на главную | поиск | контакты

zakaz@dezsept.ru

ПРОДУКЦИЯ

ПАГи - общие сведения

 

ВОДА БЕЗ ХЛОРА

 

Дезинфицирующие средства

 

БАКТЕРИЦИДНЫЕ КРАСКИ

 

ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ

 

Биоцидная присадка для бетона

 

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

 

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

 

НЕФТЕПРОДУКТЫ

НОВОСТИ

 Архив сообщений   

ПОЛИАЛКИЛЕНГУАНИДИНЫ — ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ БИОЦИДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В условиях современного мира увеличиваются катастрофы антропогенного характера, а также резко возрастается в последнее время опасность террористических актов различного характера, в том числе биотерроризма, определяют задачу обеспечения экологического благополучия населения как одну из наиболее насущных и актуальных задач, стоящих перед государством и обществом. Особенно важна эта проблема в условиях географических особенностей нашей страны, социально-политических проблем последнего времени и глобальных тенденций, связанных с появлением новых инфекционных заболеваний. Только интенсивные усилия по предупреждению и профилактике помогут предотвратить или минимизировать возможные человеческие и материальные потери от таких угроз.

Для быстрой, эффективной и безопасной для человека и окружающей среды локализации эпидемиологически неблагополучных районов и нормализации ситуации, снижения риска распространения очагов инфекционных заболеваний, среди прочего, необходимо иметь запас действенных и экологичных антисептиков. Создание таких антисептиков, а также технологий их применения как для дезинфекции в широком смысле этого слова, так и для борьбы с биоповреждениями различных материалов является одной из злободневных задач, стоящей перед химиками, микробиологами и технологами.

Согласно современным требованиям, предъявляемым к биоцидным препаратам, химические соединения, которые используются в качестве биоцидного действующего вещества в составе дезинфицирующих средств и композиционных материалов, должны обладать широким спектром биоцидного действия и в то же время быть малоопасными для человека и среды его обитания. Также они должны хорошо совмещаться с различными материалами и, защищая от биоповреждений, не вызывать в то же самое время коррозионных повреждений.

Одними из наиболее перспективных биоцидных составов последнего времени, отвечающими этим требованиям являются, разработанные российскими учеными высокомолекулярные биоцидные препараты — полиалкиленгуанидины (ПАГи).


Низкая токсичность ПАГов объясняется тем, что в организме теплокровных имеются ферментные системы, способные вызывать деградацию полимеров.


Как на российском, так и на мировом рынках до настоящего времени преобладают традиционные биоцидные препараты: хлорактивные, кислородсодержащие, четвертичные аммониевые соединения, а также соединения, содержащие соли тяжелых металлов (меди, олова и др.). Хлорактивные соединения хоть и подавляют большинство микроорганизмов, тем не менее, недостаточно эффективны или совсем неэффективны относительно споровых форм (бацилл), вирусов, синегнойной палочки, цист простейших; а кислородсодержащие соединения существенно менее активны. При этом большинство этих классов химических соединений весьма агрессивно и токсично, их использование представляет серьезную угрозу здоровью людей, небезопасно для окружающей среды, вызывает коррозию оборудования, повреждает и обесцвечивает материалы. Четвертичные аммониевые соединения активно подавляют разного рода бактерии, но не эффективны в отношении вирусов и не всегда безопасны для человека. Соединения, содержащие тяжелые металлы, которые обычно используются в сельском хозяйстве, в средствах защиты древесины, необрастающих красках, весьма токсичны и экологически небезопасны: через пищевую цепь они легко попадают в организм человека и животных, вызывая серьезные последствия.

Проведенная несколько лет назад в ангарском Институте труда и экологии человека сравнительная оценка ряда химических соединений (производные хлорированных бисфенилов, триазина, силатранов, станилтиосиланов, хлортиобензойной и дитиокарбаминовых кислот, акрилзамещенных пирана, соединений фуранового ряда и др.) показала, что по комплексным критериям эффективности, токсичности и опасности, доступности сырья, технологичности и экологической безопасности производства, физико-химическим свойствам ПАГи являются наиболее перспективными антисептиками.

Спектр биоцидного действия ПАГов весьма широк: уже в небольших концентрациях они эффективны против грамположительных и грамотрицательных бактерий (включая микобактерии туберкулеза), различного рода грибов (плесневых, дрожжеподобных, дерматофитов и др). В отличие от широко используемого за рубежом хлоргексидин биглюконата (низкомолекулярного аналога), ПАГи одновременно воздействуют не только на аэробную и анаэробную микрофлору, но и подавляют вирусы. Препараты не только губительно действуют на широкий круг возбудителей многих болезней, но и уничтожают, например, насекомых кератофагов (личинки моли, кожееда, жука древоточца). Установлена антимикробная активность ПАГов по отношению к возбудителям некоторых особо опасных инфекций (сап, чума, легионеллез).

В водной среде ПАГи эффективно подавляют нежелательную микрофлору и водоросли. В НИИ прикладной микробиологии обнаружено, что для защиты от биокоррозии систем охлаждения среди 20 биоцидных соединений различных классов (Прогресс, Твин-40, Тритон Х-100, Синтанол ДС-10, додецилсульфат натрия, глутаровый альдегид, дихлор глиоксим, N-цетилпиридиний хлорид, катамин АБ и др.) одним из наиболее перспективных препаратов является ПГМГ-хлорид, который эффективен по отношению к сообществу из 45 микроорганизмов-биодеструкторов, выделенных из этих систем.

