Анализ бактерицидного действия излучения эксимерных и эксиплексных ламп

Сегодня известно большое количество различных факторов, которые полностью подавляют жизнедеятельность биологических систем, вне зависимости от уровня их организации. Если при этом клетка погибает, то говорят об инактивирующем действии, об инактивации биосистемы (биомолекулы или клетки).

Мощным средством инактивации как про- и эукариотических клеток, так и их подсистем − нуклеиновых кислот, энзимов, аминокислот, фосфолипидных мембран и т. д. является УФ излучение. Наиболее эффективным инактивирующим действием обладает УФ излучение в диапазоне длин волн (λ) 205-295 нм. Оно хорошо поглощается как пуриновыми (аденин, гуанин), так и пиримидиновыми (цитозин, тимин, урацил) азотистыми основаниями ДНК, которая, как было доказано,– основная мишень при летальном и мутагенном действиях УФ излучения на биосистемы. Отметим, что в указанном (бактерицидном) диапазоне спектра уровни чувствительности вирусов и клеток различного происхождения к действию УФ излучения могут сильно различаться.

Для обозначения процесса обеззараживания УФ излучением в прикладных дисциплинах используются термины «стерилизация» и «дезинфекция». Стерилизация (от лат. sterilis − бесплодный) предполагает физическое уничтожение всех патогенных и непатогенных микроорганизмов, включая их споры. Дезинфекция же понимается не как результат действий, а как технологический процесс, снижающий число бактерий, в том числе патогенных, вирусов, простейших и спор за счёт их необратимой и полной инактивации.

УФ дезинфекция воды, например, обладает следующими известными достоинствами: 1) высокая эффективность против широкого спектра патогенных микроорганизмов в воде; 2) относительно малые размеры оборудования; 3) отсутствие необходимости в дополнительных химических веществах (безреагентный процесс); 4) относительно малое время обработки воды; 5) отсутствие влияния на вкус и запах чистой воды; 6) минимум образования побочных продуктов, включая токсичные, причём, за редким исключением, после обработки не образуются мутагенные фотопродукты; 7) относительная безопасность и лёгкость эксплуатации (например, не надо транспортировать и хранить цистерны с хлором); 8) лёгкость автоматизации оборудования; 9) возможность внедрения в традиционные системы очистки воды без их существенного переоборудования.

Поэтому не случайно исследования и разработки устройств для УФ дезинфекции различных сред попрежнему актуальны.

В целях получения экономичного источника бактерицидного излучения в 1936-1940 гг. были разработаны увиолевые ртутные лампы НД (РтЛНД) (им соответствуют отечественные лампы серий БУВ и ДРБ), в основном излучающие в линии ртути 253,7 нм. Бактерицидная отдача современных РтЛНД достигает 16-33%.

Кроме того, в качестве бактерицидных используются ртутные лампы ВД (РтЛВД), бактерицидная отдача которых составляет 8-12%.

Общий недостаток всех названных ламп – высокая вероятность разгерметизации колбы, влекущая загрязнение ртутью окружающей среды. Чтобы снизить уровень данной опасности, эти лампы, например, эксплуатируют в пропускающих бактерицидное излучение кожухах, что снижает эффективность и удорожает конструкцию оборудования. Массовое производство РтЛНД и РтЛВД связано с большими расходами на их утилизацию.

В последнее время заметное развитие получают эксимерные и эксиплексные лампы (или эксилампы). Наиболее привлекательными для практических целей являются эксилампы барьерного разряда. Достоинствами этих ламп с практической точки зрения являются:

1) безртутность (эксилампы видимого диапазона спектра на галогенидах ртути HgX* в УФ дезинфекции не применяются);

2) разнообразие конструктивных исполнений;

3) лёгкость зажигания с быстрым выходом на максимальные характеристики после зажигания (питание эксиламп барьерного и ёмкостного разрядов осуществляется импульсами напряжения с амплитудой до нескольких кВ и частотой до нескольких сотен кГц, поэтому эти лампы не нуждаются в специальных стартёрах);

4) в отличие от других УФ и ВУФ ламп большая часть потока излучения эксиламп сосредоточена, соответственно, в УФ или ВУФ диапазонах спектра, в сравнительно узких спектральных зонах полушириной 2-15 нм для ламп с эксиплекснымимолекулами и до 30 нм для ламп с эксимерами инертных газов;

5) объёмная плотность потока излучения (Вт/см³) при этом выше, чем у РтЛНД.

Эксилампа на димерах Xe2* (с максимумом излучения на длине волны (λmax) 172 нм) обеспечивает бактерицидный эффект в контаминированных водных растворах. На первом этапе процесса происходит гомолиз воды ВУФ излучением (H₂O + hv (λ < 190 нм) → H₂O* → H^• + ^•OH + H⁻ + eaq⁻), а на втором – образовавшиеся радикалы ^•OH окисляют микробную органику. Эта же эксилампа может быть использована для бактерицидной обработки воздуха, если учесть, что излучение димеров Xe2* полностью поглощается воздухом с образованием озона.

