Спороцидная активность импульсного излучения горячей плазмы

Введение

Горячая плазма импульсного электрического разряда может воздействовать на исследуемые биологические и небиологические объекты дистанционно, не создавая термических повреждений. Плазма излучает как нагретое черное тело с температурой ~10⁴ К в ультрафиолетовом, видимом и красном диапазонах, максимум спектра излучения — 220 нм. В зоне разряда образуются активные формы кислорода и азота. Активные формы кислорода гибнут на месте образования ввиду высокой реакционной способности. Радикалы азота имеют большее время жизни (порядка нескольких секунд) и способны диффундировать до объекта. Кроме того, окись азота обладает высокой способностью к проникновению сквозь биологические мембраны [1]. При обработке жидкости радикалы могут поглощаться через поверхность раздела газ–жидкость. В исследовании [2] показано, что роль частиц, диффундирующих из области разряда, мала. Установлено, что основную роль играет излучение плазмы: оно не только действует на поверхности, но и проникает в жидкость на значительную глубину. Поэтому далее речь будет идти об излучении горячей плазмы.

Активными формами, образующимися в воде под действием излучения, являются радикалы HO₂^•, перекись водорода H₂O₂, азотистая кислота HNO₂ и комплекс …ONOOH/ONOO^–…, образующийся во время импульса излучения и распадающийся в течение 15 сут на пероксинитрит и пероксиазотистую кислоту HOONO [3]. Из-за образования азотистой кислоты значение pH воды после обработки уменьшается. Поскольку для пары ONOOH/ONOO^– значение константы диссоциации кислоты pK_a=6,8, основную роль при распаде комплекса в кислой среде играет пероксиазотистая кислота.

Основным окислителем, образующимся непосредственно под действием излучения, является радикал HO₂^• [3]. Дополнительно при распаде пероксиазотистой кислоты могут образовываться гидроксильные радикалы. Восстановителями могут служить соединения азота. Установлено, что в случае воздействия импульсного излучения горячей плазмы на неорганические вещества выход окисления и восстановления примерно одинаков и абсолютная величина выходов (~5 молекул на 100 эВ затраченной энергии) близка выходу в радиационно-химическом процессе [4]. Поэтому импульсное излучение горячей плазмы может быть эффективным методом обработки жидкостей или поверхностей в различных технологических процессах.

Воздействие холодной плазмы и дистанционное воздействие горячей плазмы на водные растворы сильно различаются. Холодная плазма непосредственно контактирует с обрабатываемым объектом, и активные частицы проникают в раствор через поверхность раздела газ–жидкость [5]. Основной активной частицей холодной плазмы является гидроксильный радикал. Представляется интересным изучить воздействие продуктов, образующихся под действием излучения горячей плазмы, на органические соединения и сравнить его с изменениями под действием холодной плазмы.

Удобной моделью для изучения состояния белков являются ароматические аминокислоты, входящие в их состав (триптофан, тирозин, фенилаланин), так как они идентифицируются по спектрам поглощения и характеристическим линиям флуоресценции. Изменения, происходящие в структуре ароматических аминокислот, сразу проявляются в спектрах поглощения и флуоресценции [6]. В качестве объекта исследования в работе выбран тирозин, так как и он, и продукт его нитрования (3-нитротирозин) идентифицируются по спектрам поглощения, а сам тирозин — еще и по флуоресценции [7]. Механизм образования 3-нитротирозина изучался в работе [8], обзор результатов по нитрованию тирозина в составе белков дается в работе [9].

Цель работы — изучить спороцидную активность импульсного излучения горячей плазмы искрового электрического разряда по данным анализа активных продуктов, образующихся в водном растворе L-тирозина под воздействием этого разряда. Данные активные продукты определяют химические реакции.

Задачи исследования — сравнение изменений в растворе тирозина под действием холодной плазмы коронного электрического разряда и импульсного излучения горячей плазмы искрового разряда, а также оценка роли процесса нитрования в биоцидном и спороцидном эффектах излучения горячей плазмы.