Испытания, проведенные в Сенежской лаборатории защиты древесины, показали, что ПАГи эффективно подавляют до 30 видов плесневых, разрушающих и окрашивающих древесину грибов, благодаря чему их растворы могут быть использованы для обработки как сырой древесины, так и изделий из дерева.

При испытании в качестве фунгицидов для защиты пленочных материалов ряда химических соединений, среди которых присутствовали четвертичные аммониевые соединения (катапарм, катамин АБ, ГИПХ-13), широко известные фунгициды (салициланилид, трилан, мертиолят, хлорнонизид, ниртан, амфолан, фитон, хлоргексидин биглюконат, КСДК и др.), полиэтиленимин и его производные, антибиотики, окись пропилена, парафарм, трихлор- и пентахлорфеноляты, в НИЦ технической документации было установлено, что лишь немногие химические соединения, в том числе ПАГи, обеспечивают необходимую биостойкость, сохранение оптических характеристик и технического состояния поверхности кинофотоматериалов.

Широкий спектр биоцидного действия ПАГов обусловлен наличием в повторяющихся звеньях макромолекул полимеров гуанидиновых группировок, являющихся активным началом некоторых природных и синтетических лекарственных средств и антибиотиков (сульгина, исмелина, фарингосепта, стрептомицина и др.). Биоцидное действие ПАГов обусловлено тем, что фосфолипидные клеточные мембраны микроорганизмов, обладающие отрицательным суммарным электрическим зарядом, эффективно сорбируют биоцидный поликатион, который разрушает клеточную мембрану, ингибирует обменную функцию ферментов, нарушает воспроизводящую способность нуклеиновых кислот и белков, а также угнетает дыхательную систему; такое воздействие наряду с разрушением стенок клетки приводит к гибели микроорганизма.

Обладая сильным биоцидным действием по отношению ко многим микроорганизмам, ПАГи обладают низкой токсичностью для человека и животных. Ведущими токсикологическими центрами России проведены обширные исследования токсичности и опасности ПАГов, положенные в основу их гигиенического нормирования. Среднесмертельная доза при поступлении различных ПАГов в организм через кожу составляет 10 000—15 000 мг / кг, при поступлении через желудок—815—3 200 мг / кг. Мутагенного и канцерогенного действия у препаратов не обнаружено. По результатам этих исследований препараты отнесены к IV классу малоопасных соединений при поступлении через кожу и к III классу умеренно опасных соединений при поступлении в желудок (в соответствии с ГОСТ 12.1.007). В результате проведенных динамических наблюдений с использованием 25 тестов установлено, что пороговая доза вещества в организме составляет 1 мг / кг, а недействующая доза—0,15 мг / кг. В воде в качестве ОБУВ (ориентировочный безопасный уровень воздействия) для ПГМГ-хлорида принята доза, равная 3 мг / л (по санитарно-токсикологическому признаку вредности).

Низкая токсичность ПАГов объясняется тем, что в организме теплокровных имеются ферментные системы, способные вызывать деградацию гуанидинсодержащих полимеров. Первой стадией метаболизма фосфата или хлорида ПГМГ в живом организме является замена хлоридного или фосфатного аниона на анион глюконата; в дальнейшем протекает гидролиз гуанидиновых группировок с превращением их в мочевинные, а также деструкция полимерных цепей на отдельные фрагменты.

Твердые формы ПАГов чрезвычайно стабильны в отношении окислительной и термической деструкции, старения (срок хранения 15 лет). Водные растворы ПАГов также стабильны и длительно сохраняют свои физико-химические свойства и биоцидную активность. ПАГи не имеют цвета и запаха, не раздражают кожу и слизистые оболочки, не обесцвечивают ткани, не вызывают коррозии оборудования, обладают поверхностно-активными свойствами. После высыхания раствора на поверхности образуется тонкая неосязаемая полимерная пленка, обеспечивающая длительную защиту поверхности от атаки микроорганизмов.


Полигуанидиновые препараты могут быть использованы для безопасной дезинфекции поверхностей; для очистки и обеззараживания воды в альтернативных технологиях водоподготовки; для защиты от биоповреждений строительных материалов, нефтепродуктов, резины, текстиля, бумаги, полимерных материалов; а также как биоциды в сельском хозяйстве. В качестве катионных полиэлектролитов ПАГи рекомендованы для использования в бумажной, резиново-технической промышленности, в оптике и гальванотехнике.


Удачное сочетание биоцидных, токсикологических и физико-химических свойств делает ПАГи перспективными для использования как в виде самостоятельных дезинфицирующих средств, так и в качестве биоцидных добавок и вспомогательных веществ.

По своим химическим свойствам ПАГи во многом повторяют свойства полиаминов и четвертичных аммониевых соединений, являются высокомолекулярными катионными полиэлектролитами, более сильными органическими основаниями, чем полиэтиленимин. Варьирования свойств полиалкиленгуанидиновых препаратов можно добиться, изменяя в макромолекуле биоцидного полимера химическую природу аниона А—, а также длину или состав углеводородной цепи.

Большие возможности модификации ПАГов связаны с относительно высокой реакционной способностью гуанидиновых группировок. В то время как низкомолекулярные соединения теряют свои биоцидные свойства при любом химическом превращении, биоцидные свойства ПАГов при многих химических реакциях сохраняются, поскольку гуанидиновые группировки объединены в общую полимерную цепь и в химической реакции всегда участвует лишь часть из них; при этом неизмененные группировки сохраняют новому соединению биоцидные свойства.

