Саввова О.В.

Применение катионов серебра и меди при получении биоцидных стеклоэмалевых покрытий

Введение. На сегодняшний день одной из глобальных задач современности является решение проблем экологической безопасности общества. Пренебрежительное отношение к окружающей среде в условиях интенсивного развития производства может привести к трагическим последствиям, связанным с возникновением экологически опасных факторов, в том числе бактериологических и биогенных [1]. Так, по данным Associated Press, ссылаясь на данные, которые приводит Институт им. Роберта Коха (ФРГ), массовое заражение кишечной палочкой в 2011 году в Германии привело к летальному исходу 46 человек и повлекло за собой значительные финансовые убытки агропромышленных компаний. 

В связи с этим большое внимание уделяется созданию и использованию в различных отраслях промышленности и в быту биоцидных материалов на основе пластмасс, специальных стекол, композиционных, металлических, полимерных, стеклокерамических материалов и стеклоэмалевых покрытий [2]. Эффективность и перспективность использования именно стеклоэмалевых покрытий как антибактериальных обусловлена их существенными преимуществами по сравнению с другими материалами в отношении стойкости к действию одного из наиболее распространенных условно-патогенных микроорганизмов Escherichia coli [3]. Несмотря на актуальность получения и использования подобных покрытий и наличие развитой эмалировочной отрасли, в странах СНГ не проводятся широкомасштабные исследования в данном направлении.

В качестве наиболее часто применяемых биоцидных компонентов используются катионы серебра, меди и других металлов, для которых концентрация воздействия на большинство патогенных микроорганизмов находится в пределах ДКМ для человека.

По степени воздействия на организм человека медь относятся к 3 классу - веществам умеренно опасным, ДКМ этого метала составляют 1,0 мг/л [4, 5]. При концентрации меди 0,1 мг/л снижается количество водных микроорганизмов в два раза. При использовании серебра необходимо учитывать, что данный металл, относящийся ко 2 классу опасности, характеризуется высокой миграционной способностью, его ДКМ составляет 0,05 мг/л [6]. При концентрации 0,01 мг/л, применяемой для стерилизации воды, серебро не оказывает на людей токсического действия. При концентрации 0,04 мг/л оказывает токсическое действие на кишечную палочку.

Целью настоящей работы, связанной с созданием биоцидных стеклоэмалевых покрытий, явился синтез указанных покрытий, стойких по отношению к условно-патогенным бактериям Escherichia coli, Pseudomonas aeruginos и микроскопическим грибам Aspergillus niger, Саndida albicans.

Методологический подход, использованный при синтезе биоцидных стеклопокрытий, предусматривал разработку комплексной оценки физико-химических свойств, эксплуатационных характеристик и структуры стеклоэмалей с применением стандартных методов [7], а также антибактериальных и фунгицидных показателей полученных покрытий.

Эти свойства определяли следующими методами с использованием плотных и жидких сред:

1-й метод – диффузионный (качественный), который основан на исследовании образования зоны задержки роста тест-микроба вокруг тест-образца с использованием плотных агаризированных питательных сред [8, 9];

2-й метод – количественный, который основан на учёте уровня роста биотестовых микроорганизмов, инокулированных в жидкие питательные среды, при наличии тест-образцов и без них [10].

Стандартизацию инокулята проводили прямым счётом в камере Горяева , кл/мл либо турбидиметрическим методом на фотоэлектрическом колориметре КФК-2 по оптической плотности.

С целью получения биоцидных стеклокристаллических покрытий в качестве олигодинамических компонентов нами были выбраны Cu²⁺ и Ag⁺.

Получение стеклокомпозиционных покрытий

Бактерицидный катион Cu²⁺ был введен в стеклоэмаль в виде нанопорошка фосфата меди, который был синтезирован методом химического осаждения, с размером частиц порядка 100 нм. Для введения Ag⁺ в шликер использовали раствор AgNO_3.

Полученный нанопорошок был добавлен при мокром помоле к покровной титансодержащей фритте ЭСП-117, применяемой в качестве покрытия на посуду, в количестве 1 – 5 мас. частей на 100 мас. частей стекла. Раствор AgNO₃ вводили в шликер в количестве 0,1 мас. частей на 100 мас. частей стекла. Шликер наносили на образцы малоуглеродистой стали толщиной 0,7 мм с последующей сушкой и обжигом покрытий при температуре 820 ºС.