С другой стороны, спектр излучения эксиламп на галогенидах инертных газов (например, на молекулах KrCl* (λmax = 222 нм), XeBr* (λmax = 282 нм)) практически целиком лежит в бактерицидном диапазоне, что ставит вопрос о возможности их использования в качестве средства УФ дезинфекции. Их излучение поглощается водными и воздушными средами относительно слабо.

Вероятно, впервые бактерицидное действие излучений ВУФ и УФ эксиламп исследовали Т. Оппенлэндер и Г. Баум. Они использовали две эксилампы: на молекулах Xe2* и KrCl*. За последующие десять лет было доказано бактерицидное действие излучения эксиламп на молекулах XeBr* (λmax = 282 нм) XeCl* (λmax = 308 нм), и некоторые соответствующие решения запатентованы.

Далее методические указания по применению УФ излучения МУ 2.3.975-00 ориентированы на первый максимум поглощения ДНК (на λ = 265 нм). Однако и более коротковолновое УФ излучение, вплоть до ВУФ диапазона λ, тоже может вызывать инактивацию.

Как видно из рис. 1, спектры инактивирующего действия УФ излучения на Escherichia сoli (кишечная палочка) и поглощения ДНК во многом конгруэнтны. Это означает, что инактивирующее действие излучения на Escherichia сoli, прежде всего, вызвано процессами димеризации оснований ДНК. Поэтому, в принципе, наибольшим инактивирующим эффектом должен обладать источник излучения с относительным спектром, близким к относительному спектру поглощения ДНК.

Рис. 1. Спектр инактивирующего действия УФ излучения на Escherichia сoli (1), общий спектр поглощения ДНК (2) и соответствующие положения максимумов излучения (λmax) эксиламп с различными рабочими молекулами и ртутной лампы НД (РТЛНД)

 
При этом можно было предположить, что эксилампы на молекулах XeBr*, KrCl* и KrBr* могут обладать бактерицидным действием, близким к действию РтЛНД. Это предположение нуждалось в экспериментальной проверке, которая бы учитывала и то обстоятельство (видимо, положительное), что спектры излучения эксиламп – нелинейчатые.

При этом, в частности, бактерицидное действие излучения XeBr эксилампы обусловлено его спектром, имеющим коротковолновый «хвост» в диапазоне λ = 260-282 нм, который перекрывает половину правого пика спектра поглощения ДНК. Из рис. 2 видно, что максимум интенсивности B-X полосы молекулы XeBr* (λmax = 282 нм) лежит примерно на том же расстоянии от максимума спектра рассматриваемого инактивирующего действия, что и линия ртути 253,7 нм (Δλ1 ≈ Δλ2). С учётом указанного «хвоста» это позволяло надеяться на то, что обе данные лампы обладают достаточно близким бактерицидным эффектом, и мы выполнили их соответствующее сравнение (работы, где бы это было сделано ранее, нам не известны).

Рис. 2. Важные спектральные характеристики: 1 − спектр действия излучения на Escherichia сoli; 2 − общий спектр поглощения ДНК, 3 − спектр излучения XeBr эксилампы барьерного разряда; 4 − линия ртути 253,7 нм ртутной лампы НД

 
При этом использовались облучатели модели BD_P с эксилампами на различных рабочих молекулах (созданные в лаборатории оптических излучений Института сильноточной электроники СО РАН, Россия).

Облучатель с XeBr эксилампой обеспечивал облучённость на рабочей поверхности до 10 мВт/см², имел относительный спектр излучения, показанный на рис. 2 и бактерицидную отдачу 8,7%. В качестве сравниваемой РтЛНД использовалась лампа TUV-15 (фирма Philips) c бактерицидной отдачей 27%. Последняя закрывалась диафрагмой с тем, чтобы обеспечивались одинаковые облучённости от обоих объектов сравнения (соответственно, в B-X полосе молекулы XeBr* и в линии ртути 253,7 нм) и дозы облучения. Спектры излучения регистрировались посредством аппаратного комплекса, состоявшего из двух спектрометров HR4000 (фирма Ocean Optics B.V.), перекрывающих диапазон λ = 200-350 нм. Облучённость определялась прибором С8026 (фирма Hamamatsu Photonics KK) c приёмной головкой H8025-222, предназначенным для измерений в диапазоне λ = 160-350 нм. Далее, с учётом спектральной чувствительности прибора и спектра излучения рассчитывались поток излучения и доза облучения. В экспериментах учитывали и то, что XeBr эксилампа практически сразу после зажигания выходит на максимальные характеристики, а РтЛНД для этого требовалось 2,5 мин.

Объектом облучения служила тест-культура Escherichia coli (штамм ATCC 25922), полученная из музея бактериальных культур ГиСК МИБП им. Л.А. Тарасевича (Москва). Она проявляет самую низкую чувствительность среди энтеробактерий к разного рода воздействиям и потому считается важным тест-объектом для оценки санитарно-эпидемиологического состояния окружающей среды.

Эти эксперименты подтвердили справедливость нашего предположения: оба источника излучения обеспечивают практически одинаковый бактерицидный эффект (рис. 3).

