Известны альтернативные биологически активные вещества – катионные пептиды, выделенные из тканей животных и человека, обладающие антимикробной активностью, в частности, получено антимикробное средство из тромбоцитов свиньи и крупного рогатого скота [2, с. 1]. Это средство получено из тканей животных, поэтому не обладают таким токсическим действием на организм человека, какое характерно для синтетических антибиотиков. Недостатком данного средства является сложная технология выделения пептидной фракции.

Известны также соединения серебра, например средство [3, с. 1], представляющее собой водорастворимое соединение серебра на основе природного полисахарида арабиногалактана, и проявляющее антимикробное действие в отношении патогенных микробов Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Candida albigans. В настоящее время в связи с развитием явления антибиотикорезистентности микробов наблюдается усиление интереса к препаратам серебра, однако недостатком данных средств является их невысокая антимикробная активность.

Известно [4, с. 1], что оксиды и гидроксиды, содержащие ионы цинка и, по крайней мере, один на выбор из ионов – щелочных металлов, щелочноземельных металлов, титана, циркония, кремния – обладают бактерицидным действием

В настоящей работе предложено принципиально новое антимикробное средство, отличающееся простотой приготовления и высокой антимикробной активностью.

Экспериментальная часть

Для бактериологических исследований использовали хорошо изученные, типичные культуры условно-патогенных бактерий, таких как Escherisha coli (кишечная палочка), Staphylococcus aureus (стафилококк золотистый) и Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка).

Определение количества засеваемых бактериальных клеток проводилось по оптическому стандарту мутности ГИСК им. Тарасевича, рассчитанному на микробов кишечной группы [5, с. 10]. Сущность метода заключается в сравнении мутности используемой бактериальной взвеси с мутностью контрольного оптического стандарта. Сравниваемые взвеси находились в пробирках с одинаковым внутренним диаметром, толщиной и цветом стекла. В каждой исходной культуре содержалось условно 1 млрд. микробных тел в 1 мл взвеси (м.т./мл).

Из этой суспензии делали последовательные 10-кратные разведения. Для этого брали 8 стерильных пробирок, и в каждую из них наливали по 9 мл стерильной дистиллированной воды. В первую пробирку вносили 1,0 мл из пробирки с 1-миллиардной взвесью микробных клеток по оптическому стандарту, взвесь тщательно перемешивали.

Для дальнейшего разведения из первой пробирки переносили 1,0 мл во вторую, тщательно перемешивали и отсюда 1,0 мл переносили в следующую пробирку и т.д. до восьмой пробирки. Из восьмой затем убирали 1 мл. Для каждого разведения использовалась отдельная стерильная пипетка. Таким образом, получали ряд пробирок с десятикратным разведением взвеси тест-бактерий до 10. Схема разведения культуры по стандарту от 1 млрд. микробных клеток представлена в табл.  1.

Таблица 1 – Схема приготовления разведения тест-культуры по оптическому стандарту

Параллельно делали такие же разведения, но не в дистиллированной воде, а в гидрогеле оксигидрата циркония.

Гидрогель готовили следующим образом. 200 мл раствора соли оксихлорида циркония с концентрацией 1 моль/л помещают в реактор для синтеза (емкость 5 литров), разбавляют дистиллированной водой до 3 л. Производят щелочное осаждение оксигидрата железа раствором аммиака (ρ = 0,095–0,098 г/см³) (1:9) при постоянном перемешивании реакционной смеси. Мешалку располагают по центру реактора на расстоянии 1–2 см от дна так, чтобы раствор полностью перемешивался. Из капельной воронки начинают добавлять по каплям раствор аммиака. Контролируют рН раствора и устанавливают рН синтеза 8. После этого доводят объем раствора до5 литров и перемешивают в течение 2-х часов. После истечения времени перемешивания мешалку выключают.

Для созревания осадка гель выдерживают при комнатной температуре в течение 24 часов. Отделяют осадок геля, декантируя маточный раствор.