На основе стекла ЭСП-117 и биоцидных порошков AgNO₃ и Cu₃(PO₄₎₂ были получены стеклокомпозиционные покрытия с маркировкой соответственно СКП-1, СКП-2 [11].

Исследование биоцидных свойств стеклокомпозиционных покрытий

Изучение ингибирующих свойств исследуемых стеклокомпозиционных покрытий и, для сравнения, инокулянта К_{культуры} и контрольного покрытия ЭСП-117, не содержащее катионов бактерицидных металлов Сu²⁺ и Ag⁺, показало, что проявление их биоцидных свойств на плотных, в жидких и газообразных средах различны.

С использованием диффузионного метода по шкале оценки биоцидного действия материалов было установлено, что стеклокомпозиционные покрытия с добавками 0,1 мас. частей азотнокислого серебра и 5 мас. частей фосфата меди проявляли биоцидное действие только по отношению к бактериям Pseudomonas aeruginosa и микроскопическим грибам Саndida albicans.

Так, при осмотре чашек Петри, засеянных культурой Pseudomonas aeruginosa и Саndida albicans с концентрацией 10⁷ клеток / см³, отмечена зона ингибирования вокруг образца СКП-1. Диаметр зоны ингибирования составил так же около 14 мм по [8] или около 4 мм по [9]. При меньшей концентрации инокулята культуры Саndida albicans 10⁵ клеток / см³ вокруг образца СКП-1 и СКП-2 визуально наблюдалось уменьшение плотности роста микроорганизмов. Эти данные свидетельствуют о значительной миграционной способности катионов Ag⁺ в плотные питательные среды.

На агаровых пластинах всех чашек Петри, засеянных культурами микроорганизмов Escherichia coli и Aspergillus niger, наблюдался сплошной «газонный» рост колоний микроорганизмов по всей поверхности пластин, включая пространство вокруг всех испытываемых образцов стеклокомпозиционных покрытий.

Испытание стеклокомпозиционных покрытий на фунгицидную активность количественным методом в жидких средах показало, что составы СКП-1 и СКП-2 характеризовлись фунгицидными свойствами.

Установлено, что в чашках, засеянных культурой Escherichia coli, на поверхности мясопептонного агара наблюдался сплошной рост колоний микроорганизмов. На агаровой пластинке в чашке Петри, в питательной среде культуры Pseudomonas aeruginosa, без стеклокомпозиционных покрытий наблюдался также сплошной рост колоний, занимавший около 100 % поверхности; в пробах с ЭСП-117 этот показатель составлял – 99 %, а в пробах с СКП-2 и СКП-1 показатель составлял соответственно 70 и 85 %, что свидетельствует о недостаточном бактерицидном эффекте [10].

Контроль роста грибной микрофлоры количественным методом проводили через 7 и через 14 суток с момента инокуляции с учетом оптической плотности D и концентрации клеток C в кл/см³. Свойство фунгицидности тест-образцов проверяли, как по отношению к вегетативным формам грибов (активное состояние организма), так и к их спорам (покоящееся состояние организма).

Так, через семь суток экспозиции концентрация вегетативных клеток гриба Aspergillus niger в питательной среде культуры без стеклокомпозиционных покрытий (К_{культуры} ) увеличилась почти в 20 раз (табл. 1.). За тот же период концентрация клеток в случае контрольного стеклопокрытия ЭСП-117 увеличилась в 19 раз, в варианте СКП-2 – в 18 раз, тогда как состав СКП-1 проявил очень интенсивное ингибирующее воздействие на вегетативные клетки и споры грибов Aspergillus niger, концентрация которых увеличилась всего лишь в 1,3 раза. Через 14 суток экспозиции концентрация вегетативных клеток гриба Aspergillus niger, в контрольной пробе возросла по сравнению с инокулятом почти в 50 раз, в пробах с ЭСП-117 и СКП-2 – в 44 раза, а в вариантах СКП-1 – около 5 раз.