ПАГи легко вступают в различные химические реакции с низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями с образованием как растворимых, так и сетчатых интерполимерных комплексов и ковалентно-связанных интерполимеров. Такой путь химической модификации привел к созданию органоминеральных сорбентов, а также органорастворимых препаратов, которые после высыхания образуют на поверхности водостойкие полимерные пленки с высокими прочностными характеристиками и пролонгированным биоцидным эффектом.

Разработанные российскими учеными полигуанидиновые препараты могут быть использованы для дезинфекции помещений медицинского, пищевого, ветеринарного профиля, а также любых других помещений. По бактериостатической и бактерицидной активности эти препараты не уступают лучшим зарубежным дезинфицирующим средствам, а во многих случаях превосходят последние. Особое место занимает проблема использования ПАГов для очистки и обеззараживания воды без хлора. Накоплен большой положительный опыт использования ПАГов в качестве биоцидов в сельскохозяйственном производстве, строительстве, при защите от биоповреждений нефтепродуктов, резинотехнических изделий, текстиля, древесины, бумаги, пластика, лаков, красок и др.

Однако ПАГи примечательны не только своими биоцидными свойствами: в качестве катионных полиэлектролитов они рекомендованы для использования в бумажной и резинотехнической промышленности, в оптике. В гальванотехнике ПАГи успешно заменяют высокотоксичные соединения. Использование ПАГов в любом процессе снижает токсичность и опасность, улучшает экологию, устраняет процессы гниения и брожения, обеззараживает сточные воды.


ДЕЙСТВИЕ ПАГов НА МИКРО- И МАКРООРГАНИЗМЫ - ДВЕ СТОРОНЫ ОДНОЙ МЕДАЛИ

В настоящее время в литературе описано несколько тысяч химических соединений, обладающих биоцидными свойствами, однако на практике по соображениям безопасности используются лишь сотни из них. Ежегодно десятки биоцидных препаратов снимаются с производства по причине их низкой антимикробной активности либо высокой токсичности.

Кроме природной устойчивости некоторых микроорганизмов к биоцидным препаратам, микроорганизмы быстро адаптируются к неблагоприятным факторам, в том числе и к воздействию антимикробных средств. Этот феномен объясняется, в первую очередь, выживанием в условиях контакта с биоцидом наиболее устойчивых (резистентных) штаммов бактериальной популяции. В итоге, вследствие мутации, выживают клетки, имеющие измененный ген. Описаны случаи размножения потенциально патогенных микроорганизмов в растворах, предназначенных для дезинфекции, адаптации к терапевтическим дозам антибиотиков и полирезистентности к десяткам антимикробных средств. Вследствие нерационального и не всегда аккуратного или неквалифицированного использования антибиотиков и дезинфицирующих средств число резистентных штаммов постоянно возрастает, а полирезистентные возбудители инфекционных заболеваний имеют тенденцию к распространению во внешней среде. Так, в частности, в настоящее время отмечен рост числа критических публикаций, касающихся четвертичных аммонийных соединений (ЧАС). Авторы отмечают, что у одних видов микроорганизмов наблюдается естественная устойчивость к ЧАС, другие быстро ее приобретают, образуя биопленку, нейтрализующую активно действующие вещества. Кроме этого, отмечено отсутствие активности ЧАС в отношении возбудителей туберкулеза, пикорновирусов, псевдомонад, мукоидных штаммов стафилококков.

В связи с быстрой адаптацией микроорганизмов, возрастающих требований к экологической безопасности препаратов и их производством, их токсичностью и аллергенностью, существует постоянная необходимость поиска принципиально новых экологически безопасных биоцидных препаратов.

Наиболее актуальными направлениями при создании новых биоцидных средств являются не столько повышение их антимикробной активности (так как при этом, как правило, возрастает и их токсичность), а увеличение длительности их антимикробного действия после обработки поверхностей, снижение токсичности, аллергенности и экологическая безопасность. Большое значение имеет также широкий спектр биоцидного действия препаратов в отношении патогенной микрофлоры, доступность сырья для организации промышленного производства, технологичность, срок годности, приемлемые физико-химические, гигиенические и потребительские свойства.

Сравнение различных групп химических соединений (хлорсодержащие, перекисные соединения, альдегиды, фенолы и их производные, ЧАС, поверхностно активные вещества) по указанным критериям приводит к выводу, что наиболее перспективными и приемлемыми к употреблению являются ионогенные и амфолитные поверхностно активные вещества (ПАВ).

Нами разработаны уникальные нетоксичные полимеры с широким спектром биоцидной активности—полиалкиленгуанидины (ПАГи), которые по своей химической природе относятся к высокомолекулярным катионным ПАВ. На их основе созданы новые средства дезинфекции, оригинальные препараты для защиты различных материалов от биоповреждений. Наиболее популярными и исследованными представителями ПАГов являются высокомолекулярные соли полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) — хлорид и фосфат.

ПАГи обладают широким спектром антимикробного, антивирусного, фунгицидного, пестицидного и алгицидного действия, низкой токсичностью и коррозийной активностью, длительно хранятся без потери бактерицидных свойств и, самое главное, обладают пролонгированным бактерицидным действием, поскольку образуют на обработанной поверхности тончайшую полимерную пленку, обеспечивающую длительную защиту поверхности от атаки микроорганизмов.

Высокую биоцидную активность этим полимерам придают полярные гуанидиновые группировки, губительно действующие на микроорганизмы и при этом совместимые с макроорганизмом, в котором имеются системы, осуществляющие метаболизм полимерного соединения. Благодаря полимерной природе, ПАГи по биоцидной активности эффективнее хлоргексидин биглюконата и других низкомолекулярных катионных ПАВ и при этом менее токсичны.