Затем проводили посев 0,1 мл взвесей Escherisha coli и Pseudomonas aeruginosa в стерильной дистиллированной воде из пробирок № 2, № 5 и № 7 с разведениями 10 млн. м.т./мл, 10 тыс. м.т./мл,100 м.т./мл соответственно и получали контрольные разведения.

А также проводили посев 0,05 мл взвесей Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus в стерильной дистиллированной воде из пробирок № 5, № 6 и № 7 с разведениями 10 тыс. м.т./мл, 1 тыс. м.т./мл,100 м.т./мл соответственно и получали контрольные разведения.

Часть геля с разведениями, аналогичными контрольным, помещали в стеклянную трубочку, на концах которой были закреплены замкнутые накоротко платиновые электроды с резистором 100 кОм. Через два часа делали посев 0,1 мл или 0,05 мл бактериальных взвесей соответствующих разведений (в зависимости от условий контрольного разведения) из пробирок с гелем оксигидрата и из геля, находившегося в приборе.

Посев производили на питательной среде Мюллер-Хинтон с добавлением 5 % человеческой крови в чашках Петри. Затем чашки термостатировали в течении суток при температуре 37 ºС, и далее производили подсчет выросших бактериальных колоний (КОЕ).

Обсуждение результатов

Результаты определения антимикробной активности геля оксигидрата циркония представлены в таблице 2.

Как видно из табл.  2 при исходном количестве бактерий100 м.т./мл и 10 тыс. м.т./мл наблюдается значительное уменьшение числа бактерий при помещении их просто в гель оксигидрата циркония и при воздействии на них током, возникающим в гелевых оксигидратных системах. Причем ток увеличивает антимикробное действие не менее чем в два раза. На чашках Петри, где делался посев с исходным числом бактерий 10 млн. м.т./мл, везде наблюдался сплошной рост бактерий.

Таблица 2 – Результаты определения антимикробной активности геля оксигидрата циркония

Обнаруженное бактерицидное действие оксигидратных гелей циркония в первую очередь, связано с тем, что оксигидраты и гидроксиды металлов, в частности циркония, иттрия, ниобия, железа превосходные сорбенты [6, с. 73, 7, с. 1] и могут использоваться для очистки воды от микробиологических загрязнений за счет сорбции этих загрязнений на развитой поверхности [8, с. 1].

Однако, описанное антимикробное действие гидрогелей оксигидрата циркония связано, на наш взгляд, не только с сорбцией микроорганизмов на поверхности сорбента. Нами обнаружен не описанный ранее в литературе механизм антимикробного действия геля оксигидрата металла, который заключается в следующем. Согласно нашим данным в геле оксигидрата металла самопроизвольно возникает электрический пульсационный ток самоорганизации [9, с. 281, 10, с. 1]. Такой ток возникает именно за счет гелевого состояния оксигидрата металла. Причинами возникновения токовых пульсаций (выбросов) является самоорганизация геля во времени [11, с. 93]. Движение ионов сопровождается специфической адсорбцией в диффузном слое гелевых фрагментов, что повлечет за собой поляризацию двойного электрического слоя (ДЭС). Данная поляризация разрушается в результате периодических конформационных перестроек, протекающих в оксигидратных гелях, с выбросом ионов в поле сил Ван-дер-Ваальса. Именно возникающие в геле микротоки самоорганизации вызывают гибель патогенных микробов. Это подтверждает тот факт, что антимикробное действие усиливается, если гель поместить на 2 часа в стеклянную трубочку, на концах которой были закреплены замкнутые накоротко платиновые электроды с резистором 100 кОм.

Выводы

Гидрогель оксигидрата циркония обладает антимикробной активностью в отношении патогенных микробов, таких как Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и может быть использован для создания средств химической стерилизации.

Проведенные ранее исследования показали, что ксерогели оксигидроксидов циркония, ниобия, а также редкоземельных элементов – иттрия, лантана, обладают рядом необычных оптических свойств, таких как окрашенность, зависящая от условий синтеза гелей [1, с. 56, 2, с. 231, 3, с. 131], и люминесценция в видимой области при возбуждении ближним ультрафиолетом [4, с. 161]. Было показано, что на окрашенность оксигидратных гелей влияет природа металла [1, с. 56, 3, с. 131], сдвиговые деформации [1, с. 56], рН синтеза [3, с. 131]. В настоящей работе сообщается о новых фактах появлении окраски гелей вследствие электрофоретических исследований и в результате введения катионных и анионных ПАВ в структуру геля.

