Использование метода фотокатализа для очистки воздуха от загрязнителей бактериальной и вирусной природы

Несмотря на бурное развитие молекулярной биологии, фармакологии, медицины, создание невероятного числа лекарственных средств нового поколения, аллергические, бактериальные и вирусные заболевания занимают сегодня лидирующее положение в мире. Согласно Программе ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) на ближайшие 10 лет, борьба с ними является приоритетным направлением всемирного здравоохранения.

Одним из основных источников заражений человека сегодня принято считать закрытые помещения учреждений. По этому поводу недавно в Швеции был принят норматив для закрытых помещений, согласно которому на каждого шведа должно приходиться по 25 м³ воздуха. При уменьшении этой величины возрастает вероятность переноса инфекционных заболеваний.

В России для обеззараживания воздуха помещений в основном применяются ультрафиолетовые бактерицидные облучатели, снабжённые ртутной или ксеноновой лампой с излучением в спектральном диапазоне 205–315 нм. Согласно правилам использования этих приборов, обеззараживание воздуха помещений ультрафиолетовым излучателем должно производиться строго в отсутствии людей и при наличии приточно-вытяжной вентиляции, так как при работе ультрафиолетовых излучателей выделяется озон, а также происходит образование паров ртути (для ртутных ламп), вредных для человека.

Механизм антимикробного действия ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 205–315 нм (жёсткое УФ-С-излучение) связан с деструктивно модифицирующим фотохимическим повреждением ДНК в клеточном ядре микроорганизма, что приводит к гибели клетки. Точно такое же действие жёсткий ультрафиолет оказывает и на ДНК клеток организма человека, провоцируя в них процессы изменений, которые могут привести к злокачественным новообразованиям. Таким образом, использование бактерицидных ультрафиолетовых излучателей в помещениях небезопасно для человека.

В последние годы в качестве перспективного метода обеззараживания воды, воздуха и поверхностей от бактериальных, вирусных и грибковых заражений предлагается практическое использование фотокаталитических способов с использованием оксида титана в качестве катализатора. Данный метод имеет ряд перспективных преимуществ по эффективности действия и экономической целесообразности.

В 1985 году японским учёным Matsunaga была опубликована работа, в которой впервые было показано, что клетки микроорганизмов могут быть разрушены в водной среде при контакте с TiO₂ под действием ультрафиолетового света в течение 60–120 минут.

Чуть позже та же группа учёных сконструировала устройство, работающее на принципе фотокатализа с использованием ацетилцеллюлозы с нанесённым оксидом титана. Было доказано, что при пропускании суспензии микроорганизмов E. coli через данное устройство все микроорганизмы были уничтожены, а приборы зарегистрировали образование газообразного CO₂ и воды в количествах, соответствующих биомассе микроорганизмов. На основании данного эксперимента было сделано заключение, что произошло разложение микроорганизмов с образованием безвредных продуктов окисления клеток.

Феномен, обнаруженный японскими учёными, открыл абсолютно новое направление для стерилизации и разработки новой технологии для обеззараживания питьевой воды и уничтожения биоаэрозолей патогенных микроорганизмов из воздуха помещений.

В дальнейшем были проведены исследования применения фотокаталитического разложения с использованием TiO₂ для уничтожения опухолевых клеток, различных вирусов, грибков и дрожжевых микроорганизмов. Полученные результаты представляют интерес для медицинских целей, т. к. широкое использование антибиотиков привело к развитию устойчивости бактериальных микроорганизмов к действию лекарственных препаратов.

Механизм разрушения бактерий, вирусов, биологических аллергенов различен в зависимости от структуры и компонентного состава клеток, однако экспериментально показано, что все они разрушаются под действием ультрафиолетового света с длиной волны 315–400 нм.

Чуть ниже приведены классы микроорганизмов и некоторые их популяции, поведение которых изучалось в условиях фотокатализа с использованием TiO₂ в качестве фотокатализатора:

С момента опубликования данных экспериментальных исследований, доказывающих, что на поверхностях, покрытых диоксидом титана, при облучении УФ светом происходит полное разложение живых микроорганизмов (бактерии, вирусы, грибы), интерес к данным работам достаточно быстро сконцентрировался в области практического использования данного феномена для дезинфекции воздуха помещений. Особенно привлекает тот факт, что при фотокаталитическом способе обеззараживания процесс уничтожения бактериальных и вирусных клеток представляет собой окисление углерода живых клеток до двуокиси углерода. При этом, в отличие от всех остальных методов, не происходит накопления биомассы убитых микроорганизмов на поверхностях, и, следовательно, не требуется использования дополнительных средств их утилизации.

Болезнетворные бактерии, вирусы и грибковые микроорганизмы, присутствующие в атмосфере помещений, принято называть биоаэрозолями. Более 60 видов бактерий, вирусов и грибковых микроорганизмов официально определены как инфекционные патогены воздуха помещений, способные попадать в организм человека и вызывать ряд опасных заболеваний. Среди заболеваний, передающихся через биоаэрозоли помещений, можно назвать такие, как туберкулёз, грипп, ОРВИ, пневмония, оспа, корь и др.

Кроме того, биоаэрозоли являются источниками различных аллергенов, провоцирующих нарушение процесса метаболизма живого организма, респираторные заболевания и одно из тяжелейших заболеваний сегодняшнего дня — астму, заболевание, которое практически не поддаётся лечению современными препаратами.

Фотокаталитическое разложение биоаэрозолей происходит в 3 стадии:

Использование данного феномена имеет достаточно широкую область применения, но в настоящее время особенно привлекательно для очистки воздуха клинических помещений, особенно хирургических блоков, операционных и других помещений, требующих высокого уровня стерильности. Также применение данного метода обеззараживания воздуха сможет снизить риск распространения патогенов в инфекционных больницах и противотуберкулёзных диспансерах.