Известно, что антимикробное действие биоцидных препаратов зависит, от их химического строения и строения клеток микроорганизмов. Первым шагом на пути взаимодействия микроорганизмов с антимикробными веществами являются клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана, которые обеспечивают осмотический барьер и избирательное проникновение веществ в клетку. Клеточные стенки разных микроорганизмов имеют различное строение, благодаря чему избирательно взаимодействуют с различными антимикробными веществами и обладают неодинаковой устойчивостью к воздействию химических соединений разных классов. Так, для катионных ПАВ мишенями являются карбоксильные группы аминокислот и кислых полисахаридов бактерий, а для анионных ПАВ — кетонные группы белков, аминогруппы соответствующих углеводов и липидов, а также фосфатные группы тейхоевых кислот.


Эффективность действия различных антимикробных средств на микроорганизмы в первую очередь зависит от их способности нарушать проницаемость клеточной стенки и проникать внутрь клетки.


В естественных условиях микробные клетки обладают общим отрицательным зарядом, поэтому наиболее широкое практическое применение нашли катионные ПАВ, которые губительно действуют на грамположительные и грамотрицательные бактерии, дрожжевые и нитчатые грибы. Но в клетке также имеются молекулы, несущие положительные заряды, поэтому и анионные ПАВ губительно действуют на микроорганизмы, но при более высоких концентрациях.

Имеются также различия и в действии ПАВ на грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы, а также на прокариотические и эукариотические клетки. Это связано с особенностями структурно-химической организации стенок и мембран клетки, а также ее цитоплазматического содержимого.

Следует учитывать, что микроорганизмы имеют весьма эффективные механизмы защиты от антимикробных средств, причем естественные различия в устойчивости различных микроорганизмов к антибактериальным средствам могут достигать сотен и даже тысяч раз.

Эффективность действия различных антимикробных средств на микроорганизмы в первую очередь зависит от их способности снижать проницаемость клеточной стенки и проникать внутрь клетки. В связи с этим большой интерес представляют препараты, увеличивающие пассивный транспорт и проницаемость мембран. Сильное дестабилизирующее действие на мембраны клеток оказывают низкомолекулярные катионные ПАВ (цитилпиридиний хлорид, хлоргексидин, алкилдиметилбензиламмоний хлорид). Однако токсичность этих веществ не так низка, как хотелось бы. Это обстоятельство и отсутствие специфичности действия ограничивает применение низкомолекулярных катионных ПАВ. Высокомолекулярные мембраноактивные вещества менее токсичны и представляют большой практический интерес.

Проникнув внутрь клетки, биоцидные вещества взаимодействуют с различными функциональными группами ее содержимого в зависимости от своей химической природы, нарушая процессы метаболизма и образования клеточных структур. Приведем несколько известных примеров. Действие биоцидов может заключаться в ингибировании ферментов (фтористый натрий, фенилгидразин и др.). Ингибирование даже одного какого-либо фермента, участвующего в важном метаболическом процессе, приостанавливает весь процесс, а иногда может оказаться смертельным для организма. Катионы тяжелых металлов оказывают токсическое действие на микробные клетки, реагируя с различными функциональными группами белков, что приводит к нарушению их структурной организации и функционирования. Механизм антимикробного действия оловоорганических соединений в основном сводится к ингибирующему воздействию на транспорт электронов в процессе окислительного фосфорилирования. ЧАСы в основном вызывают денатурацию белка и нарушают целостность клеточных мембран. Хлорорганические соединения, фенолы и хиноны обладают токсическим эффектом вследствие их влияния на процессы дыхания. Фенолы способны также образовывать нерастворимые комплексные соединения с полисахаридами клеточной стенки, нарушая ее свойства. Хиноны, взаимодействуя с клеточными метаболитами, блокируют их и выключают из обменных процессов.

В настоящее время механизм действия ПАГов на микроорганизмы представляют следующим образом:

  • гуанидиновые поликатионы адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактериальной клетки, блокируя тем самым дыхание, питание, транспорт метаболитов через клеточную стенку бактерий (этот эффект зависит от величины ионного заряда поликатиона);
  • макромолекулы ПАГа дифундируют через стенку клетки, вызывая необратимые структурные повреждения на уровне цитоплазматической мембраны, нуклеотида, цитоплазмы (этот процесс зависит от величины поверхностной активности, липофильности, растворимости в воде, молекулярного объема дифундирующей частицы);
  • ПАГи связываются с кислотными фосфолипидами, белками цитоплазматической мембраны, что приводит к ее разрыву (этот эффект зависит от концентрации и молекулярной массы антисептика);
  • результатом этого является блокада гликолитических ферментов дыхательной системы, потеря патогенных свойств и гибель микробной клетки.

Все изученные ПАГи в дозе менее 50 мг/кг при накожном нанесении в хроническом эксперименте являются безвредными для организма человека.


Постановка вопроса о широком использовании ПАГов в практике потребовала их детальной токсикологической и санитарно-гигиенической оценки, необходимой для обоснования допустимого уровня их остаточных количеств на обработанных препаратом поверхностях, в воде и пищевых продуктах. Результаты экспериментов показали, что интенсивность интоксикации зависит от химической структуры препарата, от способа и дозы поступления в организм, а также от времени воздействия препарата на организм животного (острое, подострое или хроническое воздействие).

