bbk 000000

УДК 579.556:628.161.1

Горшенин А. П., Гарасько Е. В., Пономарев А. П.

Влияние нанобактерий на качество и безопасность питьевой воды

Аннотация

Представлены результаты микробиологического мониторинга качества питьевой воды городов Иваново, Владимира, Костромы с использованием бактериофизических и электронно-микроскопических методов исследования. В пробах питьевой воды были обнаружены способные к размножению наноструктуры. Выявлен феномен нанотрансформации, сопровождающийся образованием нескольких морфологических конформаций нанобактерий. Нанобактерии, присутствующие в подготовленной традиционными способами питьевой воде, влияют на ее качество и могут представлять опасность для здоровья человека. Установление факта неблагоприятного воздействия может потребовать разработки инновационных технологий очистки воды для эрадикации нанобактерий.

Ключевые слова

питьевая вода , нанобактерии , экологическая безопасность , микробиологический мониторинг , инновационные технологии очистки

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Луи Пастер утверждал, что 90% своих болезней человек выпивает. По данным Всемирной организации здравоохранения, порядка 25% опасных заболеваний в мире передается через воду. От этих болезней ежегодно погибает 25 млн. человек, что сравнимо с последствиями стихийных бедствий.

Кафедра микробиологии и вирусологии Ивановской государственной медицинской академии совместно с Ассоциацией водоснабжения и водоотведения «Чистая вода» Верхневолжского региона в течение более 10 лет проводили микробиологический мониторинг централизованных источников водоснабжения г. Иваново. Мониторинг с использованием бактериофизических методов исследования проводился как до, так и после внедрения новых технологий обеззараживания воды [1; 2]. С 2008 г. совместно с Федеральным центром охраны здоровья животных г. Владимира проводятся исследования питьевой воды на наличие нанообъектов биологической природы. Предпосылкой этих исследований явились публикации в отечественной и зарубежной литературе о нахождении в тканях человека и объектах окружающей среды самовоспроизводящихся биологических наночастиц, или нанобактерий. Их называют также «элементарные тела», «субъединицы», «фильтрующиеся формы», «ультрамикробактерии», «каменные бактерии» [3; 4].

Фильтрация, аэрация и хлорирование питьевой воды не приводят к эрадикации (уничтожению) нанобактерий, которые выявлены также в образцах наростов каменистой плотности на конструкциях фильтров и в просвете водопроводных труб. Нанобактерии активно поглощают железо, что дает им возможность существовать в абсолютно бескислородной среде в подземной воде. Установлено их участие в ржавлении труб и металлических конструкций. Доказан факт взаимодействия между белками нанобактерий и минералами с образованием наночастиц биологической природы, являющихся активными зародышевыми центрами очагов кристаллизации при биоминерализации с формированием минеральных конкреций с фосфатом кальция при сверхнасыщении кальцием или фосфатом [5].

Открытие существования новых биологических форм – нанобактерий – не менее революционно, чем работы Л. Пастера и Р. Коха о классических бактериях. Термин «нанобактерии» впервые ввел Ричард Морита в 1988 г., однако их «отцом» считается американский геолог Техасского университета Роберт Фольк, который в 1990 г. при исследовании горячих сернистых источников обнаружил уникальные микроорганизмы овоидной и призматической форм наномеровых размеров (20–200 нм). В настоящее время их относят к роду Nanobacter, и их предком считают Рroteobacteria. Чистые культуры трех штаммов ультрамикробактерий депонированы немецкой коллекцией микроорганизмов в качестве нового вида Nanobacterium sanguineum [6; 7].

Поскольку до недавнего времени о существовании в природе нанобактерий, окруженных карбонат-апатитным матриксом, науке было не известно, нормативные документы в области питьевого водоснабжения не рассматривают их среди факторов, влияющих на качество и безопасность питьевой воды.

Исследователи из Финляндии (фирма «Nanobac»), США (НАСА, университеты штата Калифорния, Райса, клиники Кливленда и больница Вашингтона), Великобритании (Кардиффский университет), Германии (Ульмский университет), Австралии (Центр микроскопии и микроанализа) установили причастность нанобактерий к процессам биоминерализации в организме человека (при атеросклерозе, мочекаменной болезни, калькулезном холецистите, подагре, узловом зобе, сахарном диабете, поражении опорно-двигательного аппарата, кариесе, новообразованиях, железодефицитных и других состояниях) [8–10]. Однако сообщения в литературе о нанобактериях как этиологических агентах известных или новых инфекционных заболеваний не встречаются.