Таблица 1.1 – Контроль роста вегетативных клеток и спор гриба Aspergillus niger при контакте с тест-покрытиями

Тест-образец

Начало экспозиции 0 суток

Время экспозиции, сутки

7

14

D

С, кл/см^3

D

С, кл/см^3

D

С, кл/см^3

Вегетативные клетки

СКП-1

0,26

1,1∙10^6

0,30

1,40 ∙10^6

1,08

4,56∙10^6

СКП-2

0,26

1,1∙10^6

0,45 (х10)

1,98 ∙10^6

1,05 (х10)

4,84∙10^7

ЭСП-117

0,26

1,1∙10^6

0,46 (х10)

2,08 ∙10^7

1,05 (х10)

4,84∙10^7

Ккультуры

0,26

1,1∙10^6

0,48 (х10)

2,18 ∙10^7

1,22 (х10)

5,28∙10^7

Споры

СКП-1

0,12

0,55∙10^6

0,27

1,21∙10^6

0,64

2,91∙10^6

СКП-2

0,12

0,55∙10^6

0,49 (х2)

4,43∙10^6

2,90(х10)

1,32∙10^7

ЭСП-117

0,12

0,55∙10^6

0,53 (х2)

4,89∙10^6

0,30 (х10)

1,37∙10^7

Ккультуры

0,12

0,55∙10^6

1,25

5,68∙10^6

0,32 (х10)

1,43∙10^7

Через семь суток экспозиции пробирок со спорами гриба Aspergillus niger установлено, что оптическая плотность суспензии в питательной среде без тест-образца, с учётом погрешности определения, возросла в 10 раз, что свидетельствует о прорастании спор в благоприятных условиях культивирования. За тот же период концентрация клеток в пробирках с ЭСП-117, а так же в пробирках с образцом СКП-2 так же возросла в 8 – 9 раз, а в СКП-1– в 2 раза. Через 14 суток экспозиции концентрация спор клеток гриба Aspergillus niger, в питательной среде без тест-образца возросла в 26 раз; в пробирках с образцом ЭСП-117 возросла в 25 раз, в пробирках с образцом СКП-2 – в 24 раза, в пробирках с образцом СКП-1 – в 4 раза.

Таким образом, можно сделать вывод, что образцы исследуемого покрытия с добавками серебра проявляют явные фунгицидные и фунгистатичные свойства, т.е. сдерживают рост плесневого гриба Aspergillus niger, а стеклокомпозиционные покрытия, содержащие фосфат меди оказались индифферентными по отношению и к вегетативным клеткам к спорам данного гриба.

При исследовании контроля роста вегетативных клеток и спор гриба Саndida albicans было установлено, что через 7 суток экспозиции концентрация вегетативных клеток гриба Саndida albicans в питательной среде без тест-образцов увеличилась, с учётом погрешности определения, в 145 раз, в варианте с контрольным тест-образцом ЭСП-117 в 140 раз. (табл.2). За тот же период концентрация клеток в варианте СКП-2 – увеличилась в 85 раз, а в вариантах СКП-1 – в 10 раз. Через 14 суток экспозиции концентрация вегетативных клеток гриба Саndida albicans, в питательной среде без тест-образцов в варианте контрольным тест-образцом ЭСП-117 возрасла по сравнению с инокулятом в 260 раз; в пробе варианта СКП-2 – в 150 раз, а в вариантах СКП-1 в 15 раз.

Через семь суток экспозиции пробирок со спорами гриба Саndida albicans обнаружено, что оптическая плотность суспензии в питательной среде без тест-образца и в вариантах контрольным тест-образцом ЭСП-117 возрасла почти в 50 раз, что свидетельствует о проростании спор в благоприятных условиях культивирования. За тот же период концентрация клеток в варианте СКП-2 - увеличилась в 20 раз, и с тест-образцом СКП-1 – в 2 раза. Через 14 суток экспозиции концентрация спор клеток гриба Саndida albicans в пробирке с контролем культуры возросла по сравнению с инокулятом почти в 100 раз, в варианте с контрольным тест-образцом ЭСП-117 около 90 раз, в варианте СКП-2 – в 45 раз; в варианте с СКП-1 – в 10 раз. Таким образом, установлено, что образцы эмалевых покрытий, содержащие азотнокислое серебро, и фосфат меди проявляют фунгицидные свойства и значительно сдерживают рост, как вегетативных клеток гриба Саndida albicans, так и их спор.

