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

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 25м3 воздуха. При уменьшении этой величины возрастает вероятность переноса инфекционных заболеваний. 

Кроме угрозы заражения инфекционными заболеваниями, существует много других обстоятельств, когда необходимо или желательно удалить, уничтожить микроорганизмы, обнаруженные в воде, воздухе или биологических объектах. Дезинфекция воды, особенно в современных условиях, требуется практически всегда, наряду с  контролем и обеззараживанием продуктов питания. Особые требования предъявляются к чистоте воздуха в медицинских помещениях (особенно в операционных, манипуляционных и перевязочных), при производстве медицинского оборудования, медицинских препаратов на основе современных биотехнологий, требующих соблюдения высоких стандартов чистоты помещений, в специальных питомниках для выращивания экспериментальных животных и растений, чувствительных к инфекционным агентам и т.п.  Достаточно распространены случаи, когда необходимо уничтожение или дезактивация патогенных бактерий, вирусов, протозойных микроорганизмов или грибковых загрязнителей воздуха, поверхностей или водных растворов. В настоящее время широко распространены такие методы как: хлорирование, озонирование, использование бактерицидных ламп и т.д. для дезинфекции воздуха. Для стерилизации различной посуды и инструментов используют высокую температуру, помещая предметы в жаровые шкафы. Но все эти методы имеют недостатки: либо высокую стоимость, либо невозможность применения рядом с людьми, либо низкую спецификацию, действие только на один класс микроорганизмов.

В России для обеззараживания воздуха помещений в основном применяются ультрафиолетовые бактерицидные излучатели, снабженные ртутной или ксеноновой лампой с излучением в спектральном диапазоне 205-315 нм. Правила использования и характеристики антимикробного действия излучателей отражены в специальном Руководстве Государственной системы санитарно-эпидемиологического нормирования РФ. Согласно требованиям данного руководства обеззараживание воздуха помещений ультрафиолетовым излучателем должно производится строго в отсутствии людей и при наличии приточно-вытяжной вентиляции. При работе ультрафиолетовых излучателей генерируется образование озона, происходит образование паров ртути (для ртутных ламп) вредных для человека. Механизм антимикробного действия ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 205-315 нм (жесткое излучение) связан с деструктивно - модифицирующим фотохимическим повреждением ДНК в клеточном ядре микроорганизма, что приводит к гибели клетки. Точно такое же действие жесткий ультрафиолет оказывает и на ДНК клеток организма человека, провоцируя в них процессы изменений, которые могут привести к злокачественным новообразованиям. Сегодня это общеизвестный факт, что развитие опухолевого процесса начинается с повреждений ДНК клетки.

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.

Из данных по действию различных дезинфицирующих методов, приведенных в  табл. 3 , можно заключить, что фотокаталитический способ обеззараживания объединяет практически все существующие на сегодняшний день методы.

Таблица 3 - Бактерицидное действие  различных дезинфицирующих методов

В 1985 году японским ученым 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 c в течение 60-120 минут. Чуть позже та же группа ученых сконструировала устройство, работающее на принципе фотокатализа с использованием ацетилцелюллозы с нанесенным оксидом титана , и было доказано, что при пропускании суспензии микроорганизмов E.coli через данное устройство все микроорганизмы были уничтожены,  а приборы зарегистрировали образование газообразного СО2 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 учеными 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 ТiO2  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 и разработка альтернативной  технологии борьбы с инфекциями и стерилизацией остро необходима в современных условиях. 

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 400-315 нм.

В табл. 4  приведены  классы микроорганизмов и некоторые их популяции, поведение которых изучалось в условиях фотокатализа с использованием TiO2  в качестве фотокатализатора 

Таблица 4 - Действие условий фотокатализа на различные классы микроорганизмов

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 помещений. Особенно привлекает тот факт, что при  фотокаталическом способе дезинфекции помещений 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 патогенны воздуха помещений, способные попадать в организм человека и вызывать ряд опасных заболеваний. Среди заболеваний, передающихся через биоаэрозоли помещений, можно назвать такие как туберкулез, грипп, ОРВИ, пневмония, менингит, дифтерия, оспа 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 поддается лечению современными препаратами.

Фотокаталитическое разложение биоаэрозолей происходит в 3 стадии:

1. Биоарозоли, содержащие микроорганизмы сначала адсорбируются и иммобилизуются  на поверхности фотокатализатора (ТiO2);
2. Под действием УФ-света происходит их гибель на поверхности фотокатализатора;
3. Окислительное разложение или минерализация до СО2 и Н2О.