Экспериментальная часть

Оксигидратные гели синтезировали методом аммиачного осаждения из растворов солей металлов. В качестве солей использовали нитрат иттрия (III) при синтезе оксигидрата иттрия (ОГИ), оксихлорид циркония (IV) при синтезе оксигидрата циркония (ОГЦ). Сущность метода заключалась в следующем. Объем раствора соли  содержащего n молей вещества, помещали в реактор для синтеза (емкость 5 литров), разбавляли дистиллированной водой до 4 литров. Включали механическую мешалку так, чтобы раствор полностью перемешивался. Из капельной воронки начинали добавлять раствор аммиака (r = 0,095…0,098 г/см³) (1:9) по каплям. В начале скорость капания составляла около 1 капли/с. При появлении помутнения капанье прекращали и перемешивали смесь в течение 5–7 минут. Затем добавляли раствор аммиака со скоростью 0,5 капель/с. После этого скорость капания увеличивали до 2 капель/с. Контролировали рН раствора и доводили его до рН синтеза (рН_синт). После этого доводили объем раствора до5 литров и начинали отсчет времени перемешивания. После истечения времени перемешивания, которое составляло 2 часа мешалку выключали. Гель термостатировали при Т = 20 °С до полного оседания. После этого декантировали маточный раствор. Оставшееся количество осадка фильтровали через фильтр «синяя» или «зеленая» лента. Сушили при влажности 80 %, обеспечивая медленное высыхание.

При синтезе оксигидратных гелей иттрия были выбраны условия синтеза: pH_синт = 9,75; n = 0,09 моль. Для исследования влияния модифицирующих добавок на свойства гелей оксигидрата иттрия (ОГИ), гель ОГИ модифицировали органическими ПАВ: анионным – ди-(2-этилгексилфосфатом) калия (Д2ЭГФК) и катионным – бромидом триэтилцетиламмония (БТЦА). ПАВ вводили в реакционную смесь после осаждения геля аммиаком. Получали гели ОГИ с различным мольным соотношением органических добавок. Мольные соотношения Д2ЭГФК/Y, БТЦА/Y варьировали в интервале 0,01–0,10.

Гели оксигидрата циркония синтезировали при рН_синт 7,00; 8,00; 9,00, n = 0,0047 моль.

Для электрофоретических исследований свежеприготовленный гель оксигидрата циркония (ГОЦ) помещали в электрохимическую ячейку (трубку). Трубку с оксигидратом закрепляли на мешалке для предотвращения расслоения и помещали в термостат, где выдерживали температуры от 282 до 286 К. Расстояние между электродами варьировалось и составляло5 сми7 см.

 Результаты и их обсуждение

Общеизвестно, что оксиды иттрия и циркония являются белыми порошками. В нашем случае гидратированные оксиды иттрия и циркония представляют собой структурно однородные гелевые фазы. В структуру полимерных оксигидратных цепей входят молекулы воды, определяющие конформацию макромолекул. Количество молекул воды определяется структурно-морфологическими характеристиками образца и имеет значение от единиц до нескольких десятков и даже сотен. Поэтому, к данным системам применяется термин «оксигидраты», обозначающий ряд соединений, имеющих общую формулу Me₂O₃ или MeO₂·kH₂O (где k – количество молей воды, приходящееся на 1 моль оксида металла). В воздушно-сухих образцах атом металла окружён оксо- и гидроксогруппами, вследствие чего возможны оксигидраты составов MeO(ОН) или (ОН)₂·kH₂O и Me(ОН)₃ или (ОН)₄·kH₂O. Значение k зависит от химических свойств матрицеобразующего элемента, метода синтеза и последующей обработки образца. Явление окрашивания оксигидратных гелей РЗЭ обусловлено несколькими причинами.

