Зачем и чем протыкать бактерии?

«Без труда не вытащишь и рыбку из пруда», как гласит известная пословица, и это в полной мере можно сказать насчёт природных ресурсов: как правило, их добыча сопряжена с определёнными трудностями, ввиду чего частенько возникает ситуация из другой пословицы: «видит око, да зуб неймёт»…

Скажем, возьмём наиболее ценный ресурс, нужный абсолютно всем: чистая вода. Несмотря на свою высокую потребность, встречается она не так часто, как хотелось бы, поэтому люди предпринимают целый ряд усилий, чтобы сделать её пригодной для питья. Такие меры могут включать защиту от механических загрязнителей, защиту от химических загрязнителей, а также удаление биологических загрязнений.

В связи с тем, что первые и третьи встречаются достаточно часто, тогда как вторые (химические, по крайней мере в дикой природе, вдали от городов) не так часто, а избавление от механических загрязнителей относительно простое, хотелось бы остановиться подробнее на последнем — а именно на неожиданном способе избавления от бактериологических загрязнителей, который вряд ли широко известен: обеззараживании высокочастотными импульсными электрическими токами…

Для борьбы с биологическими загрязнителями имеется очень большое количество методов, которые также отличаются и большим разнообразием средств воздействия:

• Использование мелкопористых мембран искусственного происхождения позволяет физически отфильтровать некоторые (0,2-0,3 мкм) патогенные микроорганизмы из потока воды, хотя они всё равно не могут удалить особо мелкие биологические частицы наподобие вирусов.

• Химическое обеззараживание окисляющими агентами (йод, хлорсодержащие вещества и иные составы) позволяет физически окислять (т.е. повреждать) важные клеточные структуры вредных биологических микроорганизмов.

• Воздействие высокоэнергетическими излучениями (например, коротковолновым ультрафиолетом) приводит к повреждению микроорганизмов за счёт поглощения нуклеиновыми кислотами, что вызывает дефекты и последующий отказ в функционировании микроорганизмов; кроме того, прохождение жёсткого ультрафиолета через воду приводит и к разрыву химических связей с образованием высокореактивных гидроксильных радикалов ОН, которые физически окисляют белки микроорганизмов.

• Воздействие высокой температурой (кипячение, подогрев) приводит к физическому сворачиванию белков микроорганизмов.

• Воздействие иными ионизирующими излучениями: например, электронно-лучевая обработка в вакууме — так обеззараживают, в частности, медицинские бинты и не только.

  Интересным в этом является то, что, насколько известно, при соударении электронного пучка с мишенью возникает тормозное рентгеновское излучение, которое, впрочем, после окончания воздействия не оставляет после себя следов — однако требуется не превышать определённый порог (10 МэВ) энергии электронного пучка, так как, оказывается, иначе это вызовет наведённую радиацию в обрабатываемом материале!

Таким образом, если мы посмотрим на все перечисленные выше методы обработки, то мы увидим, что они или сложны ввиду относительно долгого протекания (кипячение), или требуют расхода дефицитных, конечных средств обработки (хлорсодержащие таблетки и т. д.), или связаны с необходимостью взаимодействия с хрупкими, опасными, дорогими и не совсем простыми в покупке средствами (мощные специальные ультрафиолетовые лампы и, например, кварцевые трубки (если источник ультрафиолета расположен снаружи, для пропускания излучения вовнутрь) для протекания воды). Или просто опасны сами по себе из-за побочных эффектов (рентген).

Все эти сложные подходы, может быть, и неплохи в виде стационарных способов — но как быть с мобильным вариантом? 

Тем более что потребность в мобильном варианте вовсе не ограничивается «лодочкой, палаточкой на выходные», так как потребность в таких устройствах испытывают разнообразные мобильные группы, находящиеся вдали от цивилизации, спасатели в местах катастроф и массовых разрушений инфраструктуры и т.д.

Исходя из всего вышесказанного, вызывает особый интерес тот факт, что, похоже, учёные придумали ещё один альтернативный способ, который, судя по всему, кардинально улучшает арсенал доступных методов — высоковольтная импульсная обработка! 

И в самом деле, если подумать, то становится очевидно, что это довольно интересно: было бы странно не попробовать использовать напрямую всю мощь электричества, доступную под рукой, тем более что само исполнительное устройство в своей основной части будет в таком случае весьма простым: это просто обычные электроды в потоке воды (куда уж проще)!

Любопытно, что этот метод далеко не новый и берёт своё начало ещё с 1970-х годов прошлого века, и стал известен под названием «электропорация». 

Суть метода заключается в том, что к клеткам живых существ прикладывается определённое электрическое поле, вынужденно вызывающее множественные пробои клеточной мембраны, в которой в результате образуются отверстия. Это может быть использовано для разных целей: скажем, для доставки лекарств — для этого используется так называемая «обратимая электропорация», когда напряжённость электрического поля ниже определённого уровня для целевой клетки, что вызывает только временные пробои, которые клетка может в дальнейшем самостоятельно закрыть. В противовес ей может быть применён и метод «необратимой электропорации». Даже по самому названию можно понять, что полученные с его помощью пробои клетка не в состоянии закрыть самостоятельно и в результате погибает. Такие методы могут использоваться, например, для лечения опухолей или в терапии сердечной мышцы с помощью уничтожения определённых её участков.