ПАГи нерастворимы в жирах, но хорошо растворимы в воде. Экспериментально установлено, что ПАГи могут всасываться через неповрежденные кожные покровы, однако, в силу низкой величины коэффициента распределения масло/вода и большой молекулярной массы, скорость трансэпидермальной, трансфоликулярной, трансгландулярной пенетрации этих соединений невелика, и составляет 1,5 мкг/кв. см/час (для низкомолекулярного хлоргексидина она значительно выше — 10,3 мкг/кв. см/час). Скорость всасывания ПАГа тем выше, чем больше доза нанесенного на кожу препарата, но в любом случае транскутантная резорбция препарата происходит, в основном, в первые 5—30 минут контакта: высыхая на поверхности кожи, ПАГи образуют полимерную пленку, которая препятствует дальнейшему поступлению антисептика в организм через кожу. С гигиенической точки зрения важно, что все изученные ПАГи в дозе менее 50 мг/кг при накожном нанесении в хроническом эксперименте являются безвредными для организма. В этих условиях ПАГи не способны нарушать развитие и функции половых клеток, семенников и яичников, нарушать эстральный цикл, оказывать неблагоприятное воздействие на эмбриогенез, вызывать мутации в соматических и половых клетках, индуцировать образование опухолей.

При введении ПАГов в желудок проявленные патогенетические реакции, включающие нарушение биологических мембран, приводят к одинаковому нарушению механизмов регуляции метаболических процессов у микро и макроорганизмов. Однако в финале у микроорганизмов происходит блокада ферментов дыхательной системы, потеря патогенных свойств и гибель; у макроорганизмов наблюдается только нарушение обменных процессов, ведущее к развитию анемии.

Наибольшую опасность для макроорганизма представляет гемолитический эффект, являющийся результатом мембранотоксического действия ПАГов. Экспериментально этот эффект обнаружен только на уровне высоких доз препаратов при их внутрижелудочном введении в условиях хронического воздействия. В реальных же условиях применения ПАГов гемолитический эффект не представляет какой-либо угрозы макроорганизму, так как безопасные для него, но губительные для микроорганизмов дозы препаратов находятся значительно ниже уровня, на котором могут наблюдаться признаки развития анемии. Расчетная величина фактора надежной безопасности (CSF=LD50 / ED100) для ПАГов в среднем составляет 3667 (во столько раз ПАГи токсичнее для патогенной микрофлоры, чем для животных и человека).

Установлено, что антимикробная активность и токсическое действие ПАГов определяются не только дозой и временем воздействия препарата, но в значительной степени зависят от структуры полимера, в первую очередь от химической природы аниона. Так, например, по действию на кишечную палочку изученные соли ПГМГ различаются в 120 раз.

Следует отметить, что ПАГи являются нормально биоразлагаемыми веществами: в живом организме имеются ферментные системы, способные вызывать их деградацию, предотвращая кумуляцию препарата. Установлено, что первой стадией метаболизма ПГМГ-хлорида или ПГМГ-фосфата в живом организме является замена хлоридного или фосфатного иона на анион глюконата (т. е. образование одного из наименее токсичных представителей ПАГов). В дальнейшем протекает гидролиз гуанидиновых группировок с превращением их в мочевинные группировки, а также деструкция полимерной цепи.

Для различных изученных солей ПГМГ и различных групп животных экспериментально установлено, что среднесмертельная доза при поступлении в организм через кожу (LD50 per cut) составляет 8 900—15 500 мг / кг, при поступлении через желудок (LD50 per os) — 815—3 200 мг / кг.

Для ПАГов установлены и другие показатели, необходимые для обоснования гигиенических нормативов при поступлении этих препаратов в организм через кожные покровы и желудок. В соответствии с ГОСТ 12.1.007—76 все известные препараты отнесены к IV классу малоопасных соединений при поступлении в организм через кожу и к III классу умеренно опасных веществ при поступлении в желудок.

Поступление ПАГов в макроорганизм возможно при использовании их растворов для дезинфекции, а также при их использовании для обеззараживания питьевой воды или воды плавательных бассейнов.

Для водоемов существенным моментом является то, что ПАГи эффективно сорбируется различными компонентами загрязнения воды (взвешенными веществами, коллоидными частицами, нефтепродуктами, анионными ПАВ, молекулами красителей и т.п.), как правило, имеющими анионную природу. Вследствие этого ПАГи быстро удаляются из воды, переходя в донную фазу, где под воздействием активного ила существенно ускоряются процессы его биодеструкции. При испытании ПАГов по стандартной методике оценки биоразлагаемости флокулянтов установлено, что препарат разлагается на 80 % за один проход через слой активного ила.

Из всего сказанного становится ясно, что ПАГи являются весьма перспективными для практического использования биоцидными препаратами, способными удовлетворить потребности в новых дезинфицирующих средствах и биоцидных материалах.


О ВЛИЯНИИ ПОЛИМЕРНОЙ ПРИРОДЫ ГУАНИДИНСОДЕРЖАЩИХ АНТИСЕПТИКОВ НА ИХ БИОЦИДНЫЕ СВОЙСТВА И ТОКСИЧНОСТЬ

Основными факторами, влияющими на выбор того или иного антисептика, являются его эффективность против патогенных микроорганизмов, степень токсичности, длительность действия, удобство применения. Сравнительный анализ высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений позволяет убедиться в том, что полимерные биоциды обладают лучшими характеристиками по всем параметрам.

