Наук российской федерации б. И. Леонов, В. И. Прилуцкий, В. М. Бахир физико-химические аспекты биологического действия электрохимически активированной воды москва, 1999
|
|
Скачать 3.87 Mb.
|
АКАДЕМИЯ МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИБ.И.Леонов, В.И.Прилуцкий, В.М.Бахир ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ Москва, 1999УДК 621.357: 541.13: 577.3 Б.И.Леонов, В.И.Прилуцкий, В.М.БахирФизико-химические аспекты биологического действия электрохимически активированной воды: - М.: ВНИИИМТ, 1999. - с.244; ил.20 Изложены вопросы теории электрохимической активации (ЭХА) и физико-химические аспекты действия ЭХА воды на биологические объекты. Рассматривается действие факторов ЭХА на биологические субстраты, изолированные клетки и на организм сельскохозяйственных и лабораторных животных. Освещается состояние перспективного научно-технологического направления - применения ЭХА воды и водных растворов в биологических исследованиях и в смежных областях научно-практической деятельности, в медицине, в сельском хозяйстве, в пищевой и биологической промышленности. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований биологического действия ЭХА сред. Рассматриваются стратегии развития биологических и медико-технических направлений, связанных с технологией ЭХА. В монографии содержатся данные по общим вопросам активации водных сред. ________________________________ Академия медико-технических наук Российской Федерации, 1999 ВВЕДЕНИЕ Монография, предлагаемая вниманию читателей, посвящена проблемам изучения физико-химических механизмов биологического действия электрохимически активированной воды и водно-солевых растворов, подвергнутых электрохимической активации (ЭХА) путем униполярной (анодной или катодной) обработки в электрохимическом реакторе диафрагменного типа. Анализ феномена ЭХА применительно к биологическим объектам непосредственно связан с вопросом о роли водных сред в жизни биологических объектов от уровня биологических молекул до многоклеточных. Внутренняя среда организма представляет собой совокупность водно-белковых растворов или биологических жидкостей (кровь, лимфа, межклеточная тканевая среда), рассматриваемых относительно клеток и других структурных объектов внутри него. По выражению Клода Бернара (1865) внутренняя среда характеризуется тем, что именно в ней «живут элементарные части организма». Поскольку речь идет о среде обитания клеток, для дальнейшего анализа данной проблемы воспользуемся экологическим подходом, предложенным И.В. Давыдовским (1962) [1] при толковании форм взаимодействия внешних и внутренних причинных факторов патологии с макроорганизмом. Экологическое понимание внешней среды означает смещение акцентов исследования в сферу комплексного воздействия на организм физико-химических, биологических, информационных и даже космических факторов, окружающих организм непосредственно и находящихся с ним в динамическом взаимодействии. Аналогичным образом клетки внутри организма непосредственно контактируют со сложными водно-минеральными и белковыми растворами, а также с другими клетками. Клетка и ее околоклеточная среда - это и есть внутренняя микроэкологическая система или подсистема. Граница между макро- или микробиологическим объектом и окружающей его средой определяется факторами сегрегации или материальными структурами, образующими границу, которая разделяет вещества и субстраты на те, которые находятся вне объекта или внутри его. Подобное разделение в большинстве случаев условно, и в наибольшей мере эта условность относится к воде. Животная ткань на 70% состоит из воды, легко проникающей через все биологические барьеры и образующей в организме как бы единый субстанциональный континуум, именуемый водным сектором внутренней среды. Вода в живых тканях является наиболее универсальной общей субстанцией для внутренних экологических подсистем, а в отношении целостного организма вода, при приеме ее внутрь, после всасывания оказывается прямым физическим продолжением внешней среды. Биологические молекулы функционируют в составе водных субстратов. Этим определяется интерес к взаимодействию воды с различными органическими и неорганическими компонентами. До недавнего времени считалось, что в биохимическом отношении вода сама по себе пассивна и преимущественно играет роль механического растворителя и наполнителя водного сектора, в котором происходят многочисленные активные превращения веществ. При этом биологическая (микроэкологическая) совместимость клеток и околоклеточной среды ставилась в зависимость от всевозможных концентрационных соотношений между клеткой и ее окружением. Простейший одноклеточный организм, например, инфузория, или отдельно культивируемая клетка способны жить в водных средах (естественных или искусственных) только в определенных диапазонах концентраций различных веществ, элементов, а также в определенных границах рН, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и температуры. Сходные экологические ограничения существуют относительно клеток в составе органов и тканей животных и растений. Однако макро- и микроэкологическая роль структуры воды игнорировалась, и даже постановка вопроса о структурированной воде и связанных с ней физиологических эффектах рассматривалась как нечто апокрифическое. Считалось, что дипольные молекулы Н2О по стохастическим законам вступают в неустойчивые ассоциаты (кластеры), которые быстро распадаются и в этом смысле не образуют стабильных структур. Однако по более современным представлениям определяющая роль в структурировании водной среды играет «сближение гидрофобных остатков взаимодействующих гетероциклических соединений». Это положение непосредственно доказано работами, проведенными на кафедре химической кинетики Химического факультета МГУ и в Межфакультетской лаборатории биоорганической химии МГУ с использованием метода протонного магнитного резонанса (ПМР) [С.