Материалы и методы

Общие условия. Эксперимент с L-тирозином выполнен с использованием двух приборов, генерирующих активные частицы: источника импульсного излучения горячей плазмы искрового разряда «Пилимин ИР-10» (НИИ ядерной физики им. Д.В. Ско­бель­цына МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва), далее — ИР-10, и реактора коронного электрического разряда. С их помощью обрабатывали раствор L-тирозина в дистиллированной воде с концентрацией 160 мг/л (8,8·10^–4 моль/л), pH=5,65. Спектры поглощения растворов измеряли спектрофотометром СФ-102 («Аквилон», Россия), флуоресценцию — прибором «ФЛЮОРАТ-02-ПАНОРАМА» («ЛЮМЭКС», С.-Петербург), значение pH — прибором «Эксперт-001» («Эконикс», Москва). Во всех экспериментах использовали химически чистые реактивы и дистиллированную воду, pH=6,5. Пробы брали разного объема, поэтому значения дозы нормированы на фактический объем пробы (10 или 4 мл раствора).

Источник импульсного излучения горячей плазмы «Пилимин ИР-10» смонтирован в виде двух модулей: модуля разряда 1 и модуля источника питания 2 (рис. 1).

---

Рис. 1. Схема источника импульсного излучения горячей плазмы искрового разряда «Пилимин ИР-10»: 1 — модуль излучателя; 2 — модуль источника питания; 3 — ВЧ-кабель, r=75 Ом; 4 — область разряда; 5 — чашка Петри с обрабатываемой пробой; R1, R2, R3 — резисторы; С1 — разрядный конденсатор; HV — источник высокого напряжения

---

В разрядном модуле 1, изготовленном из фторопласта-4, помещены электроды из нержавеющей стали толщиной 2 мм, между которыми происходит разряд. Расстояние между электродами — 3 мм, что соответствует пробивному напряжению промежутка 6 кВ. Электроды соединены с конденсатором емкостью 3300 пФ. При включении высокого напряжения –11 кВ начинался самостоятельный искровой разряд. Полная длительность импульса тока — 100 мкс, передний фронт — 50 нс, энергия разряда импульса — 0,059 Дж, частота повторения импульсов — 10 Гц, мощность разряда — 0,59 Дж/с. Длительность импульса тока определялась временем рассасывания заряда. Ток, потребляемый от источника питания, — 0,70±0,02 мА. В разряде выделялось ~5% энергии, потребляемой от источника питания. Горячая плазма излучала как черное тело, нагретое до температуры ~10⁴ K, максимум спектра излучения находился при длине волны 220 нм [2].

Интенсивность УФ-излучения генератора ИР-10, определенная иодометрическим методом, на расстоянии 3 см от области разряда составляла (1,26±0,20)·10⁻¹⁰ моль(см² с)^–1 [2, 3]. Условия подбирали так, что плазма искрового разряда была слабо ионизирована, степень ионизации — менее 0,1%. Электронная плотность ~10¹¹ см⁻³, энергия электронов не превышала 1 эВ [3, 4].

Часть модуля, в котором происходит разряд, отгорожена от остальной части непроницаемой фторопластовой перегородкой. Высокое напряжение подается в модуль разряда радиочастотным кабелем, волновое сопротивление r=75 Ом. Заземленная жила кабеля соединена непосредственно с одной обкладкой конденсатора С1. Центральная жила кабеля соединена с другой обкладкой конденсатора через два резистора R1 и R2 (330 кОм, 2 Вт), установленных в разрядном модуле. Резисторы R1 и R2 предназначены для гашения отраженной волны, возникающей в момент разряда.

В модуле источника питания 2 помещен высоковольтный выпрямитель на 11 кВ. Отрицательный полюс выпрямителя соединен через балластный резистор R3=8МОм с центральной жилой кабеля. Напряжение 11 кВ подается на зарядку конденсатора C1 через резисторы R1, R2 и R3. Постоянная времени зарядной цепи определяется величиной R3 × C1 с, так как R1 и R2 << R3. Разрядная полость через отверстие диаметром 2 см соединена со стеклянной чашкой Петри диаметром 40 мм, в которую помещается проба обрабатываемой жидкости объемом 10 или 4 мл. Расстояние от области разряда до поверхности жидкости — 30 мм. Энергия, выделяемая в искровом разряде за 20 мин, составляет 700±40 Дж на 10 мл обрабатываемого раствора.