Антимикробной активностью обладает достаточно широкий круг природных и синтетических соединений, но многие из них небезопасны для человека и животных. Поэтому только некоторые химические соединения могут быть рекомендованы для практического использования в качестве антисептических препаратов. К их числу относятся полимеры, содержащие атомы азота в основной или боковой цепи (катионные полиэлектролиты) и их низкомолекулярные аналоги. Эти соединения способны вступать во взаимодействие с клеточной оболочкой бактерии, приводящее к ее гибели.

СТРОЕНИЕ КЛЕТОЧНОЙ ОБОЛОЧКИ БАКТЕРИИ
Клеточная оболочка бактерии состоит из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Она обеспечивает осматический барьер и избирательное проникновение веществ в клетку. Через клеточную стенку оболочки осуществляется вход и выход малых молекул, ферментов и экзотоксинов; на ее поверхности сгруппированы фосфатные группы липидов, а также сиаловые и тейхоевые кислоты, в результате чего бактериальная клетка несет общий отрицательный заряд.

Цитоплазматическая мембрана клеточной оболочки обеспечивает постоянство внутриклеточного состава; ее сохранность является необходимым условием существования клетки. Мембрана состоит из фосфолипидов и белков, причем электроотрицательные гидрофильные части молекул полярных фосфолипидов обращены наружу, а гидрофобные (остатки жирных кислот) образуют внутри мембраны ряды параллельных углеводородных цепей. Входящие в состав мембраны белковые молекулы ассоциированы с поверхностью мембраны или погружены в нее. Такая система стабилизирована электростатическими взаимодействиями полярных групп, а также гидрофобными взаимодействиями белков и липидов.

МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАТИОННЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ С БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКОЙ
Катионные полиэлектролиты и их низкомолекулярные аналоги, несущие положительный заряд, на первом этапе взаимодействия с отрицательно заряженной бактериальной клеткой адсорбируются на ее поверхности, блокируя тем самым дыхание, питание и транспорт метаболитов через клеточную стенку. Затем они нарушают проницаемость клеточной стенки и пенетрируют внутрь клетки, где вступают в электростатическое и гидрофобное взаимодействие с фосфолипидами и белками цитоплазматической мембраны. Эти процессы вызывают дестабилизацию электростатических и гидрофобных взаимодействий, дезорганизацию структуры мембраны и в финале приводят к ее разрыву, блокаде дыхательной системы и гибели микробной клетки.

ВЛИЯНИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЯРНОЙ ПРИРОДЫ КАТИОННОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА
Макромолекулярная природа катионного полиэлектролита вносит свой вклад в изменение его реакционной способности при взаимодействии с микробной клеткой за счет таких факторов, как кооперативное взаимодействие соседствующих по цепи функциональных групп; внутримолекулярные взаимодействия отдаленных по цепи фрагментов; конформационные превращения полимерной цепи; изменения комплементарности макромолекул биоцида и белковых молекул бактериальной клетки.

Взаимодействие гибкоцепных полиэлектролитов с микробной клеткой было изучено Афиногеновым и Панариным. Ими показано, что антимикробная активность полимерного реагента зависит в первую очередь от величины заряда на макромолекуле и в большинстве случаем повышается по сравнению с его низкомолекулярным аналогом за счет кооперативного связывания множества положительно заряженных звеньев макромолекулы с поверхностью отрицательно заряженной бактериальной клетки (бывают исключения).

На активность поликатиона при взаимодействии с микробной клеткой влияет также химическое строение его углеводородных радикалов, которые вмешиваются в гидрофобные взаимодействия в неполярной части клеточной мембраны, изменяя поверхностную активность и липофильность соединения.

К числу наиболее известных полимерных катионных полиэлектролитов относятся четвертичные аммониевые соединения и полигуанидины.

ГУАНИДИНОВЫЕ АНТИСЕПТИКИ
Гуанидиновые соединения широко распространены в природе и находят применение в качестве физиологически активных веществ: лекарств, антисептиков, фунгицидов, пестицидов. К ним относятся, например, аминокислота аргинин, фолиевая кислота, многочисленные белки и нуклеиновые кислоты. Гуанидиновая группировка служит активным началом многих лекарственных веществ (сульгин, исмелин, фарингосепт, аспирин) и антибиотиков (стрептомицин и другие).

Высокую биоцидную активность гуанидиновым соединениям придает несущий положительный заряд катион гуанидиния, обеспечивающий электрическое взаимодействие с микробной клеткой. В отличие от четвертичных аммониевых соединений, где положительный заряд локализован на одном атоме азота, в катионе гуанидиния заряд распределен между тремя атомами азота. Такое строение реакционного центра обеспечивает необходимый баланс между эффективностью биоцидного действия антисептика в отношении микроорганизмов и токсичностью в отношении теплокровных животных и человека.

Для того чтобы выяснить влияние полимерной природы гуанидинового антисептика на его эффективность по отношению к микроорганизмам и токсичность для человека, сравним свойства типичного представителя полигуанидинов — полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) и его низкомолекулярного аналога - хлоргексидина. 

Высокомолекулярные соли ПГМГ — растворимые в воде твердые вещества, обладающие свойствами катионного полиэлектролита и сильного органического основания; эффективны в отношении многих патогенных микроорганизмов, вызывающих гнойные, респираторные, кишечные, венерические и другие заболевания у людей и животных. При этом соли ПГМГ малотоксичны для человека.