В.Зенин, 1999).] Согласно одному из имеющихся теоретических представлений «вода по своему физическому состоянию может быть представлена в виде гетерогенной системы, состоящей из свободной жидкости и ион-кристаллических ассоциатов (кластеров связанной воды) положительного или отрицательного заряда» [А.А.Стехин с соавт., 1999]. Соответственно, внешние физические воздействия на воду (в том числе даже относительно слабые геомагнитные и гелиомагнитные воздействия) способны менять структуру воды и ее свойства, как растворителя. Подобные воздействия на водные среды называются безреагентными, поскольку они не сопряжены с внесением в водный растворитель каких-либо дополнительных молекул, реактивов или субстратов. Первоначальная версия о принципиальной возможности изменения свойств воды безреагентным методом за счет ее структурной перестройки получила довольно широкое распространение около 30 лет назад главным образом в связи с накоплением экспериментальных данных о воде омагниченной, то есть подвергнутой обработке в магнитном поле [2]. Однако предположение, что химически чистая вода (вещество Н2О) может как-то менять свои характеристики при воздействиях, не связанных с добавлением в нее вещественных агентов, продолжает вызывать недоверие по крайней мере по двум причинам:
Постепенно все же накапливались факты в пользу того, что обычная вода, подвергнутая омагничиванию, озвучиванию, взбалтыванию, освещению, нагреванию или охлаждению, замораживанию с последующим оттаиванием, приобретает новые качества, влияющие на кинетику происходящих в ней химических реакций, меняющих ее растворяющие, отмывающие свойства, а также биологическую и лечебную активность. Замечено, что при совершенно различных воздействиях из числа перечисленных выше изменения свойств воды проявляют одинаковую качественную направленность, что дало повод именовать такую воду активированной [3] Активированная вода способствует разрыхлению накипи на паровых котлах, ускоряет проращивание семян, увеличивает привесы при поении телят, поросят, бройлеров и т.д. Все это происходит и после магнитной обработки воды, и после воздействия на нее светом, звуком, электрическим полем и даже после предварительного перемешивания. То есть конечный технологический эффект не отражает специфику активирующего фактора. Соответственно природа активации водных сред оказалась труднообъяснимой, граничащей едва ли не с метафизикой. Всевозможные термины типа «живой», «мертвой», «заряженной», «энергизированной» воды сами по себе ясности не добавили. Поэтому обозначим предмет дальнейшего обсуждения более четко. Под активацией воды и других жидкостей далее будет подразумеваться сумма явлений, эффектов или новых свойств вещества, возникающая благодаря применению технических приемов управления реакционной способностью веществ (в том числе воды) без изменения их элементного химического состава. Активированной можно назвать любую субстанцию, в которой в результате внешних воздействий запас внутренней энергии оказывается неравновесными для данных значений температуры и давления. Иными словами, активация - это длительно существующее неравновесное состояние. В основе такого рода состояний лежит, по-видимому, изначальная способность материи к многовариантности структурирования в зависимости от физических и химических условий. Так атомная структура молекулы определяется взаимным расположением ядер атомов, межъядерными расстояниями и валентными углами... Многие молекулы при температуре выше абсолютного нуля обладают бесконечным разнообразием атомных структур, обусловленных колебаниями атомных ядер и свободным вращением отдельных фрагментов молекул вокруг одинарных -связей, которые образуются в результате перекрывания электронных орбиталей по линии, соединяющей ядра атомов. [4] Классический пример бесконечного многообразия молекулярных структур можно продемонстрировать на модели вторичного и более высоких уровней организации нуклеопротеидов. То же самое можно отнести к воде - при внешних воздействиях диполь Н2О меняет форму за счет изменения валентного угла и межъядерных расстояний. Разложение воды - крайний вариант деформации ее дипольной структуры. Повседневный опыт показывает, что длительно существующие неравновесные состояния в водных растворах - обычное явление. В химических справочниках часто указывают, что заново приготовленный раствор годен к применению только через 2 - 3 суток пассивного стояния. Можно сказать, что в течение указанного времени его свойства стабилизируются, хотя равномерность разведения вещества достигается практически мгновенно при интенсивном перемешивании в момент разведения. Таким образом, структурные преобразования молекул растворенного вещества продолжаются десятки часов и за это время реакционная способность раствора постепенно изменяется вплоть до наступления стабилизации. Рутинными методами обычно не удается зарегистрировать длительно существующую термодинамическую неравновесность раствора или состояние его активации. Поэтому мы вынуждены оценивать степень активации водных и других жидких сред по косвенным данным, в частности, на основании конечного технологического эффекта, полученного при обработке активированной жидкостью какого-либо объекта, в том числе биологического. При этом открывается широкое поле для догадок и гипотез. Например, активация воды при таянии льда и дальнейшем нагревании талой воды объясняется разрушением структурных ассоциатов типа (Н2О)х, где х - неопределенное число, возрастающее от 3 до нескольких десятков в ассоциатах-кластерах, образующихся в ледяной воде в области точки замерзания. Ассоциация заряженных дипольных молекул воды в кластерах осуществляется за счет сил Ван-дер-Вальса, энергия которых невелика (8 - 20 кДж/моль) и не препятствует разрушению