1. В геле формируются лиотропные ламеллярные жидкокристаллические фазы, представляющие собой чередующиеся двойные слои амфифилоподобных образований и воды. Вероятны и иные сопутствующие жидкокристаллические фазы смектического типа [5, с. 33]. Мезофазоподобностью хорошо объясняются неоднородность окрашивания и изменение окраски гелей во времени (так как в гелях постоянно протекают чередующиеся между собой процессы структурирования и деструкции, шаг спирали может измениться).

2. Окраска обусловлена возможностью протекания электронного перехода между парой уровней i и j, такого, чтобы изменения энергии при переходе приводило к поглощению излучения с частотой в видимом диапазоне. Y³⁺, Zr⁴⁺ имеют электронную конфигурацию благородных газов d⁰. В подобных комплексных соединениях окрашивание зачастую обусловлено не столько d–d-переходами (вызванных расщеплением), сколько переходом с переносом заряда (поглощая кванты света, возбужденные электроны переносятся с кислородных атомов лиганда на незаполненные d-орбитали металла).

3. В работе [4, с. 161] сообщается об обнаруженном для оксигидратныхксерогелей иттрия эффекте люминесценции. Известно, что оксиды иттрия, активированные добавками других редкоземельных элементов, широко используются для создания люминофоров, например, оксид иттрия, активированный Еu, – красный люминофор для экранов цветного телевидения [6, с. 9]. В настоящей работе для синтеза оксигидратных гелей использовался оксид иттрия  чистоты 99,99%, поэтому примеси других РЗЭ в классических для люминофоров количествах в несколько процентов исключены, а центрами люминесценции являются хиральные мономерные звенья полимерной оксигидратной цепи.

В настоящей работе было исследовано явление окрашивание, появляющееся после измерений электропроводности оксигидратов циркония, заключающихся в том, что гидрогели помещали в ячейку с электродами, к которым прикладывали разность потенциалов.

Окраска образцов гелей появлялась в течение месяца в процессе сушки, условия которой для гелей, не подвергнутых и подвергнутых воздействию разности потенциалов, были одинаковы. Образцы ГОЦ, не подвергнутых воздействию разности потенциалов, обладали преимущественно белой матовой окраской.

Как видно из таблицы 1, для оксигидратных гелей циркония после приложения к ним напряжения характерно несколько типов окрашивания: сине-зеленое, фиолетово-коричневое, кремовое.

 Таблица 1 – Зависимость появления окраски гелей от условий синтеза

По-видимому, когда к ячейке, в которой находился оксигидратный гель, прикладывали разность потенциалов, то возникающий ионный поток способствовал формированию упорядоченных полимерных звеньев, которые в условиях последующей сушки образовывали более упорядоченную слоевую мезофазоподобную структуру.

В результате синтеза и последующей сушки гелей оксигидрата иттрия получили образцы с различными морфологическими характеристиками (таблица 2)

В основном синтезированные образцы белого цвета с преобладанием непрозрачной мелообразной или прозрачной кристаллической структуры. Образец, модифицированный Д2ЭГФК с мольным соотношением равным 0,08, окрашен в голубой цвет, а образец с добавлением БТЦА с соотношением 0,03 окрашен в зеленый цвет.

 Таблица 2 – Морфологические характеристики образцов гелей ОГИ

Эффект окрашенности в данном случае объясняется, тем что модифицирование позволяет получить более упорядоченную структуру гелей. Вследствие введения органических молекул в оксигидратную матрицу геля оксигидрата иттрия следует ожидать определенное ориентирующее воздействие этих веществ на расположение макромолекул оксигидратной матрицы. Таким образом, мезофазообразование, по-видимому, в данном случае является решающим фактором определяющим окраску ксерогеля, однако, не единственным, поскольку не при всяком количестве введенного ПАВ появляется окраска.

Заключение

Обнаружен эффект окрашивания ксерогелей оксигидрата иттрия, модифицированных добавками ПАВ и ксерогелей оксигидрата циркония после электрофоретических исследований.