты испытанийпоказали, что мембранные фильтры, поверхностно-модифицированные препаратами серебра, способны сдерживать рост значительных концентраций бактерий. Так, максимальная концентрация E.coliне вызывающая роста бактерий для мембранных фильтров составила:

для фильтра №2 - 1,5 млн. м.к. или в пересчете на площадь фильтра 90,3 тыс. м.к./см²;

№4 – 2,5 млн. м.к. или 210,8 тыс. м.к./см²;

Для дальнейших исследований мы выбрали концентрацию заражаемых бактерий 1·10⁴ КОЕ/см³

Оценка бактерицидных свойств мембран

Полиамидные мембраны, подвергшиеся различным видам модификации минеральными веществами (препаратами и нанопрепаратами серебра), органическими полимерными соединениями (хитозан и ПГМГ), а также химически модифицированные мембраны были испытаны на бактерицидные свойства.

Для оценки бактерицидных и бактериостатических свойств через мембраны фильтровали пробы воды объемом 50 см³ c концентрацией микробных клеток 1x10⁴ КОЕ/см³ E.coli.

Максимальное время наблюдения составляло 14 суток, развитие, рост и количество микроорганизмов учитывали визуально путем подсчета количества выросших на мембране колоний тест-культуры.

Исследовалась возможность химической модификации мембран из полиамида (ПА) с целью иммобилизации в их структуре веществ, обладающих биоцидными свойствами.

Так как поликапроамид имеет два типа функциональных групп, поэтому посредством их может быть проведено химическое присоединение тех или иных соединений. Это - амидная группа и пентаметиленовая цепочка. Замещение или присоединение по амидной группе гораздо более трудоемко.

Некоторый интерес представляет амидолиз амидной связи с образованием более активных карбоксилатной и аминогруппы.

Нами проведен щелочной гидролиз 1N раствором щелочи монолитных пленок из поликапроамида. Изменения оценивали по ИК-спектрам многократного нарушенного полного внутреннего отражения. В ИК-спектрах пленок после обработки щелочью появляются лишь очень низкой интенсивности полосы, относящиеся к колеба­ниям карбоксилатной и аминогрупп, и их интенсивность не возрастает во времени. Причиной малой эффективности такого метода химической обработки полиакапроамида может быть не только его относительная устойчивость к воздействию растворов щелочей, но и деструкция, вымывание из полимера низкомолекулярных фрагментов.

Пентаметиленовая группа инертна к воздействию большинства химических реагентов. Эффективным способом химической модификации соединений, содержащих полиметиленовые цепочки, является прививочная полимеризация, инициируемая ионизирующим излучением (радиационная прививочная полимеризация). Процесс заключается в облучении полимера источником излучения высокой энергии с последующей прививочной полимеризацией соответствующего функционального мономера. В настоящей работе облучение мембраны из поликапроамида проводили на источнике у-излучения ⁶⁰Со. В качестве функционального мономера использовали акриловую кислоту. В результате такой радиационно-химической модификации на поверхности мембраны продуцируются цепи полиакриловой кислоты, ковалентно связанные с макромолекулами поликапроамида.

Полиакриловая кислота (ПАК) - слабый биоцид. Однако карбоксильные группы, имеющиеся в ее структуре, могут выполнять функцию «якорных групп», посредством которых возможна иммобилизация тех или иных функциональных групп, в том числе биоцидных.

Нами в качестве соединений биоцидов применялись, во-первых, поверхностно-активные вещества и полимеры, содержащие четвертичные аммониевые группы, и, во-вторых, нитрат серебра.

В соединениях первого типа биоцидными свойствами обладают четвертичные аммониевые группы. Во втором случае - это ионы серебра. Для связывания этих соединений с полиакриловой кислотой последнюю в обоих случаях переводили в H⁺-форму нейтрализацией карбоксильных групп 1,5 N раствором гидроокиси натрия.

В опытах с использованием поли- N,14, К, 1М-диметилдиаллиламмонийхлорид (ДМДААХ), мембрану вымачивали в течение 5 суток в 2,5 растворе этого соединения.

Полученные результаты, представлены в таблице 2 показывают, что:

Мембраны, поверхностно модифицированные наночастицами серебра и препаратом «Биоформ» обладают бактериостатическими свойствами, то есть после фильтрования суспензии тест-культуры, содержащей 1x10⁴ КОЕ E.coli, сдерживают её рост в пределах 7-10 колоний в течение 14 суток.

Мембраны, поверхностно модифицированные ПГМГ с концентрацией 2 -5%, проявили бактериостатический эффект.