ассоциатов при относительно слабых воздействиях. После разрушения ассоциатов в водной среде при нагревании появляются в большом количестве мономолекулы Н2О, более активные в химическом отношении. По этой версии активация обусловлена деструктурированием воды. [3] Косвенным аргументом в пользу биологической (физиологической) значимости структурных перестроек водной среды является широко известный в быту феномен изменения вкуса питьевой воды в результате некоторых видов физической обработки (кипячение, дистилляция). Отчасти вкус пресной воды связан с присутствием в ней минеральных веществ. При кипячении химический состав воды меняется несущественно, но потребитель всегда констатирует существенное ухудшение ее вкуса. То есть, очевидно, вкусовые рецепторы реагируют на термическую дезинтеграцию структуры воды. Дистиллированная вода с заведомо дезинтегрированной структурой также признается «не вкусной». В то же время образцы деионизованной воды с уровнем минерализации, как и у дистиллированной, но полученной путем ультрафильтрации в установках водоподготовки для гемодиализа (установки фирмы Fresenius, ФРГ, вода, очищенная для гемодиализа по стандарту AAMI, Virginia) обладают хорошим вкусом. Предполагается, что в процессе ультрафильтрации структура воды не нарушается и вкусовые луковицы это чувствуют. Впредь до получения более четких данных о природе активации жидких сред под активацией воды и водных растворов будем понимать появление у них аномальной реакционной способности и аномальных характеристик в результате безреагентных воздействий. Понятие «электрохимическая активация» появилось впервые в публикациях ташкентской группы исследователей, работавших над этой проблемой с 1974 г. в системе Мингазпрома СССР.[5, 6] Суть различий понятий электролиза и ЭХА заключается в следующем:
В случае реального электролиза водно-минеральной среды происходят многочисленные, многообразные, в значительной степени уникальные реакции. Чистые продукты этих реакций в полном наборе нельзя приобрести в магазине химреактивов (то есть их нельзя подвергнуть выделению и фасовке), так как многие из них синтезируются исключительно в условиях электрохимического реактора и существуют только в ЭХА-средах в совокупности с другими компонентами электрохимического синтеза (и не существуют без этих компонент). Иными словами, в процессе электролитического разложения воды (например, дистиллированной) образуются частицы и соединения, которые не могут существовать вне воды, т.е. в ином агрегатном состоянии. Окислительно-восстановительные характеристики ЭХА-воды или ЭХА-растворов оказываются не только невоспроизводимыми имитационным путем, но и не могут быть предвычислены на основе известных физико-химических предпосылок. Так значения ОВП обычных (неактивированных) химических растворов определяются соотношением в них концентраций восстановленных (электронодонорных) и окисленных (электроноакцепторных) химических форм. Если в дистиллированной воде в заданных пропорциях растворить восстановленную и окисленную формы какого-либо соединения, то образуется химическая редокс-пара. При погружении в этот раствор системы разнородных электродов (например, платинового и хлор-серебряного) без каких-либо перегородок в межэлектродном пространстве между этими электродами возникнет электрический потенциал. Данный потенциал будет меняться вполне предсказуемым образом при искусственных изменениях отношений компонент редокс-пары путем внесения в среду соответствующих реактивов. Если же в такую химическую систему внести в избытке сильный восстановитель или окислитель иного молекулярного состава, то буферная емкость ранее существовавшей редокс-пары окажется исчерпанной. Соответственно ОВП полученной смеси будет характеризовать крайние степени восстановления (при избытке восстановителя) или окисления (при избытке окислителя), то есть милливольтметр зарегистрирует ОВП, типичный для концентрированных сильных восстановителей или окислителей. В этом случае ОВП легко вычислить с помощью несложных расчетов. При электролизе водно-солевых сред с высоким уровнем минерализации значительные сдвиги рН и ОВП можно объяснить за счет электрохимического синтеза больших масс кислот и щелочей. Однако по мере усовершенствования технических средств электрохимической обработки водных сред сконструированы электролизеры диафрагменного типа, позволяющие производить униполярную (анодную и (или) катодную) обработку воды с низким фоном минерализации 0,01 - 0,2 г/л. При таких условиях высокие концентрации кислых или основных продуктов электролиза не могут быть достигнуты. Тем не менее при анодной и (или) катодной обработке пресной, ультрапресной и даже дистиллированной воды получается анолит и католит, тождественные по характеристикам рН и ОВП исключительно крепким неактивированным растворам кислот и щелочей. При этом в анолите и в католите получаются такие сочетания рН и ОВП, которые вообще не могут быть смоделированы в обычных химических растворах, не подвергавшихся электрохимическим воздействиям. Это и есть одно из наиболее ярких аномальных свойств ЭХА-воды, обнаруженное в исследованиях ташкентской группы. Термин активация представляется в данном случае наиболее подходящим, так как он подразумевает усиление электронодонорных или электроноакцепторных свойств водно-минеральных сред или воды(в том числе образцов предельно деминерализованной воды), выражающихся в обмене энергией между раствором или водой с веществом электрода на основе переноса свободных электронов. Водные растворы могут считаться активированными только в течение периода существования аномальных свойств или времени их релаксации, по завершении которого признаки аномальности исчезают и в жидкой среде устанавливается классическое термодинамическое равновесие параметров рН и ОВП, характерное для обычных (неактивированных) химических растворов. Биокаталитическая активность ЭХА-растворов также относится к числу их аномальных характеристик, что создает предпосылки безреагентного, безмедикаментозного управления биологическими (в том числе биотехнологическими) процессами. В 1985 г. представление об ЭХА, как о новом классе физико-химических явлений, составляющих основу специального научно-технического направления, было сформулировано В.