Таблица 2 – Контроль роста вегетативных клеток и спор гриба Саndida albicans при контакте с тест-покрытиями

Тест-образец	Начало экспозиции (0 суток)				Время экспозиции, сутки
					7		14
	D	С, кл/см^3			D	С, кл/см^3	D	С, кл/см^3
Вегетативные клетки
СКП-1	0,40	2,35∙10^6		0,32 (х10)		1,88∙10^7	0,62 (х10)	3,53∙10^7
СКП-2	0,40	2,35∙10^6		1,12 (х10^2)		2,00∙10^8	1,70 (х10^2)	3,51∙10^8
ЭСП-117	0,40	2,35∙10^6		0,55 (х10^2)		3,29∙10^8	1,05 (х10^2)	6,18∙10^8
Ккультуры	0,40	2,35∙10^6		0,60 (х10^2)		3,60∙10^8	1,05 (х10^2)	6,18∙10^8
Споры
СКП-1	0,28	1,65∙10^6	0,48			2,83∙10^6	0,27 (х10)	1,63∙10^7
СКП-2	0,28	1,65∙10^6	0,56 (х10)			3,30∙10^7	1,26 (х10^2)	7,47∙10^7
ЭСП-117	0,28	1,65∙10^6	1,28 (х10)			7,54∙10^7	0,24(х10^2)	1,42∙10^8
Ккультуры	0,28	1,65∙10^6	1,30 (х10)			7,66∙10^7	0,27 (х10^2)	1,58∙10^8

По результатам исследования ингибирующих свойств диффузионным и количественным методами исследуемых стеклокомпозиционных покрытий было установлено, что, биоцидным эффектом по отношению к Pseudomonas aeruginosa и Саndida albicans характеризуются стеклокомпозиционные покрытия, содержащие компонены AgNO₃ и Cu₃(PO₄₎₂. При испытание данных стеклокомпозиционных покрытий на фунгицидную активность количественным методом по отношению Aspergillus niger установлен биоцидный эффект только для стеклокомпозиционные покрытия, содержащие компонены AgNO₃. В случае Escherichia coli данный эффект не наблюдался для исследуемых стеклокомпозиционных покрытий. Разработанные биоцидных стеклокристаллические покрытия целесообразно использовать при создании защитных материалов для стальных изделий бытового назначения.

1. Худолей В.В. Экологически опасные факторы / В.В. Худолей, И.В. Мизгирев. – С-Пб: РАН НЦ, 1996.

2. Технология эмали и защитных покрытий: Учеб. пособие / [Брагина Л.Л., Зубехин А.П., Белый Я.И. и др.]; под ред. Л.Л. Брагиной, А.П. Зубехина. – Харьков: НТУ «ХПИ»; Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2003. – 483 с.

3. Doğan A., Genser A., Pekşen C. Calcium phoshate based antibacterial ceramic powder containing enamel / Proc of 20^th Intern. Enameller Congr., Istanbul -Turkey, 15 -19 May. – 2005. – Р.239 - 244.

4. Посуда хазяйственная стальная эмалированная. Общие технические условия: ГОСТ-24788-2001. – [Действителен от 2002-09-01]. – М.: Изд-во стандартов, 2001. – 15 с. – (Госстандарт Росии).

5. Санитарные нормы. Допустимые количества миграции химических веществ, выделяющихся из полимерных и других материалов, контактирующих с пищевыми продуктами и методы их определения: Сан Пин 42-123-4240. – [Действителен от 1986-31-12]. – М.: Изд-во стандартов, 1986.

6. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах / Я.М. Грушко. – Ленинград: Химия, 1979. – 161 с.

7. Quality Reguirement : 2 Edition. – European Enamel Authority, 2004. – 138 p.

8. МУ 2.1.674-97. Методические указания. Санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением промотходов. Государственная система санитарно-эпидемиологического нормирования Российской Федерации . 2.1. Коммунальная гигиена:. – М., 1998. – 20 с.

9. Методические указания по лабораторной оценке антимикробной активности текстильных материалов, содержащих антимикробные препараты. - М.: ВНИИДиС, 1984 г.

10. Разуваев А. В., Обухов Ю. И. Методы оценки эффективности биоцидной обработки текстильных материалов / Рынок легкой промышленности. – 2010. – № 80. – С.

11. Пат. 91878 Україна, МКІ⁶ С03С8/08, С23, D 5/00. Неорганічний порошок на основі фосфату кальцію для одержання антибактеріального склоемалевого покриття / Саввова О.В., Брагіна Л.Л., Соболь Н.П., Васютин Ф.А, Бабіч О.В; заявник і патентовласник НТУ «ХПІ». – № а 200806236; заявл. 12.05.2008; опубл. 10.09.2010. Бюл.№ 17.