Ученые Сибирского государственного медицинского университета под руководством профессора В. Т. Волкова при исследовании питьевой воды г. Томска и 20 населенных пунктов Томского района выявили нанобактерии во всех пробах. Они установили корреляционную зависимость между количеством нанобактерий в питьевой воде и уровнем заболеваемости узловым зобом, а также между содержанием железа в питьевой воде и плотностью нанобактерий [4]. Эти данные позволяют предположить наиболее вероятные пути попадания нанобактерий в организм человека с питьевой водой через желудочно-кишечный тракт, хотя не исключаются и другие пути. Несмотря на спорность некоторых аспектов рассматриваемой проблемы, а возможно, именно благодаря этой спорности, исследования в данной области продолжаются.

Цель настоящей работы – исследование проб питьевой воды из источников централизованного водоснабжения городов Иваново, Владимира и Костромы на наличие в ней биологических наноструктур.

Методы исследований. Выявление наноструктур в пробах питьевой воды проводили на электронном микроскопе JEM-100СХ (Япония) при инструментальном увеличении от 10 000 до 40 000 и ускоряющем напряжении 80 000 В. Подготовку препаратов осуществляли по методике негативного контрастирования 4-процентным раствором фосфорно-вольфрамовой кислоты (рН 6,8). Размеры биоструктур определяли непосредственно на негативных фотопластинках с помощью измерительного микроскопа МИР-12т.

Образцы воды для электронной микроскопии готовили двумя способами. По первому методу образцы воды в объеме 1,5 мл центрифугировали со скоростью 7 тыс. об/мин в течение 30 мин. При этом взвешенные примеси отделялись в осадок, который после удаления надосадочной жидкости ресуспендировали в 50 мкл воды. По второму методу для концентрирования возможных минерально-органических примесей и бактериальных клеток, которые могли присутствовать в исходной воде, использовали метод ультрафильтрации. Для этого в фильтровальный модуль ФМО2-1000 помещали ацетатцеллюлозную мембрану УАМ-300 (150) с диаметром пор соответственно 30 и 15 нм. Исследуемые образцы воды в объеме 0,9–1 л заливали в стакан модуля и компрессором создавали давление до 2 атм. Весь объем воды пропускали через мембрану, оставляя ее без признаков влаги на поверхности. При этом все минерально-органические примеси и микроорганизмы размером более 15 нм оставались на поверхности мембраны. Для дальнейших исследований отбирали пробы исходной и пропущенной через мембрану воды (ультрафильтрат) для определения их солевого баланса. По окончании фильтрации мембрану с осадком помещали в фарфоровую чашку, заливали жидким азотом (–196°С) и растирали пестиком до получения порошка мембраны, в составе которого оставались сконцентрированные микроорганизмы и минерально-органические образования. Данные образцы обозначали как ультраконцентраты и использовали для исследований или для целей электронной микроскопии.

Результаты исследований. В пробах питьевой воды, прошедшей обычную водоподготовку (первичное и вторичное хлорирование, в том числе при замене хлора гипохлоритом натрия), выявлены наноструктуры, аналогичные наблюдавшимся в других исследованиях в различных образцах материалов биологического происхождения (кровь, атеросклеротические бляшки, оссифицированные фрагменты щитовидной железы при узловом зобе, зубной камень при пародонтозе и др.). При электронной микроскопии концентрата обнаружены нанообъекты преимущественно сферической формы размерами 20–200 нм (концентрация 10⁸–10⁹ ед/мкл).

При исследовании проб воды (общей жесткостью 9 мг-экв/л) из скважины г. Иваново выявлены сферические структуры с протуберанцами диаметром 100–600 нм (рис. 1, а).

В пробах водопроводной воды, взятой из разводящей городской сети г. Иваново, были выявлены бактериальные клетки классической формы и наноструктуры сферической формы. На рис. 1, б дано изображение классической бактериальной клетки с размерами по большой оси 1,5 мкм и по малой оси 0,5 мкм в смеси с наносферами диаметром от 20 до 100 нм. Очевидно, что прохождение воды по водопроводным сетям обогащает воду бактериальными клетками (вторичное загрязнение).