М.Бахиром [7], что способствовало началу широкой серии исследований по данному вопросу. Значимость феномена ЭХА для учения о физиологическом гомеостазе определяется расширением возможности биофизического управления тонкой структурной организацией воды в составе живых тканей и процессами электронного обмена в биологических субстратах. В 1987 г. во Всесоюзном научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники (ВНИИИМТ) Министерства здравоохранения СССР (Москва) возник научно-исследовательский центр по исследованию феномена ЭХА. В период 1991 - 2000 гг. ВНИИИМТ преобразовался в Открытое акционерное общество «НПО «Экран» («НПО «Экран»). Исследования ЭХА в системе «НПО «Экран» продолжались в отделе электрохимических технологий (зав. отделом - профессор В.М.Бахир). Научно-техническое ядро «НПО «Экран» в сфере электрохимических технологий представлено генеральным директором «НПО «Экран», профессором Б.И.Леоновым, инженерами и научными сотрудниками Ю.Г.Задорожним, С.А.Паничевой, О.П.Битюцковым, Т.Б.Барабашем, В.И.Прилуцким, О.И.Суховой и др. Внедрение ЭХА в сферу пищевых технологий осуществляется в серии работ А.А.Кочетковой с соавт, токсикологические исследования ЭХА растворов осуществлялись во ВНИИИМТ в составе «НПО «Экран» и в научно-исследовательских учреждениях Санкт-Петербурга (В.В.Торопков, Э.Б.Альтшуль с соавт.). В Москве группа изучения и внедрения ЭХА технологий в лечебную практику возглавляет зав. хирургическим отделением ГКБ 52 В.И.Вторенко. Центры по исследованию ЭХА работают в Ижевске, в Казани, а также в рамках Российского научно-исследовательского центра технологий электрохимической активации (RSCECAT, USA). Из ряда научных структур Академии медико-технических наук РФ создан Научно-исследовательский институт электрохимических технологий (НИИЭЛХТ, директор - В.М.Бахир). В настоящий момент география исследований феномена ЭХА весьма широка. Авторы настоящей монографии предпринимают попытку обобщения наиболее значимых данных по механизмам физического и химического действия ЭХА сред на живую материю с учетом перспектив разработки стратегий развития этой принципиально новой и уникальной технологии в системе биологических наук. Обобщение теоретических, инженерных, биологических, экологических и ряда прикладных проблем аспектов ЭХА в различных сферах содержится в работах Б.И.Леонова, В.М.Бахира, Ю.Г.Задорожнего, В.И.Вторенко, опубликованных в материалах I и II Международных симпозиумов «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве и промышленности», Москва, 1997; 1999 гг. Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЭХА, КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ФЕНОМЕНА ЭХА. ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ ЭХА 1.1. Как была открыта «живая» и «мертвая» вода. В лаборатории электротехнологии Среднеазиатского НИИ природного газа (зав. лаб. В.М. Бахир) было установлено, что буровые растворы, приготовленные на католите технической воды с различной степенью минерализации, обнаруживали ряд полезных свойств, являющихся аномальными относительно буровых растворов на основе необработанной воды: образование мелкодисперсных однородных взвесей, не расслаивающихся при длительном стоянии; направленные изменения вязкости растворов. При контакте ЭХА-растворов с породами увеличивалась их смачиваемость, что способствовало лучшему размягчению пород. Показатели водоотдачи буровых растворов существенно улучшались. Расход реактивов, добавляемых обычно в буровые растворы для регулирования рН, уменьшался в 10 -100 раз, что давало хороший экономический эффект. С конца 1985 г. работы с применением ЭХА в области горно-химической промышленности фактически прекратились из-за приостановления разработок долговечных и надежных электрохимических установок для указанной цели, что в свою очередь связано с общим кризисом советской и российской промышленности и с разобщением связей между предприятиями, а также отсутствием единого контроля за развитием данного направления в системе разваливающегося оборонного комплекса бывшего СССР. В настоящее время (в 1999 г.) первая из указанных причин (техническая), тормозящая внедрение ЭХА в горную промышленность, устранена созданием и серийным выпуском в России высокоэкономичных и надежных установок для ЭХА воды производительностью до 1000 м3/ч со сроком непрерывной работы до 10 лет. Вторая (геополитическая и организационная) причина, препятствующая применению ЭХА в горном деле, пока сохраняется. Обнаружилась повышенная биологическая активность ЭХА-воды. Орошение семян хлопка католитом пресной воды стимулировало всхожесть и последующий рост растений. Обработка же семян анолитом уменьшала коэффициент всхожести практически до нуля. При этом последующий полив католитом делянки, засеянной семенами хлопка, ранее смоченными в анолите, приводил к интенсивному росту хлопчатника, что, собственно, и явилось поводом для фольклорной аналогии – «живая вода» (католит) возрождает к жизни биологический объект, ранее обработанный «мертвой водой» (анолитом). В отношении анолита данная аналогия является почти буквальной ввиду биоцидности данного раствора, в котором не могут жить микроорганизмы и гидробионты. Однако в отношении многоклеточных, в том числе млекопитающих и человека, анолит проявляет минимальную токсичность (IV минимальный класс токсичности). Термины «живая» и «мертвая» вода применительно к ЭХА-растворам впервые ввел В.