Хлоргексидин представляет собой белый кристаллический порошок без запаха, он плохо растворим в воде и спирте, и поэтому обычно выпускается в виде хорошо растворимого в воде биглюконата:

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОЦИДНОГО ДЕЙСТВИЯ
Хлоргексидин оказывает быстрое и сильное бактерицидное действие, поэтому широко используется в медицинской практике как эффективное дезинфицирующее средство для борьбы с внутрибольничными инфекциями, для профилактики венерических заболеваний, в хирургии для стерилизации хирургического инструмента, обработки операционного поля, рук хирурга, промывания операционных ран, мочевого пузыря, ожогов.

Ограничения в биоцидном действии хлоргексидина проявляются в устойчивости к нему некоторых больничных штаммов микробов: он слабо действует на микобактерии туберкулеза, синегнойную палочку, малоэффективен в отношении аэробных бактерий, не действует на вирусы и споры. Эффективность препарата снижается в присутствии белковой нагрузки.

Макромолекулярная природа ПГМГ обеспечивает пролонгированное антимикробное действие препарата: в отличие от низкомомкулярных соединений, антимикробное действие, которых сохраняется всего несколько часов (в лучшем случае несколько суток), полимер образует на поверхности биоцидную пленку, которая обеспечивают длительную (несколько месяцев) защиту обработанной поверхности от появления на ней микроорганизмов.

Наличие тонкой пленки, образующейся при протирании поверхности раствором 0,1—1% концентрации полигуанидина, было экспериментально подтверждено методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Обнаружено, что полимерная пленка сохраняется на обработанной поверхности в течение нескольких месяцев и даже через 6 месяцев сохраняет биоцидную активность.

По сравнению с хлоргексидином, препараты ПГМГ обладают более широким спектром биоцидного действия: в равной степени действуют на аэробную и анаэробную микрофлору; эффективны в отношении синегнойной палочки, микобактерий туберкулеза; подавляют возбудителей некоторых особо опасных инфекций (легионеллез, сап, чума); обладают вирулицидным действием в отношении возбудителей полиомиелита, ВИЧ, гепатитов, герпеса, гриппа. Благодаря полимерной природе, ПГМГ обладает катионными поверхностно-активными свойствами и в процессах подготовки воды может служить одновременно биоцидом и флокулянтом. Это позволяет отказаться от специальных флокулянтов и вместо трех реагентов (коагулянт, флокулянт, биоцид) использовать только биоцид и коагулянт. Одновременно, представляется возможность, отказаться от применения хлора и хлорсодержащих препаратов, приводящих к образованию в воде высокотоксичных хлорорганических соединений.

Комплекс свойств полигуанидинов позволяет использовать их не только в качестве антисептических средств в медицинской практике, но также в качестве биоцидных добавок в различные материалы (цемент, резину, ткани, бумажную массу, краски и др.), а также вспомогательных материалов в различных технологических процессах.

СРАВНЕНИЕ ТОКСИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Накопленный экспериментальный материал свидетельствует о том, что производные ПГМГ менее токсичны, чем их низкомолекулярный аналог: среднесмертельная доза (LD50) для большинства производных ПГМГ превышает аналогичные значения для хлоргексидин биглюконата при любом пути поступления препарата в организм теплокровных.

Одна из причин снижения токсичности полигуанидинов заключается в различной проницаемости кожных покровов для полимера и его низкомолекулярного аналога. Экспериментально установлено, что полигуанидины всасываются через неповрежденные кожные покровы, однако, в силу низкой величины коэффициента распределения масло / вода, скорость трансэпидермальной резорбции через неповрежденные кожные покровы для полимера гораздо ниже, чем для его аналога (табл. 1). Высыхая на поверхности кожи, полимер образует пленку, которая препятствует дальнейшей резорбции антисептика, поэтому всасывание полимера при контакте с кожным покровом быстро прекращается. Повидимому, на снижение токсичности полимера оказывает влияние также его непроходимость чрез клеточные мембраны и малая подвижность больших молекул.

МИНИМАЛЬНАЯ ПОДАВЛЯЮЩАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ПРЕПАРАТОВ, МКГ/МЛ

Рис.1 Эффективность биоцидного действия солей ПГМГ и хлоргексидин биглюконата в отношении некоторых тест-микроорганизмов

Токсичность полигуанидинов в значительной степени зависит от химической природы аниона А– . Для того чтобы исключить влияние аниона и выявить влияние полимерной природы гуанидинсодержащего антисептика на его токсические свойства, сравним свойства ПГМГ-глюконата и хлоргексидин биглюконата. В табл. 1 представлены некоторые параметры токсиметрии этих антисептиков при их поступлении в организм теплокровных животных через кожу. Видно, что для полимера все пороговые концентрации, а также предельно допустимый уровень (ПДУ) значительно выше, чем для его низкомолекулярного аналога, то есть токсичность антисептика уменьшается при переходе от низкомолекулярного соединения к высокомолекулярному.

По своим параметрам оба вещества (а также все другие соли ПГМГ) относятся к IV классу малоопасных соединений. Однако «фактор надежной безопасности» (CSF-фактор), показывающий во сколько раз данный препарат токсичнее для патогенной микрофлоры, чем для человека, для ПГМГ-глюконата во много раз превышает аналогичный фактор для хлоргексидин биглюконата (табл. 1).Среднее значение CSF-фактора для различных солей ПГМГ составляет 3667.

На практике при использовании хлоргексидин биглюконата в некоторых случаях наблюдали появление сухости и зуда кожи, дерматиты; у ПГМГ-глюконата свойства кожного аллергена отсутствуют.