Реактор коронного электрического разряда (рис. 2) выполнен на базе стеклянной емкости 1 объемом 0,5 л, на дно которой наливали пробу обрабатываемой жидкости 3 — 50 мл. Через отверстие в дне пробу жидкости заземляли. На расстоянии 6 мм от поверхности жидкости располагались 7 разрядных электродов. Электроды закрепляли на расстоянии 25 мм друг от друга. На каждый электрод через набор резисторов общим сопротивлением 20 МОм (6 резисторов по 3,3 МОм, 2 Вт) подавалось высокое напряжение отрицательной полярности (–11 кВ) от источника питания 2. Ток разряда каждого электрода составлял 70 мкА, напряжение на каждом электроде относительно жидкости с учетом падения напряжения на резисторах — 9,6 кВ. Каждый электрод соединялся с землей через конденсатор 30 пФ.

---

Рис. 2. Схема обработки проб холодной плазмой коронного электрического разряда: 1 — корпус реактора коронного электрического разряда; 2 — блок источника питания; 3 — обрабатываемая жидкость; HV — источник высокого напряжения; RC matrix — матрица резисторов и конденсаторов

---

Энергия, выделяемая в коронном разряде, составляла 1200±60 и 2400±120 Дж на 10 мл обрабатываемого раствора за 20 и 40 мин соответственно.

Источник УФ-излучения. Непрерывное ультрафиолетовое излучение с длиной волны 253,7 нм генерировалось ртутной лампой низкого давления ДКБ-9 с корпусом из увиолевого стекла. Мощность лампы — 9 Вт. Плотность потока энергии на расстоянии 3 см от лампы составляла 2,6·10^–2 Дж (см² с)^–1. Энергия на пробу жидкости объемом 10 мл составляла 19,6 Дж (мин)^–1.

Измерение флуоресценции тирозина. Длины волн возбуждения и флуоресценции у тирозина известны, но они были уточнены в отдельном эксперименте для учета особенностей применяемого оборудования. Для определения длины волны возбуждения измеряли выход флуоресценции при длине волны 303 нм в диапазоне длин волн возбуждения 200–300 нм. Максимальный выход флуоресценции был получен при длине волны возбуждения 275±1 нм. Для определения длины волны флуоресценции измеряли выход флуоресценции при длине волны возбуждения 275 нм в диапазоне длин волн регистрации 290–320 нм. Максимальный выход флуоресценции получен при длине волны регистрации 303±1 нм.

Известно, что флуорофоры поглощают свое излучение. Самопоглощение растет с увеличением концентрации раствора. Исследование зависимости выхода флуоресценции от концентрации раствора тирозина в диапазоне концентраций от 1 до 20 мг/л показало, что интенсивность флуоресценции линейно растет с увеличением концентрации до 12 мг/л, далее выходит на плато и начинает падать. Поэтому для изучения уровня флуоресценции тирозина в данном эксперименте была принята концентрация его раствора 10 мг/л (обработанные растворы тирозина в концентрации 160 мг/л разбавлялись в 16 раз).

Обработка биологических образцов. Экспе­ри­мент с бактериями и спорами микромицетов выполнен с использованием генератора горячей плазмы ИР-10 и УФ-лампы низкого давления ДКБ-9. Биоцидный эффект оценивали на бактериальных штаммах антибиотикорезистентных грамположительных микроорганизмов Staphylococcus aureus 5913 и грамотрицательных микроорганизмов Escherichia coli 775-3. Бактериальные штаммы получены из музея кафедры эпидемиологии, микробиологии и иммунологии Приволжского медицинского исследовательского университета. Для анализов предварительно готовили суточную культуру микроорганизмов. Затем бактериальные клетки ресуспендировали в растворе Хенкса до концентрации (10–15)·10⁶ кл. в 1 мл. Суспензию микроорганизмов объемом 4 мл обрабатывали импульсным излучением горячей плазмы генератора ИР-10 в течение времени (до 70 с) и УФ-излучением ртутной лампы низкого давления ДКБ-9 — до 10 с. Обработанную суспензию высевали на чашки Петри на слой агара и инкубировали в термостате при 37°С в течение суток. Биоцидный эффект определяли по числу КОЕ.