М.Латышев. [8] Рабочими буровых установок в условиях пустыни было замечено, что при купании в емкостях, наполненных католитом, у них улучшалось самочувствие, излечивались экзематозные процессы на коже, ускорялось заживление ссадин. Действие католита на кожу также предотвращало солнечные ожоги. В свою очередь анолит проявлял антивоспалительные, вяжущие и коагулирующие свойства. После 1985 г. различные группы исследователей в Санкт-Петербурге, Ташкенте, Казани, Нижнекамске, Ижевске разработали собственные подходы к развитию ЭХА. В Москве с 1987 г. регулярные исследования ЭХА начали проводиться в учреждениях Минхимпрома, Минвуза РСФСР, Минздрава СССР и в ряде СП. 1.2. Развитие и разработка новых технических средств ЭХА. Усовершенствование электрохимических устройств шло по линии создания долговечных, экономичных, экологически чистых, токсикологически безопасных, удобных в эксплуатации реакторов стационарного и проточного типа, позволяющих включать их без каких-либо сложных промежуточных согласующих систем в различные современные технологические процессы. Большое внимание уделялось миниатюризации элементов и узлов при одновременном повышении удельной производительности и экономичности изделий за счет использования новых материалов и технологических схем. В 1988 г. на основе накопленного практического опыта и теоретического анализа была сформулирована концепция рационального конструирования электрохимических реакторов для униполярной электрохимической обработки воды с диапазоном содержания солей от уровня, близкого к дистиллированной воде, до насыщенных солевых растворов. Был создан реактор проточный электрохимический (РПЭ) нескольких типоразмеров. [9] РПЭ сконструирован из параллельно расположенных миниатюрных проточных электрохимических модульных элементов ПЭМ с коаксиальным расположением внешнего трубчатого и внутреннего стержневого электродов с трубчатой керамической диафрагмой между ними, представлен на рис.1.1. Диафрагма ПЭМ является ультрафильтрационной и имеет протекаемость в пределах 0,5–2,0 мл/м2чПа. Установленная между электродами, она позволяет эффективно реализовывать основные условия электрохимической униполярной обработки воды, протекающей через анодную и катодную камеры. Типоразмер РПЭ определяется количеством модулей ПЭМ в его составе. При обработке водных сред в модуле ПЭМ все продукты электрохимических реакций, включая высокозаряженные метастабильные частицы, полностью поступают в протекающую водную среду и насыщают ее, равномерно распределяясь по объему. В результате из анодной и катодной камер электролизера выходят раздельно анолит и католит с физико-химическими характеристиками, определяемыми величиной тока, объемной подачей водной среды и ее минеральным составом.
К настоящему времени разработаны четыре модификации элемента ПЭМ (ПЭМ-1; ПЭМ-2; ПЭМ-3; ПЭМ-4). Разработка элементов серии ПЭМ началась в 1988 г. В.М.Бахиром и Ю.Г.Задорожним в Москве и Ташкенте. В 1989 г. была выпущена техническая документация на элемент ПЭМ, позднее названный ПЭМ-1, и на реактор РПЭ, а также на опытном заводе ВНИИИМТ (ОЭЗ ВНИИИМТ МЗ СССР) в том же году была произведена опытная партия элементов ПЭМ-1 и различных лабораторных систем с их использованием, а также рассмотрены различные технологические схемы их использования. Далее элемент ПЭМ-1 использовался в различных моделях установок и устройств для ЭХА воды. Соответствующие заявки и публикации, подтверждающие изобретательский приоритет В.М.Бахира и Ю.Г.Задорожнего относятся к периоду 1989 - 1991 гг. [9, 10, 11, 12, 13 ]. С 1988 г. ВНИИИМТ «НПО «Экран» разрабатывает и выпускает проточные электрохимические установки (электролизеры) типа СТЭЛ и «ИЗУМРУД» на основе реактора РПЭ и элементов ПЭМ. Установки СТЭЛ предназначены для выработки моющих, дезинфицирующих и стерилизующих ЭХА-растворов. Установки «ИЗУМРУД» предназначены для доочищения и улучшения свойств питьевой воды. 1.3. Факторы физико-химической активности ЭХА-сред. На основании экспериментов по ЭХА с помощью электролизеров различного типа сделан ряд обобщений относительно свойств ЭХА-растворов. [15] Выделены группы факторов, обуславливающих физико-химическую активность анолита и католита: 1) стабильные продукты электрохимических реакций, стабильные кислоты, основания и т.д.; 2) высокоактивные неустойчивые продукты электрохимических реакций с периодом существования до десятков часов (в том числе свободные радикалы); 3) долгоживущие квазиустойчивые структуры, сформированные в области объемного заряда у поверхности электродов, как в виде свободных структурных комплексов, так и гидратированных оболочек ионов, молекул, радикалов, атомов. Факторы первой группы определяют в основном кислотные и щелочные свойства ЭХА-сред, определяющие значения рН. Факторы второй группы усиливают окислительные (электроноакцепторные) свойства анолита, а также восстановительные (электронодонорные, противоокислительные) свойства католита, обуславливающие аномальные характеристики ОВП. Факторы третьей группы придают ЭХА-средам каталитические (в том числе биокаталитические) свойства. Факторы 2-й и 3-й групп могут быть получены только в уникальных условиях электрохимического синтеза. Имитация их иным путем невозможна. Долгоживущие квазиустойчивые структуры в ЭХА-средах возникают у поверхности электродов в электрическом поле напряженностью до нескольких миллионов Вольт на сантиметр. Они вызывают модификацию активационных энергетических барьеров между взаимодействующими атомно-молекулярными компонентами, осуществляя таким образом активацию электрохимически обработанной воды по показателям каталитической активности. В упрощенной форме основные процессы, происходящие в электролизере, можно представить следующим образом:
Наличие в анолите достаточного количества сильных окислителей и свободных радикалов превращает его в раствор с сильно выраженными биоцидными свойствами. Католит, насыщенный восстановителями, приобретает высокую адсорбционно-химическую активность, а также сильные моющие свойства. Образцы анолита и католита водных сред с различными уровнями минерализации характеризуются резкими сдвигами рН и ОВП относительно исходных значений: в анолите - рН снижен, ОВП увеличен до крайних положительных (окислительных) значений, в католите - рН увеличен и ОВП уменьшен до крайних отрицательных (восстановительных) значений. При проведении рН-метрии и измерении ОВП (редоксметрия) водных растворов обычных химических реактивов и водных сред на основе неактивированной воды названные показатели распределяются в следующих диапазонах значений (с точностью до порядка): рН = 0 - 12,5; ОВП = от минус 100 до 700 мВ по показателям платинового электрода при хлор-серебряном электроде (ХСЭ) сравнения. Как известно значения ОВП, измеренные с помощью указанной электродной пары, систематически превышают приблизительно на 200 мВ данные измерений, полученные с помощью платинового электрода относительно нормального водородного электрода (НВЭ). В лабораторных условиях получены следующие реальные сочетания крайних значений рН и ОВП в растворах химических реактивов: концентрированная серная кислота рН = 0,3; ОВП = 680 мВ, ХСЭ; насыщенный раствор КОН рН = 12,3; ОВП = минус 60 мВ, ХСЭ; насыщенный раствор хлорной извести Ca(ClO)2 рН = 11,5; ОВП = 570 мВ, ХСЭ и так далее. При разведении водой соединений указанного типа показатели рН постепенно приближаются к значениям рН растворителя (в данном случае - воды). Сдвиги рН сопровождаются регрессией ОВП, коэффициент которой составляет приблизительно минус 60 мВ на единицу рН. То есть, если в процессе разбавления кислоты дистиллированной водой значение рН в растворе возросло на 1,0, то ожидаемое уменьшение ОВП составит 60 мВ. При разбавлении водой щелочи уменьшению рН на 1,0 соответствует увеличению ОВП на 60 мВ. Сочетанные или сопряженные значения показателей рН и ОВП, полученные при одновременном проведении рН-метрии и редоксметрии на одном образце водного раствора какого-либо соединения являются ковариантными. Их пара именуется ковариантой. В прямоугольной системе координат любая коварианта рН и ОВП изображается точкой на плоскости. В ЭХА-растворах на основе водно-минеральных сред с различными уровнями минерализации крайние ковариантные сочетания рН и ОВП следующие: для анолита - рН = 0 - 1,0; ОВП = 1000 - 1150 мВ,ХСЭ; для католита – рН = 11,5 - 12,5; ОВП = от минус 750 до минус 850 мВ, ХСЭ. Таким образом, диапазон колебаний рН ЭХА-сред практически совпадает с размахом колебаний этого параметра у неактивированных растворов. Однако крайние характеристики ОВП ЭХА-растворов существенно выходят за пределы распределения этого параметра в растворах, не подвергавшихся электрохимическому воздействию. В обычных лабораторных условиях достичь таких отклонений от нуля ОВП водных сред с помощью добавок различных реактивов к неактивированной воде невозможно. Соответственно аномальные изменения ОВП водно-солевых сред, полученные в процессе униполярной электрохимической обработки, указывают на перспективу управления значениями аналогичного показателя в жидких лечебных, а также биологических средах. 1.4. Медико-биологические предпосылки электрохимического регулирования окислительного равновесия внутренней среды организма. Непосредственные измерения ОВП в крови, тканях живого организма, физиологических выделениях не получили особого распространения, так как считалось, что редоксметрия в данном случае не дает принципиально новой информации по сравнению с рН-метрией и измерениями рО2, показателей кислотно-щелочного статуса (КЩС), перекисного гомеостаза и т.д. Тем не менее, вопрос о физиологических последствиях направленных изменений ОВП в организме не лишен практического смысла. Прежде всего, это связано с проблемой анализа механизмов влияния ЭХА-сред на биологические процессы. Действие ЭХА на биологические объекты может осуществляться прямым и косвенным путем. Известен следующий способ прямой электрохимической обработки жидких биологических сред: электроокисление крови или ее отдельных фракций на платиновом аноде в специальной ячейке малым током (не более 14 мА). [16] На поверхности анода подвергаются окислению почти все токсические соединения, метаболические шлаки (кроме мочевины и уксусной кислоты) и многие ксенобиотики. Метод прямой электрохимической детоксикации прошел этап испытаний на подопытных животных. Полученные результаты были обнадеживающими. Однако терапевтическая эффективность метода оказалась недостаточной, поскольку для повышения степени детоксикации требовалось увеличить рабочий ток более, чем до 14 мА, что не отвечает требованиям биосовместимости электрохимической ячейки с кровью пациента. Данный метод пока не получил клинического распространения. В случае косвенного электрохимического воздействия на биологический объект производится первичная электрохимическая обработка какого-либо материального посредника, который затем вступает в контакт с означенным объектом. Прием внутрь анолита или католита обуславливает в организме физико-химические и физиологические эффекты, косвенно определяющиеся модификациями ЭХА-сред, полученных при электролизе в электрохимических реакторах диафрагменного типа. Использование католита пресной воды для питья официально разрешено медицинскими службами Японии. [17] В нашей стране в период увлечения «живой» и «мертвой» водой многочисленные энтузиасты употребляли католит и анолит растворов хлорида натрия различной крепости по самым разнообразным поводам. Разумеется, в современных условиях подобный стихийный подход к апробации нового лекарственного средства представляется архаическим и, в конечном итоге, незаконным. И все же опыт, накопленный в процессе