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. Кроме того, широкое распространение полирезистентных форм туберкулеза среди населения всего мира, включая социально благополучные его слои (ранее считалось, что туберкулезом болеет только социально неблагополучная часть населения) , требует незамедлительного решения данной проблемы.

Уже сегодня в ряде стран, где явление фотокатализа изучается особенно интенсивно, интерес к фотокаталитизаторам проявляют фирмы, разрабатывающие новые материалы для строительства и рассматриваются варианты создания строительных материалов и пленок для покрытия стен, потолков и полов помещений медицинского профиля и производственных помещений предприятий микробиологического направления работ, где риск присутствия патогенов в воздухе особенно велик. В ряде клиник Японии уже сегодня стены помещений операционных, манипуляционных блоков сделаны из материалов с покрытием на основе оксида титана и ультрафиолетовой подсветкой.

В то же время, несмотря на достаточно интенсивные исследования в области  фотокаталитического разложения микроорганизмов и широкий спектр видов бактерий , вирусов, опухолевых клеток, изученных  в фотохимических экспериментах и биологических тестах,  анализ литературы показал отсутствие зарубежных публикаций  по изучению влияния условий фотокатализа на поведение микобактерий туберкулеза , одного из опаснейших и широко распространенных заболеваний сегодняшних дней, которому придан статус эпидемии.  В России исследования в этом направлении были начаты  2 года назад по заказу Информационно-технологического института (г. Москва ) и Института катализа СО РАН (г. Новосибирск) на базе Туберкулезного диспансера г. Новосибирска.

Заболеваемость туберкулезом среди населения и пути его распространения

Через шесть лет после того, как международные организации объявили о кризисе борьбы с туберкулезом в мировом масштабе, распространение опасного штамма вышло из-под  контроля. Исследование, спонсированное известным миллиардером Джорджем Соросом, выявило резистентный туберкулез более чем в 100 странах.

«Быстрое распространение полирезидентного туберкулеза – это крупномасштабная катастрофа для здравоохранения, - наше собственное творение. Если больные прерывают лечение или принимают препараты в недостаточных дозах, у них появляется лекарственная устойчивость, а затем они начинают заражать окружающих резидентными штаммами бактерий».

Опасные штаммы резистентного туберкулеза быстро распространяются и угрожают выйти из под контроля – об этом сообщается в книге «Полирезистентный туберкулез: угроза человечеству»,  выпущенной сегодня Гарвардской медицинской школой  в соответствии с программой по инфекционным болезням и социальным изменениям.

ВОЗ впервые подняла тревогу по поводу туберкулеза шесть лет назад, назвав «всемирным бедствием» эту инфекцию, передаваемую воздушно-капельным путем. Однако при всё большем распространении резидентных штаммов, эпидемия начала развиваться по новому, страшному сценарию.

Во многих странах распространенность полирезистентного туберкулеза (ПРТБ) достигла небывало высоких уровней. Хотя туберкулез, в том числе и его полирезистентная форма, как правило, считалась проблемой исключительно бедных стран, появились документальные свидетельства, что ПРТБ добрался до Западной Европы и Северной Америки.

Чтобы справиться с этим бедствием, необходимы экстренные меры и огромные капиталовложения.

В России после длительного и медленного снижения заболеваемости туберкулезом, началось резкое ухудшение эпидемиологической ситуации. За период с 1991 г. по 1996 гг. заболеваемость всеми формами активного туберкулеза выросла в полтора раза и составила в 1996 г. 52.8 человек на 100 тыс. населения. Заболеваемость туберкулезом легких за этот период увеличилась на 60 %.

Таким образом, заболевание туберкулезом, пути и методы борьбы с его распространением, защитой  населения и выбор средств лечения являются сегодня задачей мирового масштаба рис 2.

Рис. 2 - Динамика роста заболеваемости туберкулезом в России

Одним из предлагаемых методов борьбы с распространением туберкулеза от больных людей, находящихся в стационарах, диспансерах, тюрьмах (где, кстати, очень велик риск и высок процент заболеваемости), является применение фотокаталитических воздухоочистителей для дезинфекции помещений.

Сегодня для этих целей используются только бактерицидные УФ ртутные лампы, однако их применение возможно только в условиях отсутствия людей в помещениях, т.к.  жесткое УФ-облучение, само по себе является опасным для человека, а также происходит выделение озона.