Биосистемы

О.В. Смирнов, С.В. Воробьева

Тюменский центр Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности

Электрокинетические свойства биосистем используются для получения безопасной обеззараженной воды. Обеззараживание – один из наиболее важных процессов приготовления питьевой воды. Известно, что потребляемая человеком вода часто является причиной желудочно-кишечных заболеваний и других заболеваний.

На основании анализа литературных материалов выделяются следующие методы обеззараживания воды, связанные с электричеством:

электрохимические, использующие электроэнергию для получения бактерицидного или нейтрального агента, озонирование, обработка ионами серебра, электролиз, электрофлотация;

методы электрообработки на основе силового взаимодействия поляризованных или обладающих жестким диполем бактериальных тел- электрофорез, электрокоагуляция, электрический разряд, обработка ультракороткими волнами тока.

При обработке воды каждым из указанных методов изменяются агрегативная и седиментационная устойчивости биодисперсий. Следовательно, теоретическая трактовка механизма обеззараживания вод, связанного с разделением фаз, а также технологические и аппаратурные решения могут быть выполнены, исходя из основных положений теории коллоидно-дисперсных систем и их устойчивости.

Известно, что недостаточная очистка исходной воды отрицательно сказывается на бактерицидном действии применяемых обеззараживающих агентов и в конечном счете на качестве получаемой воды. Хотя в процессе коагулирования бактерии и вирусы не гибнут, но они инактивируются за счет осаждения (например, в фильтре) и последующего удаления сконцентрированной фазы. Так, коагулирование и удаление коллоидных и менее дисперсных включений из речной воды понижает общее содержание вирусов в ней на 98% от исходного. Имеются также указания на достаточно полную инактивацию вирусов полиомиелита и гепатита при реагентной обработке воды.

Таким образом, учитывая, что по своей величине бактерии соответствуют коллоидным частицам и входят в состав более крупных образований, сорбируясь на частицах и агрегатах, для их удаления приемлемы адгезия, адсорбция, коагуляция и флокуляция. Экспериментально подтверждено, что отделение частиц коагулянта и взвесей от воды обеспечивает значительно большую бактериальную безопасность, чем хлорирование, озонирование или ультрафиолетовое облучение, которое эффективно при условии бесцветной и абсолютно прозрачной воды.

Нерастворимые в воде примеси с величиной частиц 10^-5 – 10^-4 см и более обуславливают мутность воды, а в некоторых случаях ее цветность. Эти частицы могут представлять собой ил, планктон, в них возможно присутствие болезнетворных бактерий, споровых микроорганизмов и вирусов, и, наконец, они иногда токсичны. Полнота удаления этих примесей из воды непосредственно зависит от степени осветления последней. К таким примесям со степенью дисперсности 10^-6 – 10^-5 см также могут быть отнесены болезнетворные (патогенные) микроорганизмы, вирусы и другие организмы, которые по своим размерам приближаются к коллоидным частицам.

Устойчивость частиц во многом зависит и от электрического заряда, который обуславливает целый ряд свойств микроорганизмов, например, их электрофоретическую подвижность, устойчивость биосуспензии, склонность к спонтанной агглютинации и некоторые другие особенности, вплоть до различий в вирулентности. Существует аналогия между электрическим зарядом белковых молекул и бактериальных клеток. Белки входящие в состав бактериальной клетки, обуславливают ряд ее особенностей, свойственных белковым частицам. Бактериальная клетка ведет себя, как амфотерный элетролит благодаря большому количеству аминокислот, входящих в состав ее бактериального белка. Поэтому диссоциация определенных групп в белковой структуре позволяет каждой белковой частице проявить себя в качестве кислоты и в качестве основания.

При диссоциации карбоксильной группы происходит образование ионов водорода, вследствие чего белок приобретает слабо кислый характер и в электрическом поле будет двигаться к аноду. В свою очередь, аминогруппа (- Н₂ ), присоединяя протоны, придает белку щелочной характер и тем самым обуславливает передвижение микроба к катоду.

В воде протоны растворенного белка присоединяются к аминогруппам, таким образом частицы находятся в ионизированой форме, несущей одновременно положительный и отрицательный заряды.

В электрическом поле эти частицы электрически нейтральны и не передвигаются ни к аноду, ни к катоду. Это явление имеет место в нейтральной среде. При изменении рН среды значительно изменяется величина электрического заряда. То значение рН, при котором белковая частица ведет себя как амфиион и остается неподвижной в электрическом поле вследствие того, что потенциал ее равен 0, называется изоэлектрической точкой.

Микромолекулы, расположенные на поверхности клеточной стенки (или капсулы) микроорганизма, содержат заряженные группы, в результате чего этот организм имеет поверхностный заряд. Поверхность большинства микробных клеток заряжена отрицательно, так как среди клеточных компонентов, образующих эту поверхность, присутствуют соединения, изоэлектрическая точка которых лежит в кислой зоне (рН = 7). За небольшим исключением отдельные организмы не поляризованы, так как заряд распределяется равномерно по всей поверхности клетки.

Электрофоретиче