Таблица 2

Оценка бактерицидных свойств модифицированных мембран (тест-культура E. coli, концентрация 1x10⁴ КОЕ/см³)

№ п/п	Модификация	Время наблюдения, сут
		1	2	5	10	14
		Рост на поверхности фильтра, КОЕ
1	Исходная ММК-0,2	сплошн	сплошн	сплошн	сплошн	сплошн
2	Поверхностная, наносеребро, 600 мг/л	отсутств	3,3±0,9	4,3±1,2	9,3±1,4	10,3±2,4
3	Поверхностная, «Биоформ», 0,8 % раствор	отсутств	8,7±1,5	10,3±1,3	10,7±1,3	10,7±1,3
4	Объемная, «Биоформ», 0,5% от ПА	0,5±0,2	10,5±0,5	сплошн.	сплошн.	сплошн.
5	Поверхностная, Биоформ/хитозан 0,4%/0,2% раствор	отсутств.	0,5±0,3	0,5±0,3	0,5±0,3	0,5±0,3
6	Объемная, ПГМГ, 5% от ПА	сплошн.	сплошн.	сплошн.	сплошн.	сплошн.
7	Объемная, ПГМГ, 10% от ПА	15,5±6,0	17,0±2,7	20,3±12,6	сплошн.	сплошн.
8	Поверхностная, ПГМГ, 2% раствор	8,0±2,2	10,3±2,4	10,3±2,4	10,3±2,4	10,3±2,4
9	Поверхностная, ПГМГ, 5% раствор	отсутств.	0,5±0,3	0,7±0,4	0,7±0,4	0,7±0,4
10	Химическая прививка, ПАК+0,5%AgNO3	отсутств.	6,0±2,3	10,0±2,0	12,0±1,8	12,0±1,8
11	Химическая прививка, ПАК+ДМДААХ	15,0±2,9	43,0±2,6	43,0±3,2	43,0±3,2	43,0±3,2

Заключение

Проведенные исследования позволили установить, что метод объемной модификации не позволяет обеспечить достижение бактерицидного или бактериостатического эффекта.

Мембраны, поверхностно модифицированные препаратами серебра, способны сдерживать рост значительных концентраций бактерий. Максимальная концентрация E.coli для мембранного фильтра составила:

№ 2- 1,5 млн. микробных клеток;

№ 3 - 2,5 млн. микробных клеток;

Наилучшими антимикробными свойствами обладали две мембраны:

– поверхностно-модифицированная мембрана раствором смеси хитозана и препаратом «Биоформ»;

- поверхностно-модифицированная мембрана 5 % раствором ПГМГ.

Модифицированные мембраны, сохраняющие бактериостатические свойства в течение 14 суток, могут быть рекомендованы для производства на их основе индивидуальных фильтров, входящих в экипировку служащих МО, МВД и работников МЧС.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (договор №13.G25.31.0022).

Список использованных источников

1. Егорова Е.М., Ревина А.А., Ростовщикова Т.Н., Киселева О.И. // Вестник МГУ Сер.2. Химия. 2001. - Т.42, -№5. -С.332

2. Коновалов В.В., Побегай А.А., Бурбан А.Ф., Брык М.Т. // Мембраны. Критические технологии. 2006. -Т32. -№4. -С.56.

3. Simonetti J.A. // J. Environ Sci. 1984.-Vol.27 (6). -P. 27.

4. Wallhäusser K.H. // Die Pharmazeutische Industrie. 1983.- Vol. 45(5). - P. 527.

Development of the modification method of polyamide microfiltration membranes for the purpose of giving them bactericidal properties.

A.V. Tarasovˡ , Y.A. Fedotov², S.A.Lepeshinˡ, Y.T. Panov², V.A.Tverskoy³, A.V. Vasutinskaya² ˡ

OOO (LLC) Scientific Production Enterprise "Technofilter" ² FSBEI HPO (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education) Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletovs»

³ (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education) Moscow State University of fine chemical technologies named after M.V. Lomonosov»

Key words and phrases: polyamide membrane, modification, bactericidal activity, argentic, chitosan, polyhexamethylene guanidine.

Abstract: the researches of bulk and surface-modified polyamide membranes have been carried out. Argentic specimen and specimen containing multimaster ammonium groups have been used as biocidal agents. Consideration of evaluation results of bactericidal properties of membrane filters started 24 hours after planting and continued during all the tests. It has been established that the bulk modification method does not allow to achieve the bactericidal effect. The surface modification by argentic specimen and polyhexamethylen guanide provides obtaining of bacteriostatic membranes. Two membranes possessed best antimicrobial characteristics: - surface membrane modified with chitosan mixture solution and "Bioform" specimen; - surface membrane modified with 5 % PHMG solution. Modified membranes, preserving bacteriostatic properties within 14 days, may be recommended for production of individual filters on their basis, which are used in the outfit of employees of the defense Ministry, the Ministry of Internal Affairs and the Ministry of Emergency Situations.

Table of symbols: MCM - microporous capronic membrane, phmg - polyhexamethylene guanidine hydrochloride, VFD - vacuum filtration device, CFU - colony-forming units, BEB - beef-extract broth, BEA - beef-extract agar, PA - polyamide, PAA - polyacrylic acid, DMDAC - dimethyldiallylammonium chloride

Reference List:

1. EgorovаЕ.М., RevinаА.А.,Rostovschchikova Т.N., Kiseleva О.I. // Vestnk MGU Ser.2 Chimiya. 2001. - Т.42, -№5. -S.332

2. Konovalov V.V., Pobegay А.А., Bourban А.F.,Bryk М.Т. // Membrani.Krititcheskie technologii. 2006. -Т32. -№4. -S.56.

3. SimonettiJ.A. // J. Environ Sci. 1984.-Vol.27 (6). -P. 27.

4. Wallhoysser K.H. // Die Pharmazeutische Industrie. 1983.- Vol. 45(5). - P. 527.

Код для цитирования: Скопировать