Токсичность полигуанидинов (величина LD50) уменьшается одновременно с уменьшением электроотрицательности аниона А–. Барковой и Богачук на основании полученных ими экспериментальных данных и квантово-механических расчетов были развиты представления, согласно которым токсические свойства гуанидиновых соединений зависят от степени делокализации положительного заряда в молекуле.

Влияние аниона обусловлено его донорно-акцепторными свойствами: анионы-акцепторы (например, Сl–, ОН–) оттягивают на себя электроны, увеличивая положительный заряд на катионе гуанидиния. Перераспределение электронной плотности в гуанидиновой группировке создает напряжение во всей макромолекуле: она принимает вытянутую конформацию, в которой все гуанидиновые группы легко доступны и реализуют свою реакционную способность при взаимодействии с клеткой.

Анионы фосфорной, глюконовой и других органических кислот, напротив, отдают электронную плотность на гуанидиновую группировку, уменьшая ее положительный заряд. Инициированное анионом перераспределение электронной плотности в гуанидиновой группировке распространяется вдоль полимерной цепи и усиливает внутримолекулярные взаимодействия удаленных по цепи функциональных групп. В результате макромолекула принимает конформацию спирали, которая стабилизируется водородными связями и ван-дер-ваальсовым взаимодействием гексаметиленовых фрагментов (анион определяет шаг внутримолекулярной спирали). При этом часть гуанидиновых группировок оказывается блокированной и теряет свою реакционную способность, кроме того, может быть нарушена комплементарность макромолекулы полигуанидина и рецепторов мембранных структур клетки.

Таким образом, макромолекула ПГМГ (3) представляет собой хорошо сбалансированную систему, в которой гуанидиновая группировка несет положительный заряд и обеспечивает бактерицидные свойства; анион А– оказывает влияние на степень делокализации положительного заряда и тем самым контролирует токсичность; гексаметиленовая цепочка способствует перераспределению электронной плотности в макромолекуле и, кроме того, регулирует гидрофильно-гидрофобный баланс молекулы.

Усиление эффективности биоцидного действия полимера по сравнению с низкомолекулярным аналогом обеспечивается кооперативным взаимодействием множества химически связанных гуанидиновых группировок с микробной клеткой, а снижение токсичности — возможностью делокализации электронной плотности вдоль полимерной цепи и ее конформационными превращениями.

ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ
Полимерная природа антисептика открывает широкие возможности его химической модификации, получения гуанидинсодержащих полимеров различного линейного и пространственного строения, направленного изменения его физических свойств, биоцидного действия и токсичности.

Можно изменять химическую природу аниона в повторяющихся звеньях макромолекулы полимера, регулировать длину полиметиленовой цепочки, заменять концевые группы и т.д.

Благодаря высокой реакционной способности гуанидиновой группировки ПГМГ способен вступать в химические реакции с различными бифункциональными и полифункциональными соединениями, в том числе полимерами. В результате таких реакций изменяется растворимость, способность к пленкообразованию, прочностные характеристики полимерной пленки, а также другие физико-химические характеристики полимерного антисептика.

В то время как низкомолекулярные биоциды при вступлении в любую химическую реакцию, затрагивающую физиологически активные центры, теряют присущие им биоцидные свойства, полимеры в большинстве случаев их сохраняют. Дело в том, что, вследствие конформационных и стерических факторов, реакции в полимерных цепях никогда не протекают со 100 %-ой конверсией, и в модифицированном ПГМГ всегда остаются свободные (не участвующие в реакции) гуанидиновые группировки. Регулируя степень превращения функциональных групп полимера в процессе его химического превращения, можно достигнуть оптимального сочетания биоцидных, токсических и физикохимических свойств антисептика.

Путем химической модификации ПГМГ получены разнообразные высокомолекулярные биоцидные препараты, отличающиеся по своему назначению, среди которых стоит выделить в первую очередь Экосепт, характеризующийся весьма низкой токсичностью в сочетании с хорошими антисептическими свойствами, а также Гембицид—антимикробный препарат с повышенными антисептическими свойствами и повышенной гидрофобностью.

Полимерные антисептики с сильной антитуберкулезной активностью, способные преодолевать гидрофобную восковую оболочку микобактерий туберкулеза, получены на основе различных производных ПГМГ.

Чрезвычайно интересен органорастворимый пленкообразующий интерполимер Септопаг, образующий при нанесении на поверхность обрабатываемых объектов водостойкие биоцидные покрытия с относительно высокими прочностными показателями, характерными для пленкообразующего хлорсульфированного полиэтилена.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТАБИЛЬНОСТЬ ПГМГ
Следует заметить, что хлоргексидин биглюконат производится за рубежом по достаточно сложной многостадийной технологии с использованием высокотоксичных галоидцианов. Препараты семейства ПГМГ производятся в России Центром управления Эколого-Технологическими Проектами.

Соли ПГМГ имеют удобную товарную форму: это твердые вещества без цвета и запаха, стабильные в отношении окислительной и термической деструкции, старения (сохраняют биоцидную активность не менее 15 лет). Полимеры хорошо растворимы в воде; 20 %-ые водные растворы сохраняют биоцидную активность не менее 5 лет.

Помимо биоцидных свойств, ПГМГ обладает свойствами катионного полиэлектролита и поверхностноактивного вещества, поэтому применяется не только для дезинфекции, но также и в качестве биоцидной добавки в различные материалы и вспомогательного вещества в различных технологических процессах (гальваника, шлифовальное дело, производство бумаги и др.).


©2012 ООО «Научно Исследовательский Институт Проблем Аллергологии Иммунологии»
Тел.: (499) 391 35 86 email:
zakaz@niipai.ru