Спороцидный эффект излучений оценивали на культурах микромицетов: Alternaria alternata BKM F-1120, Aspergillus niger BKM F-1119, Chaetomium globosum BKM F-109, Penicillium chrysogenum BKM F-245, полученных из Всероссийской коллекции микроорганизмов. Приготавливали суспензию спор в воде с концентрацией (2–4)·10⁶ кл. в 1 мл. Пробы суспензии объемом 4 мл обрабатывали излучением генератора ИР-10 и лампы ДКБ-9 в течение времени до 10 мин. Обработанную суспензию высевали на чашки Петри со средой Чапека–Докса. Образцы инкубировали в термостате при 27°С в течение трех суток, спороцидный эффект рассчитывали по числу КОЕ.

Спороцидный и биоцидный эффекты продуктов импульсного излучения горячей плазмы и ртутной лампы низкого давления рассчитывали для всей поверхности пробы в соответствии с дозой облучения. Доза D10 соответствовала уменьшению количества КОЕ после обработки в 10 раз (КОЕ₀/КОЕ_t=10), где КОЕ₀ — количество колониеобразующих единиц в исходной пробе; КОЕ_t — после обработки в течение времени t.

Статистическую обработку экспериментальных данных осуществляли с использованием пакета программ Microsoft Excel. Данные представлены в виде М±m, где М — среднее значение, а m — стандартное отклонение.

Результаты и обсуждение

Результаты обработки тирозина излучением горячей и холодной плазмы. Исходный раствор L-тирозина — нейтральный, pH=5,7. После обработки импульсным излучением горячей плазмы генератора искрового разряда ИР-10 pH раствора уменьшается: при дозе излучения 180 Дж — до 3,8, при дозе 700 Дж — до 3. Спектр поглощения раствора тирозина сразу после обработки представлен на рис. 3. Видно, что характеристики основного пика поглощения, связанного с фенольным кольцом, при λ=274 нм после обработки практически не изменились. В диапазоне длин волн 335–385 нм видны линии азотистой кислоты, образовавшейся под действием излучения.

---

Рис. 3. Спектры поглощения раствора тирозина с концентрацией 160 мг/л сразу после обработки излучением горячей плазмы генератора ИР-10 дозы излучения — 180, 350 и 700 Дж (на 10 мл раствора)

---

Спектры поглощения раствора тирозина сразу после обработки холодной плазмой коронного электрического разряда при дозах излучения от 600 до 2400 Дж приведены на рис. 4. Величина pH после обработки не меняется. Видно, что основной пик поглощения при λ=274 нм далее уменьшается и при дозе излучения 2400 Дж пропадает совсем.

---

Рис. 4. Спектры поглощения раствора тирозина с концентрацией 160 мг/л сразу после обработки холодной плазмой коронного электрического разряда дозы излучения — 600, 1200 и 1800 и 2400 Дж (на 10 мл раствора)

---

На следующий день спектр поглощения раствора, обработанного холодной плазмой искрового разряда, не меняется. В спектре раствора, обработанного импульсным излучением горячей плазмы генератора ИР-10, пропадают линии азотистой кислоты и появляется пик 353 нм (рис. 5). Его оптическая плотность растет с увеличением дозы излучения. Можно предположить, что этот пик связан с образованием 3-нитротирозина. Для идентификации продукта в кислый раствор в первый день после обработки непосредственно перед измерением спектра вводили кристаллический NaOH, чтобы получить pH=12.

---

Рис. 5. Спектры поглощения раствора тирозина с концентрацией 160 мг/л через сутки после обработки излучением генератора ИР-10 дозы излучения — 0, 350, 700 и 2100 Дж (на 10 мл раствора)

---

Спектры растворов с pH=3 и 12 на следующий день после обработки генератором ИР-10 изменились (рис. 6). Видно, что пик 353 нм сдвигается вправо до λ=425 нм. Согласно данным работы [6], пик 3-нитротирозина в кислой и щелочной средах в пределах возможных ошибок измерений находится примерно при тех же длинах волн (353 и 425 нм). Таким образом, протекание процесса нитрования под действием импульсного излучения горячей плазмы искрового разряда можно считать доказанным, так как обнаружен по крайней мере один продукт этой реакции. Идентификация других продуктов нитрования не входила в задачу данного исследования.