При исследовании проб питьевой воды (общая жесткость 6,7–6,9 мг-экв/л) Судогодского водозабора г. Владимира были выявлены наноструктуры сферической формы диаметром от 10–20 до 200 нм (рис. 2, а, стрелка; уступ со стрелкой указывает на жгутик от классической бактерии). В ультраконцентратах некоторых образцов выявлены нанобактерии характерной палочковидной формы (рис. 2, б).

При анализе проб исходной воды из подземного источника (общей жесткостью 5 мг-экв/л и содержанием железа 1,54 мг/дм³) для очистных сооружений водопровода Башутино (г. Кострома) в ультраконцентрате установлено присутствие наносфер диаметром 20–100 нм (рис. 3, а). Помимо клеток нанобактерий минимальных размеров обнаружены конгломераты наноформ, которые, по-видимому, являются структурами конденсированного железа, образующимися при осаждении на мембрану в процессе ультрафильтрации или при нанесении на пленки-подложки, при подготовке препаратов для электронной микроскопии (рис. 3, б).

При анализе проб питьевой воды очистных сооружений водопровода Башутино (после очистки концентрация железа менее 0,1 мг/дм³, жесткость 5 мг-экв/л) наноформы не выявлены.

Для идентификации микроорганизмов, обитающих в исследуемой воде, проводили высев на среду МПА и среду Эндо. Определение вида бактерий проводили на системе VITEK2 compact, предназначенной для идентификации бактерий и дрожжей и определения чувствительности к антибиотикам клинически значимых бактерий. По результатам контроля установлено присутствие бактерий видов Stenotrophomonas maltophilia и Sphingomonas paucimobilis.

Выводы

При электронно-микроскопических исследованиях проб питьевой воды на водопроводных сооружениях городов Иваново, Владимира и Костромы выявлены нанообъекты – так называемые нанобактерии. При оценке чистоты питьевой воды необходим комплексный подход, учитывающий влияние нового биологического фактора на здоровье человека. При установлении факта неблагоприятного воздействия на человека возникнет необходимость разработки инновационных технологий очистки воды от нанобактерий.

Список цитируемой литературы

1. Гарасько Е. В., Горшенин А. П. Перспективы использования новых технологий для обеззараживания питьевой воды: Материалы Четвертого съезда общества биотехнологов России им. Ю. А. Овчинникова. – Пущино, 6–7 декабря 2006 г.
2. Горшенин А. П., Гарасько Е. В. Исследование эффективности внедрения новых технологий для обеззараживания питьевой воды // Вестник Ивановской медицинской академии. 2009. Т. 14.
3. Ванштейн М. Б., Кудряшова Е. Б. О нанобактериях // Микробиология. 2000. Т. 69. № 2.
4. Волков В. Т., Волкова Н. Н., Смирнов Г. В. Биоминерализация в организме человека и животных. – Томск: Тандем-Арт, 2004.
5. Мартел Я., Янг Д. Нанобактерии: взлет и падение // В мире науки. 2010. № 3 (март).
6. Пономарев А. П., Белик Е. В., Шиляев Р. Р., Гарасько Е. В. Морфология и свойства некоторых микроорганизмов, представителей нано- и микромира // Вестник Ивановской медицинской академии. 2008. Т. 13. № 3–4.
7. Шиляев Р. Р., Гарасько Е. В., Урусова Н. А. Современная трансфузиология и применение нанотехнологий для биологической безопасности // Вестник Ивановской медицинской академии. 2009. Т. 14. № 3.
8. Akerman K. K., Kuronen I., Kajander E. O. Scanning electron microscopy of nanobacteria. Novel biofilm producing organisms in blood // Scanning. 1993. V. 15. Suppl. III.
9. Akerman K. K., Kuikka J. T., Ciftcioglu N. Radiolabeling and in vivo distribution of nanobacteria in rabbit // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 1997. V. 3111.
10. Barr S. C., Linke R. A. Detection of biofilm formation and nanobacteria under long-term cell culture conditions in serum samples of cattle, goats, cats and dogs // Am. J. Vet. Res. 2003. V. 64.