самолечения ЭХА-растворами, показывает следующее. Анолит и католит с характеристиками рН, тождественными таковым у крепких кислот и щелочей, не проявляли агрессивности к тканям человека. Очевидно, что кислота с рН = 1 - 2 или щелочь с рН = 11 - 12 при нанесении их на кожу, слизистую оболочку или рану вызвали бы, как минимум раздражение, а как максимум, химический ожог. Однако при обработке кожи, слизистых или раневых поверхностей анолитом с рН = 1 - 2 или католитом с рН = 11 - 12 в том случае, если ЭХА-растворы с такими значениями рН имеют минерализацию не более 3 г/л, ожог не возникал, хотя биологическая активность ЭХА-растворов проявлялась со всей очевидностью. Из сказанного не следует, что ЭХА-среды, полученные на самодельных диафрагменных электролизерах, заведомо пригодны для терапевтических целей. Тем не менее очевидно, что крайние отклонения рН и ОВП в анолите и католите сами по себе практически безопасны. То есть опасность самолечения «живой» и «мертвой» водой обусловлена именно самим фактом самолечения, но отнюдь не факторами ЭХА, как таковыми. В настоящее время клиническую проверку прошел метод косвенного электрохимического окисления токсинов и метаболических шлаков в организме, основанный на внутривенном введении в сосудистую систему электрохимически синтезированного раствора гипохлорита натрия. [16] Лечебный раствор гипохлорита натрия вырабатывался в аппарате ЭДО-2 (разработка Института электрохимии АН СССР) в процессе анодного окисления изотонического раствора хлорида натрия. В организме в присутствии органических веществ гипохлорит натрия освобождает содержащийся в его молекуле «активный кислород», окисляя токсические и балластные (шлаковые) соединения. Гипохлорит хорошо проникает через клеточные мембраны и осуществляет детоксикацию не только объема циркулирующей крови, но и значительной части объема водного сектора. В терапевтических дозах гипохлорит натрия не оказывает заметного токсического последействия. 1.5. Непрямая электрохимическая обработка сыворотки крови крупного рогатого скота в диализаторе аппарата «искусственная почка». (Стендовые эксперименты). Диализная обработка сыворотки крови крупного рогатого скота проводилась с помощью физиологического раствора, подвергнутого униполярному катодному воздействию. В качестве перфузата использовалась консервированная бычья сыворотка (рН исходный = 7,8), подкисленная уксусной кислотой до рН = 7,35 - 7,4 с добавлением мочевины до концентрации 1%. То есть производилась имитация метаболических нарушений при почечной недостаточности. Перфузат в объеме 0,5 л заливался в емкость, оттуда роликовым насосом (насос перфузата) подавался на вход диализатора крови с объемной скоростью 30 - 40 мл/мин. Использовался волоконный диализатор фирмы «Фрезениус» марки Д1 на основе купрофана, производство ФРГ. Из диализатора перфузат возвращался в исходную емкость. Таким образом, перфузия сыворотки через систему емкость-насос-диализатор осуществлялась по замкнутому контуру. Диализный раствор готовился на основе физиологического раствора хлористого натрия, доведенного до рН = 7,35 - 7,45 добавкой бикарбонатного концентрата (фирма «Диал Медикал Суппли», Англия), который в объеме 20 л заливался в отдельную емкость, откуда с помощью дополнительного перфузионного насоса (насос диализного раствора) подавался через раздвоенный патрубок на вход катодной и анодной камер диафрагменного электролизера. В качестве электролизера использовалась установка СТЭЛ, работающая на основе РПЭ. Скорость протекания диализного раствора через электролизер регулировалась производительностью насоса диализного раствора. Распределение подачи диализного раствора в катодную и в анодную камеры регулировалось управляемым зажимом. Регулировку объемной подачи диализного раствора производили так, чтобы его поступление в катодную камеру составляло 75 мл/мин, в анодную камеру - не более 10 мл/мин. Из катодной камеры электролизера диализный раствор подавался на вход диализной полости диализатора крови, после чего отработанный раствор удалялся в слив. Таким образом контур циркуляции диализного раствора работал в проточном режиме. Порция диализного раствора, проходящая через анодную камеру, необходимая для замыкания электрической цепи электролизера, удалялась в слив по отдельному катетеру. Электролизер подсоединялся к источнику питания марки Б-5-47 с шагом 0,01 А регулирования силы тока, подключение источника тока к сети переменного тока 220В, 50 Гц. Схема рабочего стенда для непрямой электрохимической обработки сыворотки крови крупного рогатого скота в диализаторе аппарата «искусственная почка» представлена на рис.1.2.
Эксперимент начинался одновременным включением насоса перфузата и насоса диализного раствора, объемная подача перфузата 30 - 40 мл/мин, объемная подача диализного раствора 75 мл/мин. В начальной фазе эксперимента проводили перфузию в течение 15 мин. при выключенном источнике тока. Затем включали источник тока и устанавливали ток 0,02 - 0,03 А на фоне ранее заданных значений объемной подачи диализного раствора в катодную и в анодную камеры. Диализ с электрохимической (катодной) обработкой диализного раствора проводили в течение 185 мин. - общая продолжительность опыт (включая начальный 15-минутный отрезок диализа при выключенном источнике тока) составляла 200 мин. Редокс и рН-метрия проб диализного раствора и перфузата проводилась на 1-й и 14-й минутах опыта при невключенном токе и на 45-й, 75-й и 200-й минутах опыта, после того как включали ток на 15-й минуте диализа. рН измеряли рН-метром «Элвро» (Польша), ОВП, мВ,ХСЭ измеряли иономером «рН-340». Результаты измерений представлены в табл. 1.1. Таблица 1.1. Изменения показателей рН и ОВП сыворотки крови крупного рогатого скота при непрямой электрохимической (катодной) обработке в диализаторе аппарата «искусственная почка».