---

Рис. 6. Спектры поглощения раствора тирозина с концентрацией 160 мг/л: исходного, через сутки после обработки излучением горячей плазмы генератора ИР-10 (pH=3) и после введения щелочи (pH=12)

---

Продукт нитрования отчетливо наблюдается в первый и последующие дни после обработки. Введение щелочи сдвигает положение пика 3-нитротирозина. Однако, если ввести щелочь сразу после обработки, пик 3-нитротирозина не проявляется ни в первый, ни в последующие дни. Оптическая плотность пика 353 нм в первый день после обработки генератором ИР-10 растет с дозой излучения и в пределах ошибок выходит на плато при дозе больше 1800 Дж/10 мл (рис. 7).

---

Рис. 7. Зависимость оптической плотности от дозы облучения для линии 3-нитротирозина (l=353 нм) через сутки после обработки излучением горячей плазмы генератора ИР-10

---

Нитрование с образованием 3-нитротирозина может происходить под действием импульсного излучения горячей плазмы в реакции с азотистой кислотой, образующейся непосредственно в процессе обработки, и в реакции с пероксиазотистой кислотой, образующейся при распаде комплекса …ONOOH/ONOO^–… после обработки. Для оценки роли разных каналов нитрования выполнен дополнительный эксперимент. Изучалась зависимость оптической плотности пиков 3-нитротирозина в кислой и щелочной средах от времени (до 120 ч) после обработки. Кислая среда создавалась в пробе непосредственно при обработке и сохранялась при выдержке в течение заданного времени. Щелочная среда создавалась введением в обработанный раствор после выдержки в течение заданного времени и непосредственно перед измерением спектра поглощения кристаллов NaOH. Результаты для растворов, обработанных генератором излучения плазмы ИР-10 в течение 20 мин при дозе 700 Дж/10 мл, представлены на рис. 8.

---

Рис. 8. Зависимость оптической плотности для линий 3-нитротирозина в кислой среде (pH=3, l=353 нм) и в щелочной среде (pH=12, l=425 нм) от времени после обработки раствора L-тирозина излучением горячей плазмы генератора ИР-10

---

Для изучения процесса нитрования тирозина с использованием азотистой кислоты в раствор вводили азотистокислый натрий NaNO₂ и серную кислоту H₂SO₄. Азотистая кислота образовывалась в реакции:

Реагенты были подобраны таким образом, чтобы концентрация азотистой кислоты в реакции (1) равнялась ее выходу за время облучения генератором ИР-10 в течение 20 мин (доза излучения — 700 Дж). Зависимость оптической плотности пиков 353 и 425 нм (в кислой и щелочной средах) от времени (до 120 ч) после введения азотистокислого натрия и серной кислоты представлена на рис. 9.

---

Рис. 9. Зависимость оптической плотности для линий 3-нитротирозина в кислой среде (pH=3) и щелочной среде (pH=12) от времени после введения в раствор L-тирозина NaNO2 и H2SO4

---

Из рис. 8 и 9 видно, что реакция нитрования происходит медленно, оптическая плотность пика 3-нитротирозина растет со временем после обработки и выходит в пределах ошибок на плато через ~100 ч. Сравнение рис. 8 и 9 показывает, что оптическая плотность пика 3-нитротирозина в растворе, обработанном импульсным излучением горячей плазмы, когда вклад в нитрование дают азотистая и пероксиазотистая кислота, примерно в два раза больше, чем в растворе с NaNO₂ + H₂SO₄, когда вклад в нитрование дает только азотистая кислота. Это может означать, что вклад в нитрование азотистой и пероксиазотистой кислот примерно одинаков.

Анализ зависимости флуоресценции тирозина от дозы облучения генератором ИР-10 через сутки после обработки и холодной плазмой коронного разряда сразу после обработки (рис. 10) показал, что при дозе 1000–1500 Дж/10 мл под действием плазмы коронного разряда тирозин разрушается практически полностью. Однако под действием излучения генератора ИР-10 при той же дозе флуоресценция уменьшается на 5–10%, что может практически никак не сказываться на спектре поглощения. Таким образом, результаты по флуоресценции соответствуют данным по спектрам поглощения (см. рис. 3 и 4).