Рис. 3. Инактивация Escherichia coli различными дозами УФ излучений (Hs) XeBr эксилампы (■) и ртутной лампы НД (РТЛНД) (●)

 
Кроме того, нами было проведено сравнение бактерицидного действия излучения нескольких эксиламп на молекулах XeBr* (λmax = 282 нм), KrCl* (λmax = 222 нм) и на многокомпонентной смеси с рабочими молекулами KrCl* и KrBr* (λmax = 206 нм). Спектры излучения этих эксиламп приведены на рис. 2 и 4.

Рис. 4. Относительные спектры излучения KrCl и KrCl_KrBr эксиламп барьерного разряда

 
При этом облучались различные культуры: эталонные штаммы Escherichia coli (штамм ATCC 25923), Staphylococcus aureus (штамм 25923) и микроорганизмы, выделенные с кожи человека, идентифицированные нами как представители р. Sarcina, р. Pseudomonas и р. Bacillus.

Таблица.
Экспериментальные значения поверхностной дозы облучения микроорганизмов, обеспечивающие бактерицидную эффективность 99,9% (HS), при облучения эксилампами с различными рабочими молекулами

 
Анализ полученных результатов (табл.) показывает, что:

• во-первых, эксилампы обеспечивают указанную бактерицидную эффективность при поверхностных дозах, сопоставимых с дозами РтЛНД, принимая во внимание данные;

• во-вторых, бактерицидная эффективность эксиламп убывает в следующем порядке: XeBr (λmax = 282 нм) > KrCl_KrBr (λmax = 222 и 206 нм) > KrCl (λmax = 222 нм). KrCl и KrCl_KrBr эксилампы менее эффективны, чем XeBr эксилампа, возможно, из-за того, что относительно более коротковолновое излучение намного активнее поглощается липидными оболочками микроорганизмов, что снижает вероятность инактивации ДНК. То, что KrCl_KrBr эксилампа эффективнее KrCl эксилампы, можно объяснить наличием B-X полосы молекулы KrBr* в её спектре (рис. 4), которая поглощается ДНК сильнее, чем излучение на λ = 222 нм (рис. 1).

Таким образом:

1. В сравнении с традиционными РтЛНД эксилампы: позволяют шире варьировать форму и размеры колбы (соответственно, давая больше возможностей в создании бактерицидных облучателей); безртутны (т. е. не требует выполнения столь жёстких требований по рециклированию, которые характерны для РтЛНД); малоинерционны (практически сразу после зажигания выходят на максимальные характеристики).

Кроме того, линейчатый спектр РтЛНД не создаёт достаточного количества нарушений в ДНК. Поэтому инактивированная ДНК способна к восстановлению до рабочего состояния по окончании облучения РтЛНД, например, под воздействием излучения солнца или в темноте. Этот эффект − фотореактивация ДНК − долгое время не учитывался при конструировании бактерицидных облучателей, что особенно актуально для систем УФ дезинфекции, предназначенных для обработки воды в замкнутых объемах (бассейны, замкнутые циклы водоподготовки на предприятиях). В этом случае реактивировавшие микроорганизмы приобретают дополнительную резистентность к излучению РтЛНД на λ = 253,7 нм. При этом показано, что широкополосное излучение KrCl эксилампы, хоть и обеспечивает меньшую бактерицидную эффективность, чем РтЛНД, при одинаковых дозах облучения (что подтверждается нашими данными), но дают заметно меньшую долю фотореактивированных микроорганизмов. Эффект связан с тем, что широкая полоса УФ излучения обеспечивает большее число необратимых повреждений ДНК, чем линейчатое излучение РтЛНД.

2. Некоторое время назад в качестве альтернативы РтЛНД, по очевидной причине, рассматривалась эксилампа на молекуле XeI* (λmax = 253 нм). Но как показали последующие проверки (включая наши), эта лампа существенно уступает XeBr эксилампе, бактерицидная отдача которой достигает 8,5%. К тому же излучение XeBr эксилампы, как более длинноволновое, обладает большей проникающей способностью, чем излучение XeI эксилампы, и, следовательно, пригодно для обработки относительно больших объемов воздуха в помещениях, растворов и др.

3. РтЛВД и импульсные лампы на инертных газах имеют широкополосные спектры излучения с уширенными линиями и значительным фоном, что по сравнению с РтЛНД, значительно увеличивает вероятность инактивации микроорганизмов, обладающих разнообразными спектральными характеристиками. Кроме того, широкополосное УФ излучение в случае сильных бактериальных заражений воздуха, поверхностей или жидкостей в среднем характеризуется большой глубиной проникновения.

Однако получение широкополосного спектра, например, снижает бактерицидную отдачу импульсных ламп. К тому же питание их осуществляется от источников напряжения в десятки кВ и иногда имеет сложные схемы включения. Первое делает их использование небезопасным, а второе увеличивает стоимость облучательных установок с ними.

Итак, результаты исследования бактерицидного действия эксиламп и сравнение их в этом отношении с другими лампами, применяемыми для УФ дезинфекции, свидетельствуют, что их использование повышает эффективность обеззараживания поверхностей и различных сред.