Механизм пробития таких пор заключается в том, что, когда снаружи клетки к водной среде, в которой она находится, прикладывается определённый электрический потенциал, это приводит к притягиванию ионов из окружающего раствора к мембране клетки. Таким образом, начинает расти разность потенциалов между внутренней стороной мембраны и внешней, в результате чего при превышении определённой разницы потенциалов (обычно в 0,5…1 В) происходит как бы электрическое пробитие стенки. При этом для возникновения таких процессов, несмотря на то, что потенциал выглядит достаточно маленьким, требуется приложение внешнего потенциала достаточно высокого напряжения (единицы-десятки киловольт) — то есть, грубо говоря, необходимо в эту воду опустить электроды, на которые необходимо подать (импульсно) ток достаточно высокого напряжения.

Если мы начнём анализировать этот вопрос, то с лёгкостью убедимся, что с момента открытия эффекта электропорации он был достаточно хорошо исследован и в сети имеется огромное количество работ на эту тему. Где, например, обратившись к любой из подобных работ (например, даже вот этой или этой), мы для себя узнаем множество интересных подробностей…

Например, что с целью уменьшить энергопотребление, как минимум, за счёт нагрева, воздействующие на целевой объём жидкости импульсы должны быть очень короткими, где их типовая длительность должна находиться во временном диапазоне от микросекунд до миллисекунд, и от этого (а также величины разницы потенциалов на контактах) зависит их финальный эффект — обратимой или необратимой электропорации. 

При этом, если в одной статье говорится довольно уклончиво, то в последней мы можем увидеть, что называются более конкретные цифры: 1..4 мс длина импульса и 15..100 мс интервала имульсы-простой между ними, где в том числе подчёркивается, что длительность импульса зависит и от общей геометрии контактов, ёмкости, а также индуктивности соединений.

Так как отдельно о времени нарастания или спада импульса ничего не говорится, остаётся только подозревать, что форма импульса должна быть прямоугольной — в принципе это и логично (как мне думается, и ниже будет подтверждение этому, которое я обнаружил для себя несколько позднее ;-) ).

Что же касается конкретной величины разницы потенциалов, которая необходима, то мы можем здесь найти для себя следующую информацию: что кишечная палочка претерпевает необратимую электропорацию при напряженности в 10 кВ/см, тогда как для пекарских дрожжей достаточно уже 7,5 кВ/см.

*При этом в другом месте отмечают, что для необратимой электропорации всё же необходимо напряжение в 15 кВ/см (кому верить?... :-) ). Полагаю, что этот вопрос ждёт своего практического эксперимента...

Там же мы можем узнать, что споры бактерий весьма устойчивы к подобным технологиям пробивки, так как обладают многослойной оболочкой и обезвоженным ядром (<30% воды), что значительно затрудняет процесс — но не делает его невозможным: просто требует для успешности процесса поднятия напряжения до более чем 30 кВ/см, и где даже это значение не является предельным — для некоторых требуется даже до 50 кВ/см. 

В общем, как мы видим, тема довольно любопытная и, как показывают научные исследования, не бесполезная — поэтому, думается, что ввиду наличия конкретных положительных результатов некоторые даже разрабатывают конкретные устройства для подобной обработки, и не просто питьевой воды — а даже, в частности, высокозагрязнённых сточных вод:

Как заявляется, подобная конструкция позволяет реализовать дистанционно управляемую систему по непрерывной дезинфекции сточных вод без какого-либо нагрева воды и использования химических реагентов, что уменьшает воздействие на окружающую среду.

И, кстати говоря, выше я высказывал предположения, что форма импульса должна быть прямоугольной — и на картинке выше мы можем видеть подтверждение этому, что показано в виде небольшого выносного кружка в верхней левой части картинки (где поясняются форма импульса и тайминги).

Там же мы можем найти и любопытную информацию касательно того, как была изготовлена сама система электродов: это был параллелепипед из электроизолятора (полиэтилен высокой плотности — HDPE), в котором горизонтально, на расстоянии от 1,5 до 5 см друг от друга, были расположены дырчатые пластины, изготовленные из высококремниевого чугуна*, где поток сточных вод протекал через эту стопку электродов вертикально, сверху-вниз (размеры конкретной ячейки и их количество определяется необходимой пропускной способностью).

*Как мы можем узнать там же, чугун был взят из-за его низкой стоимости, а также, кроме того, малой скорости растворения под напряжением и ввиду того, что продукты его растворения не представляют особого риска.

Таким образом, ознакомившись с этой темой, мы можем, полагаю, сделать для себя такой вывод, что сам принцип подобного разрушения микроорганизмов вполне имеет место быть, достаточно известен и даже практически применяется, в том числе и для очень тяжёлых целей — очистки сточных вод. 

Что же касается применения этого принципа для очистки питьевой воды, думается, что при соответствующем интересе к теме можно ознакомиться с мировыми достижениями в этой области с достаточной надеждой на успешную конечную реализацию затеи — ведь в конце-то концов, это просто красиво: обеззараживание сверхкороткими импульсами электричества! :-)