---

Рис. 10. Зависимость флуоресценции раствора тирозина от дозы излучения Дж/10 мл через сутки после обработки излучением горячей плазмы генератора ИР-10 и холодной плазмой коронного электрического разряда сразу после обработки

---

Механизм окисления тирозина. Под действием излучения горячей плазмы искрового разряда в воде образуются как окислители, так и восстановители [4]. Под действием коронного электрического разряда в парах воды образуются гидроксильные радикалы, перекись водорода и озон [10]. Инициирование окисления органических веществ возможно радикалами OH^• и HO^•₂. Применительно к тирозину (Tyr) стадию инициирования можно выразить так:

Здесь и далее использованы данные по константам скорости реакций k из справочника [11]. В реакциях отрыва атома водорода от молекулы TyrH (формула (3)) выделяется энергия Е, равная энергии связи образующейся молекулы:

Здесь и далее использованы данные по энергиям связи из справочника [12]. Энергия, высвобождающаяся в реакциях (4) и (5), может быть использована для отрыва атома водорода от молекулы. Энергия отрыва атома водорода в ароматическом кольце составляет 89 ккал/моль [13]. Отсюда видно, что ароматические вещества могут окисляться гидроксильными радикалами, образующимися в холодной плазме коронного разряда, и не могут окисляться радикалами HO^•₂, образующимися в воде под действием импульсного излучения горячей плазмы. Рис. 3–5 подтверждают эти выводы.

Таким образом, окисление тирозина первичными активными частицами, образующимися под действием излучения плазмы, оказывается энергетически невозможным. Вторичные продукты распада комплекса являются сильными окислителями, при изомеризации пероксинитрита образуются гидроксильные радикалы [14]. Однако концентрация вторичных частиц намного меньше, чем первичных, и, как показывает эксперимент, роль этих вторичных частиц пренебрежимо мала. Поэтому окисления тирозина излучением горячей плазмы, приводящего к разрушению ароматического кольца, не наблюдается. Следовательно, основными активными частицами, определяющими реакционную способность излучения, будут радикалы NO^•₂, образующиеся при распаде азотистой и пероксиазотистой кислот, которые активируют процесс нитрования. Нитрование тирозина наблюдалось и в данном эксперименте.

Механизм нитрования. Основными активными частицами, инициирующими нитрование в данном эксперименте, являются азотистая кислота, образующаяся непосредственно под действием излучения, и пероксиазотистая кислота, образующаяся при распаде комплекса …ONOOH/ONOO^–…, формирующегося под действием излучения и распадающегося за время до 15 сут [2, 3]. Процесс нитрования можно записать через начальное и конечное состояние как

Энергия связи атома водорода в ароматическом кольце тирозина ~89 ккал/моль, энергия связи группы NO₂, присоединившейся на место атома водорода, ~19 ккал/моль. Поэтому реакция нитрования — экзотермическая, выделяемая энергия ~70 ккал/моль [12]. Энергетически наиболее вероятно образование 3-нитротирозина [6–9].

В литературе обсуждаются два возможных механизма реакции: радикальный и через образование иона нитрония NO₂⁺. Радикальный механизм возможен, если под действием излучения образуется радикал тирозина Tyr^•. Тогда к нему может присоединяться радикал NO₂^•:

Другой вариант радикального механизма возможен при распаде пероксиазотистой кислоты на радикалы OH^• и NO₂^•. Радикал тирозина образуется при взаимодействии молекулы тирозина с гидроксильным радикалом, после чего на это место присоединяется радикал NO₂^•:

В принципе такой механизм возможен, так как оба радикала образуются в одном месте и при распаде одной молекулы пероксиазотистой кислоты [14].

Альтернативный канал связан с образованием иона нитрония NO₂⁺. Ион нитрония образуется в кислой среде при наличии кислотных остатков азотной или азотистой кислоты. Процесс можно представить следующим образом:

Далее образуется переходное состояние:

При распаде переходного состояния выделяется энергия А и образуется конечный продукт нитрования:

Образование переходного состояния — медленная стадия. Согласно экспериментальным данным, она может продолжаться 2–3 дня.

Для идентификации продукта нитрования в раствор, выдержанный не менее одного дня, после обработки излучением горячей плазмы искрового разряда вводили щелочь. Если щелочь вводили сразу после обработки, никаких изменений в спектре поглощения раствора через 1–2 дня не наблюдалось. Пик 3-нитротирозина не появлялся. Отсюда можно сделать два вывода. Ион нитрония не образуется в щелочной среде, поэтому механизм нитрования через ион нитрония вполне возможен. В щелочной среде время жизни пероксинитрита больше, чем пероксиазотистой кислоты в кислой среде. Поэтому продукты его распада — радикалы OH^• и NO₂^• — должны образовываться. Однако продукт нитрования не появляется. Значит, радикальный механизм нитрования в изучаемом процессе невозможен.

Спороцидный и биоцидный эффекты излучения плазмы генератора ИР-10 и УФ-излучения лампы ДКБ-9. Результаты эксперимента с бактериальными штаммами и культурами микромицетов представлены в таблице.

---

Спороцидный и биоцидный эффекты продуктов импульсного излучения горячей плазмы и ртутной лампы низкого давления (M±m)

---

Механизмы биоцидного и спороцидного эффектов принципиально различаются. Бактериальные клетки погибают после поглощения молекулами ДНК энергии УФ-излучения с длиной волн в диапазоне 250–260 нм. УФ-лампа генерирует излучение с длиной волны 253,7 нм, тем самым практически вся энергия излучения приходится на максимум поглощения молекулой ДНК. В то же время средний поток фотонов УФ-излучения, генерируемого искровым разрядом генератора ИР-10, намного меньше, чем УФ-лампы. И максимум теплового излучения искрового разряда приходится на длину волны 220 нм, т.е. не попадает в максимум полосы поглощения ДНК. Поэтому энергия, необходимая для уменьшения КОЕ бактериальных клеток Staphylococcus aureus и Escherichia coli в 10 раз, под действием излучения горячей плазмы намного больше (29±3 и 41±5 Дж соответственно), чем под действием излучения УФ-лампы (1,6±0,2 и 0,7±0,1 Дж соответственно).

Однако мгновенная плотность излучения генератора ИР-10 в момент вспышки разряда намного больше мгновенной плотности излучения ртутной лампы. Высокая мгновенная плотность излучения приводит к тому, что в водном растворе образуется комплекс …ONOOH/ONOO^–…, распадающийся за время до 14 сут на пероксинитрит и пероксиазотистую кислоту [2, 3]. Поскольку под действием излучения горячей плазмы водный раствор приобретает кислую реакцию, то основным продуктом распада комплекса является пероксиазотистая кислота. При распаде пероксиазотистой кислоты образуются продукты, инициирующие нитрование.

Споры микромицетов покрыты многослойной оболочкой, не пропускающей излучение. Поэтому УФ-излучение ртутной лампы действует на споры очень слабо. Из таблицы видно, что доза 200 Дж излучения ртутной лампы приводит к уменьшению КОЕ на уровне 10%. В то же время доза порядка 200 Дж импульсного излучения горячей плазмы приводит к уменьшению КОЕ в 10 раз. Как показал выполненный эксперимент, окисление сложных органических соединений продуктами, образующимися под действием излучения горячей плазмы, может оказаться маловероятным или вообще невозможным. Долгоживущий комплекс …ONOOH/ONOO^–… диффундирует через защитную оболочку [14, 15] и при распаде инициирует нитрование. Таким образом, нитрование может служить основным механизмом, вызывающим и определяющим дезинфицирующее действие импульсного излучения горячей плазмы.

Заключение

Проведенное исследование показало, что жизнеспособность спор под действием импульсного излучения горячей плазмы снижается. Излучение УФ-лампы ДКБ-9 в изученных условиях практически не проникает через защитную оболочку споры. Спороцидный эффект излучения горячей плазмы обусловлен распадом долгоживущего комплекса …ONOOH/ONOO^–… с образованием оксида азота и иона нитрония в кислой среде.

Процесс нитрования играет решающую роль в спороцидном действии излучения горячей плазмы искрового разряда. Принцип спороцидного действия излучения газоразрядной плазмы, основанный на нитровании, может быть использован при разработке медицинских дезинфицирующих устройств.

Финансирование и конфликт интересов. Иссле­до­вание не финансировалось никакими источниками, и конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.