Примечание: точность измерения рН 0,05 ; ОВП 20 мВ ; количество экспериментов - 3, рН и ОВП диализного раствора на входе диализатора измерялись на выходе камеры. Таким образом, при проведении диализа сыворотки крови крупного рогатого скота без электрохимической обработки диализного раствора с рециркуляцией перфузата по замкнутому контуру устанавливается равновесие показателей рН. ОВП перфузата в исходном состоянии ниже, чем у диализного раствора. В процессе 15-минутной перфузии без электрохимической обработки ОВП перфузата увеличивается, приближаясь к значению ОВП диализного раствора. Показатели ОВП диализного раствора на выходе диализатора симметрично уменьшаются относительно входных показателей. В результате катодной электрохимической обработки диализного раствора слабым постоянным током получался католит с рН = 7,5 – 7,55 и ОВП от минус 85 до минус 130 мВ,ХСЭ. Показатели рН перфузата в процессе диализа с помощью добавки католита на основе физиологического раствора постепенно увеличиваются до 7,8, а ОВП перфузата становится отрицательным и даже оказывается ниже на 40 - 60 мВ ниже входных отрицательных ОВП диализного раствора. При ОВП 0 абсолютная величина этого показателя ОВП характеризует восстановительный потенциал среды. Аналогичным образом ОВП 0 именуется окислительным потенциалом среды. Из данных табл.1.1 видно, что в конце опыта рН и восстановительный потенциал диализного раствора на выходе диализатора становятся выше, чем на входе. Восстановительный потенциал перфузата к этому моменту в свою очередь превышает аналогичные показатели диализного раствора, то есть в процессе непрямой катодной обработки сыворотки в контуре рециркуляции происходит самовозрастающее углубление восстановительных свойств этой биологической жидкости. Добавочная регрессия ОВП в обработанной сыворотке действует на ОВП диализного раствора по принципу обратной связи. Данная гипотеза подтверждена следующими наблюдениями. По окончании опыта перфузат, подвергнутый непрямой катодной обработке, депонировался в исходной емкости на лабораторном столе в контакте с атмосферным воздухом при температуре 24оС. Через 15 ч характеристики перфузата после диализной обработки католитом физиологического раствора стали следующими: рН = 7,8 + 0,05; ОВП = минус 580 + 20 мВ,ХСЭ. Характеристики обработанного перфузата через 100 ч пребывания в комнатных условиях: рН = 7,8 + 0,1; ОВП = минус 620 + 40 мВ,ХСЭ. Результаты эксперимента показали, что продолжительный контакт жидкой биологической среды (сыворотки крови) с католитом солевого раствора, отделенным от биологической среды полупроницаемой мембраной, приводит к ее защелачиванию (сдвиг рН от 7,4 до 7,8) и к глубокому сдвигу ОВП в сторону отрицательных (восстановительных) значений. Препарат сыворотки бычьей крови при таких условиях сохранял обычный вид, цвет не изменялся, преципитаты не выпадали. Интересно, что рН закисленной сыворотки после трансмембранной обработки католитом восстанавливался именно до тех значений (7,8), которые консервированная сыворотка имела в исходном (свежем) состоянии. То есть буферные свойства данной биологической среды восстанавливались только за счет непрямой ЭХА без внесения в нее щелочных реактивов. Выводы: 1) с помощью электрохимического воздействия возможно регулирование ОВП биологических сред в широких пределах без изменения химизма и рН рутинными реагентными способами; 2) первичное непрямое ЭХА-воздействие на биологическую жидкость обладает вторичным последействием, в частности, в виде самовозрастания индуцированных восстановительных свойств. 1.6. Вероятный диапазон сдвигов ОВП внутренних сред организма при питье католита. Обычные суточные дозы ЭХА-растворов («живой» и «мертвой» воды) при приеме их внутрь составляют 300 - 400 мл. Японская фирма IONIKA Co, Ltd [17] считает, что объем «ионизированной» воды, выпиваемой отдельными лицами в течение дня, может достигать 1 - 2 л. После всасывания в желудке и кишечнике объемы выпитой жидкости внутри организма сначала смешиваются с объемом циркулирующей крови (ОЦК). У взрослого ОЦК составляет до 6 л. Соответственно питьевая порция объемом 300 мл подвергается при смешивании с ОЦК разведению в пропорции 0,3 : 6 или 1 : 21. Затем выпитая жидкость постепенно диффундирует в водный сектор организма (у взрослого около 42 л), при этом степень ее разведения достигает пропорции 1 : 100 - 1 : 200 (необходимо учитывать, что за время диффузии выпитой воды в ткани организма, часть ее выводится из крови почками). В Японии некоторые пациенты потребляли католит питьевой воды в больших дозах, так что расчетная пропорция разведения католита в их организме могла достигать 1 30. Чтобы оценить возможные сдвиги рН и ОВП в ОЦК и в водном секторе организма после приема внутрь католита питьевой воды был поставлен следующий эксперимент. С помощью модуля ПЭМ получали католит водопроводной воды с минерализацией 0,2 г/л. Характеристики католита: рН = 10,7; ОВП = минус 750 мВ,ХСЭ. Брали три образца свежеконсервированной бычьей сыворотки с показателями рН = 7,77 +0,05; ОВП = 60 +30 мВ, ХСЭ. Создавая в сыворотке различные пропорции разведения католита 1:100; 1 : 50; 1 : 20; 1 : 10, измеряли рН и ОВП. Результаты измерений представлены в табл. 1.2. Таблица 1.2. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям