Перекись кислорода: Твердый электролит помог напрямую синтезировать перекись водорода

Содержание

Твердый электролит помог напрямую синтезировать перекись водорода

Американские химики разработали систему прямого электрохимического синтеза раствора пероксида водорода концентрацией до 20 процентов из водорода и кислорода. С помощью электрохимической ячейки из платиноуглеродного анода, катода из технического углерода и твердого электролита между ними авторам статьи, опубликованной в Science, удалось раздельно окислить водород и восстановить кислород, после чего в потоке воды ионы в твердом электролите образовывали пероксид водорода. Полученный раствор оказался достаточной чистоты, чтобы использовать его непосредственно из устройства.

На сегодняшний день в мире пероксид водорода в основном производят непрямым и весьма энергозатратным антрахиноновым методом. Технология включает множество дорогостоящих стадий очистки и дистилляции, необходимых, чтобы получить растворы приемлемой для продажи концентраций. Более того, пероксид водорода очень нестабилен и может взрываться, что делает его опасным для хранения и перевозки.

Многие исследователи пытаются создать технологии прямого синтеза перекиси из кислорода и водорода. Ранее уже даже разработали подобный метод для эффективного производства в промышленных масштабах, однако смесь этих газов, которая должна находиться под большим давлением, может самопроизвольно воспламеняться и взрываться.

Чуань Ся (Chuan Xia) с коллегами из Университета Райса предложили разделить потоки газов, окислять водород до протонов, восстанавливать кислород до HO2- в присутствии воды, и только затем объединять потоки в порах твердого электролита, способном пропускать ионы, в результате чего образовывался раствор пероксида водорода.

Схематическое изображение электрохимического синтеза перекиси водорода. Кислород и водород соответсятвенно восстанавливаются и окисляются, сквозь ионообменные мембраны ионы попадают в пористый твердый электролит, где происходит образование пероксида в потоке воды, с которой он покидает устройство

Chuan Xia et al., / Science, 2019

В качестве материала анода авторы выбрали высокоэффективный и селективный платиноуглеродный катализатор, а для восстановления кислорода на катоде использовали дешевый, но эффективный технический углерод, окисленный азотной кислотой.

Катод оказался достаточно селективным, чтобы обеспечить восстановление только кислорода, молекулярный водород на этом электроде не образовывался. Все из опробованных неорганических и органических твердых электролитов оказались по эффективности сравнимыми с привычными водными растворами электролитов.

Регулируя скорость образования анионов HO2- или потока воды, авторы получали чистые растворы пероксида с концентрациями от сотен ppm (миллионных долей) до двадцати весовых процентов. Однако повышая желаемую концентрацию, уменьшалась селективность восстановления кислорода. По словам авторов, это произошло из-за смещения химического равновесия, системе стало энергетически выгоднее образовывать воду.

Устройство смогло проработать без остановки 100 часов, в течение всего времени ни селективность, ни активность катализаторов не ухудшалась. Помимо долговечности, оно оказалось и малозатратным по энергии. Всего 0,61 вольт понадобилось, чтобы обеспечить производство 130 грамм пероксида на один грамм катализатора в час. А концентрации веществ, которые могли попасть в раствор из материалов устройства (железо, натрий, сера, платина) оказались достаточно низкими, чтобы полученную перекись можно было сразу использовать, без очистки.

Для удешевления процесса, авторы предложили получать протоны не из чистого водорода, а окислением воды, и подавать на катод воздух, а не чистый кислород. Для работы такой системы пришлось приложить бóльшее напряжение (почти три вольта), но селективность образования перекиси сохранилась, с образованием потока почти 85 граммов перекиси на грамм катализатора в час.

Чтобы продемонстрировать применимость устройства, авторы очистили перекисью дождевую воду от органических веществ до концентраций, установленных нормами. По словам исследователей, очищать воду этим методом намного безопасней чем хлором, так как при хлорировании могут образовываться токсичные вещества.

Недавно ученые обнаружили, что пероксид водорода может образовываться самопроизвольно на поверхности мелких капель воды.

Алина Кротова

Перекись водорода плюсы и минусы

Многие владельцы плавательных бассейнов предпочитают использовать не хлор (гипохлорит), а перекись водорода (активный кислород), как более эффективное и безопасное средство дезинфекции. Благодаря процессу окисления активный кислород расщепляется на кислород и водород, стерилизуя и дезинфицируя воду в бассейне.
Перекись водорода для бассейна – производят в пропорции 37% или 60%, последняя считает самой концентрированной и используется часто для первичной обработки(ударной) или при сильном загрязнение воды в бассейне.

Очистка бассейна перекисью водорода
В основе очистки бассейна перекисью идет процесс окисления. Атомы кислорода активно расщепляются, дезинфицируя и стерилизуя воду. Идет ее очистка от всевозможных вредных микроорганизмов и примесей. Люди с чувствительной кожей безбоязненно могут использовать пергидроль для бассейна. Отзывы людей говорят о том, что вещество не вызывает ни аллергических реакций, ни дерматологических болезней. Нет после него и продуктов разложения, что избавляет владельца от дополнительной чистки водоема. Отчасти поэтому это вещество наиболее предпочтительно для бассейнов с маленькими объемами
Преимущество вещества
Если сравнивать пергидроль и хлор, то уровень дезинфекции у последнего чуть выше. Однако пергидроль для бассейнов обладает одним важным преимуществом. Он абсолютно безопасен для людей. К тому же он не имеет запаха, что тоже важно.
Использовать пергидроль в качестве очистителя воды начали сравнительно недавно. Этот способ стерилизации и дезинфекции водоемов является экологически правильным. И все больше людей начинают использовать пергидроль для бассейна. Отзывы говорят сами за себя – вещество безопасно, эффективно и удобно в применении.
Выпускают его в специальных канистрах с различной емкостью. Ориентируясь на требуемое количество вещества, владелец сам выбирает нужный пергидроль для бассейна. Инструкция, как правило, идет вместе с канистрой.
Пергидроль не выделяет ни запаха, ни газа. Он окисляет органические вещества и все металлы, которые растворены в воде. Активный кислород способствует эффективному распаду остатков удобрений, попавших в водоем. Также он убивает бактерии и микроорганизмы.
Когда органические и химические вещества оказываются окисленными, они переходят в твердую форму. В этом виде их легко извлечь из бассейна. В случае когда в нем есть фильтр, достаточно просто залить пергидроль и забыть об этом. Вода очистится сама.
Из недостатков:
После добавления перекиси водорода купаться в бассейне можно будет минимум через 12 часов (за это время распадаются активные составляющие вещества на воду и кислород).
Из народных поверов:
Считается, что, если в течение получаса принимать ванну, добавив в воду стакан пероксида водорода, это окажет на организм омолаживающий и детоксикационный эффект. Также существует мнение, что протирание лица 3%-ным раствором пероксида водорода поможет избавиться от акне, опрыскивание этим раствором всего тела позволит тонизировать кожу, а спринцевание им толстого кишечника будет способствовать нормализации пищеварительной функции. Сторонники перекиси также утверждают, что поливка растений раствором, приготовленным из одной части 3%-ного раствора перекиси и сорока частей воды, оказывает на них благоприятный эффект, а вымоченные в таком растении семена быстрее дают побеги. Есть мнение, что куры, которых поят водой, содержащей несколько капель пероксида водорода, дают более вкусные яйца. Говорят также, что коровы, которым в воду подмешивают перекись, дают больше молока. Конечно, ко всем перечисленным заявлениям стоит относиться критически, однако маловероятно и то, что какой-то из этих народных методов может принести серьезный вред.

Про перекись водорода и жука-ракетчика / Хабр

Тема этой заметки назревала давно. И хотя по просьбе читателей канала LAB-66, я просто хотел написать про безопасную работу с перекисью водорода, но в итоге, по непонятным (вот, да!) мне причинам, образовался очередной лонгрид. Смесь из popsci, ракетного топлива, «коронавирусной дезинфекции» и перманганатометрического титрования. Как правильно хранить перекись водорода, какие использовать средства защиты при работе и как спасаться при отравлениях — ищем под катом.
p.s. жук с картинки на самом деле называется “бомбардир”. И он там тоже где-то затерялся среди химикатов 🙂

«детям пероксида» посвящается…


Полюбился нашему брату пероксид водорода, ох как полюбился. Думаю я об этом каждый раз, когда встречаю вопрос вроде «бутылку с перекисью водорода раздуло. что делать?» Встречаю, кстати, достаточно часто 🙂

Не удивительно, что на пост-советских пространствах перекись водорода (3% раствор) — это один из любимых “народных” антисептиков. И на рану полить, и воду обеззараживать, и коронавирус вот уничтожать (с недавних пор). Но несмотря на кажущуюся простоту и доступность, реагент это достаточно неоднозначный, о чем я дальше и расскажу.

По биологическим «вершкам» пройдясь...


Сейчас модно все с приставкой эко-: экологичные продукты, экологичные шампуни, экологичные вещи. Как я понял, люди хотят этими прилагательными отличать вещи биогенные (т.е. встречающиеся в живых организмах изначально) от вещей сугубо синтетических («жесткая химия»). Поэтому вначале небольшое введение, которое я надеюсь, подчеркнет экологичность пероксида водорода и добавит оному доверия в народных массах 🙂

Итак, что же такое перекись водорода. Это простейшее перекисное соединение, которое имеет в своем составе сразу два атома кислорода (они соединены связью -O-O-). Там где такой вид связи, там вам и нестабильность, там и атомарный кислород, и сильные окислительные свойства и все все все. Но несмотря на суровость атомарного кислорода, перекись водорода присутствует во множестве живых организмов, в т.ч. и в человеке. Образуется она в микро количествах во время протекания сложных биохимических процессов и окисляет белки, мембранные липиды и даже ДНК (за счет образующихся пероксидных радикалов). Наш организм в процессе эволюции научился с перекисью довольно эффективно бороться. Делает он это с помощью фермента надпероксиддисмутазы, который перекисные соединения разрушает до кислорода и перекиси водорода, плюс фермента каталазы которая перекись на раз-два преобразует в кислород и воду.

Ферменты прекрасны в трехмерных моделях Спрятал под спойлер. Я люблю на них смотреть, но вдруг кому-то да не нравится…


Кстати, именно благодаря действию каталазы, которая присутствует в тканях нашего организма, “вскипает” кровь при обработке ран (про раны ниже будет отдельная ремарка).

Есть у перекиси водорода внутри нас и важная «охранная функция». У многих живых организмов присутствует такая интересная органелла (структура нужная для функционирования живой клетки) как пероксисома. Эти структуры представляют собой липидные пузырьки внутри которых находится кристаллоподобное ядро, состоящее из биологических трубчатых "микрореакторов". Внутри ядра происходят различные биохимические процессы, в результате которых из кислорода воздуха и сложных органических соединений липидной природы образуется….перекись водорода!


Но здесь интереснее всего, для чего потом эта перекись используется. Например в клетках печени и почек образующаяся H2O2 идет на то, чтобы разрушать и нейтрализовать поступающие в кровь токсины. Ацетальдегид, который образуется при метаболизме алкогольных напитков (и который ответственен за похмелье) — это тоже заслуга наших маленьких неутомимых тружеников пероксисом, и «матушки» перекиси водорода.

Чтобы все не казалось уж таким радужным с перекисями, внезапно напомню про механизм действия радиации на живую ткань. Молекулы биологических тканей поглощают энергию излучения и ионизируются, т.е. переходят в состояние способствующее образованию новых соединений (чаще всего совершенно не нужных в рамках организма). Чаще и проще всего подвергается ионизации вода, происходит ее радиолиз. В присутствии кислорода под воздействием ионизирующей радиации возникают различные свободные радикалы (OH

- и иже с ними) и перекисные соединения (H2O2 в частности).


Образующиеся пероксиды активно вступают во взаимодействие с химическими соединениями организма. Хотя если взять в качестве примера иногда образующийся в процессе радиолиза надпероксидный анион (О2-), то стоит сказать что этот ион образуется и в обычных условиях, в абсолютно здоровом организме, без свободных радикалов нейтрофилы и макрофаги нашего иммунитета не могли бы уничтожать бактериальные инфекции. Т.е. совсем без этих свободных радикалов никак нельзя — они сопровождают биогенные реакции окисления. Проблема возникает когда их становится слишком много.

Именно для борьбы с “слишком много” пероксидных соединений и придуманы человеком такие штуки, как антиоксиданты. Они ингибируют процессы окисления сложной органики с образованием пероксидных и т.п. свободных радикалов и тем самым снижают уровень окислительного стресса.

Окислительный стресс — это процесс повреждения клетки в результате окисления (= в организме слишком много свободных радикалов)

Хотя по сути, ничего нового эти соединения не дают, к тому, что уже имеется, т.е. “внутренних антиоксидантов” — надпероксиддисмутазы и каталазы. Да и вообще, при неправильном использовании синтетические антиоксиданты не только не помогут, а этот самый окислительный стресс еще и усилят.

Ремарка про “перекись и раны”. Несмотря на то, что перекись водорода является завсегдатаем домашних (и производственных аптечек), есть данные, говорящие о том, что использование H2O2 препятствует заживлению раны и вызывает образование рубцов, потому что перекись разрушает новообразованные клетки кожи. Положительный эффект дают только очень низкие концентрации (0,03% раствор, это значит надо разбавить 3% аптечный в 100 раз), и только при однократном применении. Кстати, “коронавирус ready” 0,5% раствор тоже препятствует заживлению. Так что, как говорится, доверяй, но проверяй.

Перекись водорода в быту и «против коронавируса»


Если перекись водорода может даже этанол в печени превратить в ацетальдегид, то было бы странно эти ее замечательные окислительные свойства не использовать в повседневной жизни. Они и используются в таких вот пропорциях:
Половина всей производимой химической промышленностью перекиси водорода идет для отбеливания целлюлозы и различных видов бумаги. Второе место (20%) по востребованности занимает получение различных отбеливателей на основе неорганических пероксидов (перкарбонат натрия, перборат натрия и т.д. и т.п.). Эти пероксиды (часто в комбинации с ТАЕД для снижения температуры отбеливания, т.к. пероксосоли не работают при температуре ниже 60 градусов) используются во всяких “Персоль” и т.п. (подробнее можно посмотреть здесь). Потом идет с небольшим отрывом отбеливание тканей и волокон (15%) и очистка воды (10%). Ну и наконец доля которая остается — поровну делится между сугубо химическими вещами и использовании перекиси водорода для медицинских целей. На последних остановлюсь подробнее ибо скорее всего пандемия коронавируса цифры на диаграмме изменит (если уже не изменила).

Перекись водорода активно используется для стерилизации различных поверхностей (в т.ч. хирургических инструментов) а в последнее время еще и в виде пара (т.н. VHP — vaporized hydrogen peroxide) для стерилизации помещений. На рисунке ниже пример такого генератора пара перекиси. Очень перспективное направление, которое до отечественных больниц пока не добралось…


В целом перекись демонстрирует высокую эффективность дезинфекции для широкого спектра вирусов, бактерий, дрожжей и бактериальных спор. Стоит отметить, что для сложных микроорганизмов, из-за присутствия в них ферментов, разлагающих перекись (т.н. пероксидазы, частным случаем которых является и упомянутая выше каталаза) может наблюдаться толерантность (~устойчивость). Особенно это характерно для растворов с концентрацией ниже 1%. Но против 3%, а уж тем более 6–10% не может устоять пока ничего, ни вирус, ни бактериальная спора.

Фактические, наравне с этиловым и изопропиловым спиртом да гипохлоритом натрия, пероксид водорода входит в список “жизненно-важных” экстренных антисептиков для дезинфекции поверхностей от COVID-19. Хотя не только от COVID-19. в В начале всей коронавирусной вакханалии мы с читателями телеграм-канала активно пользовались при выборе антисептиков рекомендациями из статьи. Рекомендации применимы к коронавирусам в целом, ну и COVID-19 в частности. Так что статью рекомендую скачать и распечатать (для интересующихся этим вопросом).

Важная табличка для юного дезинфектолога

За то время, что прошло с момента начала эпидемии, особенно ничего не поменялось в плане работающих концентраций. Зато поменялось, например, в отношении форм, в которых может использоваться перекись водорода. Здесь сразу хотелось бы вспомнить документ EPA’s Registered Antimicrobial Products for Use Against Novel Coronavirus SARS-CoV-2, the Cause of COVID-19 с составами рекомендуемых для дезинфекции средств. Меня в этом списке традиционно заинтересовали салфетки (традиционно, потому что дезсалфетки мне нравятся, гипохлоритные я уже делал, и доволен ими на все 100%). В данном случае меня заинтересовал такой американский продукт как Oxivir Wipes (или его аналог Oxivir 1 Wipes) от компании Diversey Inc.
В активных ингредиентах там указано немногое:
Hydrogen Peroxide 0.5%

Простенько и со вкусом. Но тем, кто захочет повторить такой состав и пропитать свои custom-ные влажные салфетки скажу, что кроме перекиси водорода в пропиточном растворе присутствуют еще и:
Phosphoric acid (фосфорная кислота — стабилизатор) 1–5%
2-Hydroxybenzoic Acid (салициловая кислота) 0,1–1,5%

Зачем все эти “примеси” станет ясно, когда дочитаете до раздела про стабильность.

Помимо состава хотелось бы также напомнить, что гласит инструкция на упомянутые Oxivir. Ничего принципиально нового (относительно первой таблицы), но мне понравился спектр дезинфицируемых вирусов.

Какие вирусы перекись в силах побороть

И не был бы я собой, если бы еще раз не напомнил про экспозицию при обработке. Как и раньше (=как и всегда) рекомендуется делать так, чтобы при протирании влажными салфетками все твердые, НЕпористые поверхности оставались визуально влажными на протяжении как минимум 30 секунд (а лучше минута!) для дезактивации всего и вся (и этого вашего COVID-19 тоже).

Перекись водорода как химикат


Вокруг да около прошлись, теперь пришло время написать про перекись водорода, с точки зрения химика. Благо именно этот вопрос (а не то, как пероксисома выглядит) чаще всего интересует неискушенного пользователя, который решил использовать H2O2 для своих целей. Начнем с трехмерной структуры (как ее вижу я):
Как структуру видит девочка Саша, которая боится что перекись может взорваться (об этом ниже) «бегущий петушок вид снизу»


Чистый пероксид представляет собой прозрачную (с голубоватым оттенком для высоких концентраций) жидкость. Плотность разбавленных растворов близка к плотности воды (1 г/см3), концентрированные более плотные (35% — 1,13 г/см3…70% — 1,29 г/см3 и т.д.). По плотности (при наличии ареометров) можно достаточно точно определить концентрацию своего раствора (информация из статьи).
Отечественная техническая перекись водорода может быть трех марок: А=концентрация 30–40%, Б=50–52%, В=58–60%. Часто встречается такое наименование как “пергидроль” (было когда-то даже выражение «пергидрольная блондинка»). По сути ж — все та же “марка А”, т.е. раствор перекиси водорода с концентрацией около 30%.

Ремарка про отбеливание. Раз уж про блондинок вспомнили, то можно отметить, что в качестве отбеливающего состава для “опергидроливания” волос использовали разбавленную перекись водорода (2–10%) и нашатырный спирт. Сейчас это уже редко практикуется. Зато встречается перекисное отбеливание зубов. Кстати, побеление кожи рук после контакта с перекисью — это тоже своеобразное “опергидроливание”, вызванное тысячами микроэмболий, т.е. закупорок капилляров образовавшимися при разложении перекиси пузырьками кислорода.

Медицинской техническая перекись становится, когда к перекиси концентрацией 59–60% добавляют обессоленную воду, разбавляя концентрат до нужного уровня (3% на отечественных просторах, 6% в США).

Помимо плотности, важным параметром является уровень pH. Пероксид водорода является слабой кислотой. На картинке ниже показана зависимость рН раствора перекиси водорода от массовой концентрации:


Чем более разбавленный раствор, тем ближе его рН к рН воды. Минимальный рН (=самый кислый) приходится на концентрации 55–65 % (марка В по отечественной классификации).

Хотя здесь скрепя сердце стоит отметить, что рН нельзя использовать для количественной оценки концентрации по нескольким причинам. Во-первых, практически вся современная перекись получается с помощью окисления антрахинонов. В этом процессе образуются кислотные побочные продукты, которые могут попадать в готовую перекись. Т.е. рН может отличаться от того, который указан в таблице выше в зависимости от степени чистоты H2O2. Сверхчистая перекись (например, которая идет для ракетного топлива и о которой я еще скажу отдельно) примесей не содержит. Во-вторых, в продажную перекись водорода часто добавляют кислотные стабилизаторы (перекись более стабильна при низких рН), которые будут “смазывать” показания. Ну и в-третьих, стабилизаторы-хелаты (для связывания примесей металлов, о них подробнее ниже) тоже могут быть щелочными или кислотными и влиять на рН итогового раствора.

Лучший способ определения концентрации — титрование (как и в случае гипохлорита натрия ~ “Белизна”). Методика абсолютно та же, но только все реактивы, необходимые для проведения испытания — очень легкодоступны. Нужна концентрированная серная кислота (аккумуляторный электролит) да обычная марганцовка. Как кричал когда-то Б. Гейтс “640 кб памяти хватит всем!”, так же воскликну и я сейчас “Титровать перекись могут все!” :). Несмотря на то, что интуиция мне подсказывает, что если покупать перекись водорода в аптеке и не хранить ее десятилетиями — то колебания концентрация навряд ли превысят ± 1%, все-таки методику проверки изложу, благо реактивы доступные и алгоритм достаточно прост.

Проверяем продажную перекись водорода на вшивость Как несложно догадаться проверять будем с помощью титрования. Методика позволяет достаточно точно определять концентрации от 0,25 до 50%.

Алгоритм проверки следующий:

1. Готовим 0,1N раствор перманганата калия. Для этого растворяем 3,3 грамма марганцовки в 1 л воды. Раствор нагреваем до кипения и кипятим 15 минут.
2. Отбираем требуемый объем исследуемой перекиси (в зависимости от предполагаемой концентрации, т.е. если у вас было 3%, ожидать что там внезапно стало 50% — глупо):


Переносим отобранный объем в бутылочку и взвешиваем на весах (не забыв нажать кнопку Тара, чтобы не учитывать вес самой бутылки)
3. Переливаем наш образец в мерную колбу на 250 мл (или детскую бутылочку с маркировкой объема) и доливаем до метки (“250”) дистиллированной водой. Перемешиваем.
4. В коническую колбу на 500 мл (=”поллитровая банка”) наливаем 250 мл дистиллированной воды, добавляем 10 мл концентрированной серной кислоты и 25 мл нашего раствора из п.3
5. Капаем по каплям (желательно из пипетки, на которой нанесена маркировка объема) раствор 0,1N марганцовки в нашу поллитровую банку из п.4. Капнули — перемешали, капнули — перемешали. И так продолжаем до тех пор, пока прозрачный раствор не приобретет слабо розоватый оттенок. В результате реакции перекись разлагается с образованием кислорода и воды, а марганец (VI) в марганцовке восстанавливается до марганца (II).
5H2O2 + 2KMnO4 + 4H2SO4 = 2KHSO4 +2MnSO4 + 5O2 + 8H2O

6. Считаем концентрацию нашей перекиси: С h3O2 (масс.%) =[Объем раствора марганцовки в мл*0,1*0,01701*1000]/[масса образца в граммах, из п.2]
PROFIT!!!

Свободные рассуждения на тему стабильности при хранении


Перекись водорода считается соединением нестабильным, которое склонно к самопроизвольному разложению. Скорость разложения увеличивается с повышением температуры, концентрации и pH. Т.е. в общем работает правило:
…холодные, разбавленные, кислые растворы демонстрируют наилучшую стабильность…

Разложению способствуют: повышение температуры (увеличение скорости в 2,2 раза на каждые 10 градусов Цельсия, а при температуре около 150 градусов концентраты вообще лавинообразно разлагаются со взрывом), увеличение рН (особенно при рН> 6–8)

Ремарка про стекло: хранить в стеклянных бутылках можно только подкисленную перекись, т.к. стекло имеет свойство при контакте с чистой водой давать щелочную среду, а значит будет способствовать ускоренному разложению.

Влияет на скорость разложения и наличие примесей (особенно переходных металлов, таких как медь, марганец, железо, серебро, платина), воздействие ультрафиолета. Чаще всего основная комплексная причина — это рост рН и наличие примесей. В среднем, при STP условиях 30% перекись водорода теряет примерно 0,5% основного компонента в год.

Для удаления примесей используют ультратонкую фильтрацию (исключение частиц) или хелаты (комплексообразователи), связывающие ионы металлов. В качестве хелатов могут использоваться ацетанилид, коллоидный станнат или пирофосфат натрия (25–250 мг/л), органофосфонаты, нитраты (+регуляторы рН и ингибиторы коррозии), фосфорную кислоту (+регулятор рН), силикат натрия (стабилизатор).

Влияние ультрафиолета на скорость разложения не так выражено, как для рН или температуры, но тоже имеет место быть (см. картинку):


Видно, что коэффициент молекулярной экстинкции растет с уменьшением длины волны ультрафиолета.
Коэффициент молярной экстинкции является характеристикой того, насколько сильно химическое вещество поглощает свет на заданной длине волны.

Кстати, этот процесс разложения, инициированный фотонами называется фотолиз:
Фотолиз (он же фотодиссоциациея и фоторазложение) представляет собой химическую реакцию, в которой химическое вещество (неорганическое или органическое) расщепляется фотонами после их взаимодействия с молекулой-мишенью. Вызвать разложение может любой фотон с достаточной энергией (более высокой, чем энергия диссоциации целевой связи). Эффект, аналогичный эффекту ультрафиолета могут давать также рентгеновские лучи и γ-лучи.

Что можно сказать в целом. А то, что перекись следует хранить в непрозрачном контейнере, а лучше вообще в бутылках из коричневого стекла, которые блокируют лишний свет (несмотря на то, что «поглощает» != «сразу разлагается»). Рядом с рентген-аппаратом бутылочку перекиси также держать не стоит 🙂 Ну и от такого вот (УР 203Ех (?):
… от "такого вот” перекись (да и себя любимого, если уж начистоту) тоже держать нужно подальше.

Важно, что помимо непрозрачности, контейнер/бутылка должен быть из “перекисьустойчивых” материалов, вроде нержавеющей стали или стекла (ну + некоторые пластмассы и алюминиевые сплавы). Для ориентировки может пригодится табличка (пригодится в т.ч. врачам, которые собираются обрабатывать свое оборудование):


Легенда таблички следующая: А — отличная совместимость, B — хорошая совместимость, незначительное воздействие (микрокоррозия или изменение цвета), С — слабая совместимость (не рекомендуется для длительного использования, возможна потеря прочности и т.п.), D- совместимость отсутствует (=использовать нельзя). Прочерк означает “информация отсутствует”. Цифровые индексы: 1 — удовлетворительно при 22° C, 2 — удовлетворительно при 48° C, 3 — удовлетворительно, при использовании в прокладках и уплотнениях.

Техника безопасности при работе с перекисью водорода

Каждому кто дочитал до этого раздела скорее всего ясно, что перекись — это сильный окислитель, а значит ее крайне необходимо хранить вдали от легковоспламеняющихся/горючих веществ и восстановителей. H2O2 как в чистом, так и в разбавленном виде может образовывать взрывоопасные смеси при контакте с органическими соединениями. Учитывая все выше сказанное, можно написать так

Перекись водорода несовместима с горючими материалами, любыми горючими жидкостями и металлами и их солями (в порядке снижения каталитического действия) — осмий, палладий, платина, иридий, золото, серебро, марганец, кобальт, медь, свинец

Говоря про металлические катализаторы разложения нельзя отдельно не сказать про осмий. Это не только самый плотный металл на Земле, он еще и лучшее в мире оружие для разложения перекиси водорода.


Эффект ускорения разложения перекиси водорода для этого металла наблюдается в количествах, которые даже не каждым аналитическим методом возможно обнаружить — чтобы очень эффективно (х3-х5 раз относительно перекиси без катализатора) перекись разложить на кислород и воду нужен всего лишь 1 грамм осмия на 1000 тонн пероксида водорода.

Ремарка про «взрывной характер»: (сразу хотел написать “я-перекись”, но постеснялся). В случае перекиси водорода, сферическая девочка Саша, которой с этой перекисью приходится работать, чаще всего боится взрыва. И в принципе, в опасениях Александры есть здравый смысл. Ведь перекись может взорваться по двум причинам. Во-первых от того, что в герметичном контейнере будет протекать постепенное разложение H2O2, выделение и накопление кислорода. Давление внутри контейнера будет расти, расти и в итоге БУМ! Во-вторых есть вероятность того, что при контакте перекиси водорода с какими-то веществами произойдет образование неустойчивых пероксидных соединений, которые могут сдетонировать от удара, нагрева и т.п. В классном пятитомнике Sax’s Dangerous Properties of Industrial Materials по этому поводу сказано столько, что я даже решил это спрятать под спойлер. Информация применима для концентрированной перекиси водорода >= 30% и <50%:

Абсолютная несовместимость
взрывается при контакте с: спирты+серная кислота, ацеталь+уксусная кислота+нагрев, уксусная кислота+N-гетероциклы (выше 50 °C), ароматические углеводороды+трифторуксусная кислота, азелаиновая кислота+серная кислота (около 45 °C), трет-бутанол+серная кислота, карбоксильные кислоты (муравьиная, уксусная, винная), дифенилдиселенид (выше 53 °C), 2-этоксиэтанол+полиакриламидный гель+толуол+нагрев, галий+соляная кислота, сульфат железа (II)+азотная кислота+карбоксиметилцеллюлоза, азотная кислота + кетоны (2-бутанон, 3-пентанон, циклопентанон, циклогексанон), азотистые основания (аммиак, гидразин гидрат, диметилгидразин), органические соединения (глицерин, уксусная кислота, этанол, анилин, хинолин, целлюлоза, угольная пыль), органические материалы + серная кислота (особенно в ограниченном пространстве), вода + кислородсодержащая органика (ацетальдегид, уксусная кислота, ацетон, этанол, формальдегид, муравьиная кислота, метанол, пропанол, пропаналь), винилацетат, спирты+хлорид олова, оксид фосфора (V), фосфор, азотная кислота, антимонит, трисульфид мышьяка, хлор+гидроксид калия+хлорсульфоновая кислота, сульфид меди, сульфид железа (II), муравьиная кислота+органические загрязнения, селенид водорода, ди- и моноксид свинца, сульфид свинца (II), диоксид марганца, оксид ртути (I), дисульфид молибдена, иодат натрия, оксид ртути (II)+ азотная кислота, диэтиловый эфир, этилацетат, тиомочевина+уксусная кислота
загорается при контакте с: фурфуриловым спиртом, порошкообразные металлы (магний, цинк, железо, никель), древесные опилки
бурная реакция с: изопропоксид алюминия+соли тяжелых металлов, древесный уголь, каменный уголь, тетрагидроалюминат лития, щелочные металлы, метанол+фосфорная кислота, ненасыщенные органические соединения, хлорид олова (II), оксид кобальта, оксид железа, гидроксид свинца, оксид никеля


В принципе, если относится к концентрированной перекиси уважительно, и не комбинировать с указанным выше веществами, то можно годами комфортно работать и ничего не бояться. Но береженого и бог бережет, поэтому плавно переходим к средствам индивидуальной защиты.

СИЗ и ликвидация последствий


Идея написания статьи возникла когда я решил сделать заметку в канал, посвященную вопросам безопасной работы с концентрированными растворами H2O2. Благо очень многие читатели приобрели себе канистры с пергидролем (на случай «в аптеке ничего нет»/«до аптеки не дойдем») и даже успели сгоряча получить химические ожоги. Поэтому большая часть написанного ниже (да и выше) относится в основном к растворам с концентрацией выше 6%. Чем выше концентрации — тем актуальнее наличие СИЗ.

Для безопасной работы, в качестве средств индивидуальной защиты всего-то нужны перчатки из поливинилхлорида/бутилкаучука, полиэтилена, полиэфирных и других пластиков для защиты кожи рук, очки или защитные маски из прозрачных полимерных материалов для защиты глаз. Если образуются аэрозоли — добавляем к комплекту респиратор с противоаэрозольной защитой (а лучше вообще угольный ABEK фильтропатрон с P3 защитой). При работе со слабыми растворами (up to 6%) достаточно перчаток.

На «поражающих эффектах» остановлюсь подробнее. Перекись водорода это умеренно опасное вещество, при попадании на кожу и в глаза вызывает химические ожоги. Вреден при вдыхании и проглатывании. См. картинку из SDS («Окислитель»-«Корродирует»-«Раздражитель»):


Чтобы не ходить вокруг да около — сразу и напишу о том, что делать, если перекись водорода концентрацией >6% вступила в контакт с неким сферическим человеком без средств индивидуально защиты.
При попадании на кожу — стереть сухой тряпкой, или тампоном смоченным спиртом. Затем необходимо промывать поврежденную кожу обильной струей воды в течении 10 минут.
При попадании в глаза — немедленно промыть широко раскрытые глаза, а также под веками слабой струей воды (или 2% раствором питьевой соды) не менее 15 минут. Обратится к врачу-офтальмологу.
При проглатывании — обильное питье (=простая вода литрами), активированный уголь (1 таблетка на 10 кг веса), солевое слабительное (сульфат магния). Не вызывать рвоту (=промывание желудка ТОЛЬКО врачом, с помощью зонда, и никаких привычных уже «два пальца в рот»). Не давать что либо через рот человеку без сознания.

Вообще проглатывание особенно опасно, так как при разложении в желудке образуется большое количество газа (в 10 раз больше объема 3% раствора), что приводит к вздутию живота и сдавливанию внутренних органов. Для этого и нужен активированный уголь…

Если с лечением последствий для организма все более или менее понятно, то стоит еще пару слов сказать и про утилизацию лишней/старой/разлитой по неопытности перекиси водорода.

… утилизация перекиси водорода производится либо а)разбавлением водой и сливом в канализацию, либо б)разложением с помощью катализаторов (пиросульфит натрия и т.п.), либо в)разложением нагревом (в т.ч. кипячение)

Как это все выглядит на примере. Например в лаборатории разлил я нечаянно литр 30% перекиси водорода. Ничего не вытираю, а засыпаю жидкость смесью равных количеств (1:1:1) кальцинированной соды+песка+бентонита (=”бентонитовый наполнитель для лотков”). Затем эту смесь смачиваю водой до образования кашицы, кашицу совком собираю в контейнер, и переношу в ведро с водой (заполнены две трети). И уже в ведро с водой я постепенно добавляю раствор пиросульфита натрия с 20% избытком. Чтобы все это дело нейтрализовать по реакции:
Na2S2O5 + 2H2O2 = Na2SO4 + H2SO4 + H2O

Если соблюдать условия задачи (литр 30% раствора) то выходит что для нейтрализации нужно 838 грамм пиросульфита (с избытком выходит килограмм соли). Растворимость этого вещества в воде ~ 650 г/л, т.е. примерно полтора литра концентрированного раствора понадобится. Мораль такова — либо не разливайте пергидроль на пол, либо разводите его посильнее, а то не наберетесь нейтрализаторов 🙂

При поиске возможных замен пиросульфиту, Капитан Очевидность рекомендует использовать те реагенты, которые при реакции с перекисью водорода не дают аховые объемы газа. Это может быть например сульфат железа (II). Он продается в хозяйственных магазинах и даже в РБ. Для нейтрализации h3O2 требуется подкисленный серной кислотой раствор:

2FeSO4 + H2O2 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 2H2O

Можно использовать и иодид калия (тоже подкисленный серной кислотой):
2KI + H2O2 + H2SO4 = I2 + 2H2O + K2SO4

Напомню, что все рассуждения строятся на вводных задачи (30% р-р), если вы разлили перекись концентрациями пониже (3–7%) то можно использовать и подкисленный серной кислотой перманганат калия. Если кислород там даже и выделяется, то благодаря низким концентрациям “наворотить дел” он не сможет при всем желании.

Про жука


А я не забыл про него, родимого. Будет в качестве награды тем, кто дочитал очередной мой longread. Не знаю задумывался ли 30 лет назад уважаемый Алексей JetHackers Стаценко aka MagisterLudi о своих реактивных ранцах, но вот у меня точно какие-то такие мысли возникали. Особенно, когда на VHS кассете доводилось смотреть (а то и пересматривать) светлую диснеевскую сказку-фильм “Ракетчик” (в оригинале Rocketeer).
Связь здесь следующая. Как я писал ранее, перекись водорода высоких концентраций (вроде отечественной марки В) с высокой степенью очистки (прим. — т.н. high-test peroxide или HTP) может использоваться в качестве топлива в ракетах (и торпедах). Притом использоваться она может как в виде окислителя в двухкомпонентных двигателях (например, как замена жидкого кислорода), так и в виде т.н. монотоплива. В последнем случае H2O2 закачивается в “камеру сгорания”, где разлагается на металлическом катализаторе (любой из металлов, упомянутых ранее в статье, например, серебро или платина) и под давлением, в виде пара с температурой около 600 °C, выходит из сопла, создавая тягу.

Самое интересное, что такое же внутреннее устройство (“камера сгорания”, сопла и т.п.) имеет внутри своего тельца небольшой жук из подсемейства жужелиц. Жук-бомбардир он называется официально, но мне вот его внутреннее устройство (=картинка в начале статьи) напоминает агрегат из упомянутого выше фильма 1991 года 🙂


Бомбардиром жучок называется потому как способен более или менее прицельно выстреливать из желёз в задней части брюшка кипящей жидкостью с неприятным запахом.


Температура выброса может достигать 100 градусов по Цельсию, а скорость выброса 10 м/с. Один выстрел длится от 8 до 17 мс, и состоит из 4–9 непосредственно следующих друг за другом импульсов. Чтобы не пришлось перематывать в начало, повторю здесь картинку (она вроде взята из журнала Science за 2015 год из «одноименной» статьи).
Жук продуцирует внутри себя два “компонента ракетного топлива” (т.е. он все ж не “монотопливный”). Сильный восстановитель — гидрохинон (использовался ранее как проявитель в фотографии). И сильный окислитель — перекись водорода. При угрозе жук сокращает мышцы, которые выталкивают два реагента через клапанные трубки в смесительную камеру, содержащую воду и смесь ферментов (пероксидаз) разлагающих перекись. В сочетании, реагенты дают бурную экзотермическую реакцию, жидкость закипает и превращается в газ (= “аннигиляция”). В общем, жук обваривает потенциального врага струей кипятка (но для первой космической тяги явно недостаточно). Но…По крайней мере жука вполне можно считать иллюстрацией к разделу Техника безопасности при работе с перекисью водорода. Мораль следующая:
%USERNAME%, не будь как жук-бомбардир, не смешивай без понимания перекись с восстановителем! 🙂

Дополнение от drWhy: «Похоже, земной жук-бомбардир стал прообразом плазменного жука из «Звёздного десанта». Вот у него как раз импульса (не тяги!) хватает для развития первой космической скорости, механизм выработался в ходе эволюции и использовался для забрасывания спор на орбиту с целью расширения ареала, а также пригодился в качестве оружия против неповоротливых крейсеров противника»
Ну вот и про жука рассказал и с перекисью разобрались. На этом пока и остановимся.
Важно! Все остальное (в том числе обсуждение заметок, промежуточные черновики и абсолютно все мои публикации) — можно найти в телеграм-канале LAB66. Подписывайтесь и следите за анонсами.
Следующий в очереди на рассмотрение — дихлоизоцианурат натрия и “хлорные таблетки”.

ДОПОЛНЕНИЕ от 05.06.2020: проведена «контрольная закупка» аптечной перекиси. Результаты — смотреть в статье на Patreon. Проверяем, что продается в наших аптеках (картинка кликабельна)!


Благодарности: автор выражает глубокую признательность всем активным участникам комьюнити LAB-66 — людям которые активно финансово поддерживают наш «научно-технический уголок» (= телеграм-канал), наш чат (и экспертов в нем, которые оказывают круглосуточную (!!!) техподдержку), и конечного самого автора. За все это спасибо, ребята, от steanlab!

«осмиевый катализатор» для роста и развития упомянутого выше комьюнити: ===>

1. мастер кард 5536 0800 1174 5555
2. яндекс деньги 410018843026512
3. веб мани 650377296748
4. крипта BTC: 3QRyF2UwcKECVtk1Ep8scndmCBoRATvZkx, ETH: 0x3Aa313FA17444db70536A0ec5493F3aaA49C9CBf
5. Стать патроном канала LAB-66

Использованные источники Hydrogen Peroxide Technical Library
Decomposition of Hydrogen Peroxide — Kinetics and Review of Chosen Catalysts
Material Compatibility with Hydrogen Peroxide
Шандала М.Г. Актуальные вопросы общей дезинфектологии. Избранные лекции. — М.: Медицина, 2009. 112 с.
Lewis, R.J. Sr. Sax's Dangerous Properties of Industrial Materials. 12th Edition. Wiley-Interscience, Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. 2012., p. V4: 2434
Haynes, W.M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 95th Edition. CRC Press LLC, Boca Raton: FL 2014-2015, p. 4-67
W.T. Hess «Hydrogen Peroxide». Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 13 (4th ed.). New York: Wiley. (1995). pp. 961–995.
C. W. Jones, J. H. Clark. Applications of Hydrogen Peroxide and Derivatives. Royal Society of Chemistry, 1999.
Ronald Hage, Achim Lienke; Lienke Applications of Transition-Metal Catalysts to Textile and Wood-Pulp Bleaching. Angewandte Chemie International Edition. 45 (2): 206–222. (2005).
Schildknecht, H.; Holoubek, K. The bombardier beetle and its chemical explosion. Angewandte Chemie. 73: 1–7. (1961).
Jones, Craig W. Applications of hydrogen peroxide and its derivatives. Royal Society of Chemistry (1999)
Goor, G.; Glenneberg, J.; Jacobi, S. Hydrogen Peroxide. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. (2007).
Ascenzi, Joseph M., ed. Handbook of disinfectants and antiseptics. New York: M. Dekker. p. 161. (1996).
Rutala, W. A.; Weber, D. J. Disinfection and Sterilization in Health Care Facilities: What Clinicians Need to Know. Clinical Infectious Diseases. 39 (5): 702–709. (2004).
Block, Seymour S., ed. Chapter 9: Peroxygen compounds. Disinfection, sterilization, and preservation (5th ed.). Philadelphia: Lea & Febiger. pp. 185–204. (2000).
O'Neil, M.J. The Merck Index — An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry, 2013., p. 889
Larranaga, M.D., Lewis, R.J. Sr., Lewis, R.A.; Hawley's Condensed Chemical Dictionary 16th Edition. John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ 2016., p. 735
Sittig, M. Handbook of Toxic and Hazardous Chemicals and Carcinogens, 1985. 2nd ed. Park Ridge, NJ: Noyes Data Corporation, 1985., p. 510
Larranaga, M.D., Lewis, R.J. Sr., Lewis, R.A.; Hawley's Condensed Chemical Dictionary 16th Edition. John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ 2016., p. 735
Сборник важнейших официальных материалов по вопросам дезинфекции, стерилизации, дезинсекции, дератизации: В 5 т. / Информ.-изд. центр Госкомсанэпиднадзора Рос. Федерации, НИИ профилакт. токсикологии и дезинфекции; Под общ. ред. М. Г. Шандалы. — М.: ТОО «Рарогъ», 1994


И чуть не забыл, предупреждение для несознательных товарищей 🙂

Disclaimer: вся информация, изложенная в статье, предоставлена сугубо с информационными целями и не является прямым призывом к действию. Все манипуляции с химическими реактивами и оборудованием вы проводите на свой страх и риск. Автор не несет никакой ответственности за небрежное обращение с агрессивными растворами, безграмотность, отсутствие базовых школьных знаний и т.п. Если не чувствуете в себе уверенности понять написанное — попросите проконтролировать ваши действия родственника/друга/знакомого который имеет профильное образование. И обязательно используйте СИЗ с максимально точным соблюдением техники безопасности.

"Опасна не торпеда, а кислород в ней" – Газета Коммерсантъ № 131 (2500) от 27.07.2002

       Депутат Госдумы ВАЛЕРИЙ ДОРОГИН, привлекавшийся в качестве эксперта к расследованию гибели АПЛ "Курск", объяснил корреспонденту Ъ СЕРГЕЮ Ъ-ДЮПИНУ, в чем опасность и преимущества торпеды, погубившей подлодку.

— Как могла учебная торпеда, по сути пустая металлическая болванка, погубить атомную подводную лодку?


       — В качестве топлива для газотурбинного двигателя торпеды используется керосин. Для сгорания керосина требуется кислород, но взять его, когда торпеда находится под водой, в замкнутом пространстве, неоткуда. Для этого используется резервуар с перекисью водорода, вмонтированный в корпус торпеды. При нагревании перекись выделяет кислород и подает его к двигателю вместе с топливом. Этот кислород и несет в себе главную опасность для экипажа. Если он вытечет из емкости самопроизвольно и смешается с парами углеводорода — испарениями от машинного масла, керосина, оплетки проводов, в корпусе торпеды или торпедном отсеке образуется взрывоопасная смесь. Даже самого слабого электроразряда или искры, произошедшей от чирканья металла по металлу, достаточно, чтобы произошел взрыв. Так было и на "Курске". После того как рванул газ, сдетонировали и установленные рядом боевые торпеды.
       — Говорят, что еще в 1955 году после первого в истории подводного флота взрыва учебной газотурбинной торпеды на британской подлодке все страны, кроме России, отказались от них и перешли на торпеды с электродвигателями. Это так?
       — Нет. До настоящего времени торпеды, в топливо которых подмешиваются перекисно-водородные компоненты, стоят на вооружении, например, китайских подлодок. Не смейтесь — Китай сегодня одна из крупнейших морских держав.
       — Но ведь трагедия на "Курске" показала, что газотурбинные торпеды опасны не только для неприятеля, но и для того, кто везет их на борту.
       — Опасность несет в себе любое вооружение. Вопрос в том, какова степень этой опасности. Так вот, газотурбинные торпеды 65-76 "Кит", установленные на российских АПЛ проекта 949А, к которым принадлежал "Курск", при правильной эксплуатации надежны на 99,99%. Разгерметизация емкости с перекисью водорода и вытекание кислорода внутрь торпеды или даже в торпедный отсек теоретически возможны. Но на этот случай предусмотрен специальный датчик, который реагирует на протечку и дает знать об этом оператору. Тому нужно всего лишь включить автоматический клапан и стравить газ наружу. Вероятность того, что одновременно разгерметизируется емкость с перекисью и откажет предупреждающая автоматика, не более 0,01%. Поэтому я согласен с генпрокурором Устиновым, которого лично знаю как очень профессионального и добросовестного специалиста: ни техника, ни люди не виноваты в аварии "Курска". Причина трагедии — роковое стечение обстоятельств.
       — Если газотурбинные торпеды столь надежны, то почему тогда, кроме нас и китайцев, никто в мире больше не использует их?
       — Уверяю вас, не из-за проблем с безопасностью, а по стратегическим соображениям. Военно-техническая наука в разных странах традиционно развивается в разных направлениях. К примеру, американцы создали крылатую ракету "Томагавк", которая летит дальше, чем аналогичные российские образцы. Но "Томагавк" летит в четыре раза медленнее, и расстрелять его может любой истребитель. А наши крылатые ракеты движутся в четыре раза быстрее и поэтому считаются несбиваемыми. Таким образом, американцы предпочли дальность в ущерб скорости, мы — наоборот.
       — То есть и у российских газотурбинных торпед есть преимущества перед американскими электрическими?
       — Безусловно. Электродвигатель торпеды Мк-48, стоящей на вооружении флота США, меньше шумит в движении, поэтому ее труднее засечь. У Мк-48 более чувствительная головка самонаведения. Зато наши 65-76, у которых более мощный двигатель и нет аккумулятора, значительно превосходят американские образцы по боевым характеристикам: у них больше скорость и дальность стрельбы. Это объяснимо: Мк-48 эффективны для стрельбы по сравнительно небольшим кораблям, которыми в основном укомплектован российский флот. Для борьбы с крупными соединениями американских авианосцев гораздо эффективнее наша газотурбинная 65-76.
       

Перекись водорода | Профессиональные моющие, чистящие, дезинфицирующие средства


Перекись водорода или пероксид водорода (Н-О-О-Н) - прозрачная, бесцветная жидкость. Используется только в водных растворах, и смешивающаяся с водой в любых соотношениях. При низких концентрациях перекись водорода не имеет запаха, при высоких концентрациях - имеет несколько резкий запах. Молекулярный вес перекиси водорода 34,02.

Перекись водорода - негорючая, пожаровзрывоопасная жидкость, является сильным окислителем, энергично вступающим в реакции со многими веществами. Она способна самопроизвольно разлагаться на воду и кислород, это свойство особенно важно из-за возрастающей в последнее время озабоченности состоянием окружающей среды.

Опасность применения
Несмотря на то, что перекись водорода не токсичнa, ее концентрированные растворы при попадании на кожу, слизистые оболочки и в дыхательные пути вызывают ожоги. В больших концентрациях перекись водорода может быть взрывоопасна.

Области применения перекиси водорода
Перекись водорода обладает сильными окисляющими свойствами. Она мало ядовита и проста в работа. Продукты распада, вода и кислород, не опасны. Всё это преимущества вызвали расширение областей применения. Тому, что перекись водорода стала очень важным промышленным химикатом способствовала, не в последнюю очередь, всё возрастающая в последние десятилетия озабоченность состоянием окружающей среды.

Самой большой областью применения перекиси водорода в качестве отбеливающего вещества является целлюлозно-бумажная промышленность. Химикат используется, как при отбелке химической массы (сульфатной и сульфитной), так при отбелке различных типов механической массы, также для регенерации макулатуры. Перекись водорода используется в текстильной промышленности, как эффективное отбеливающее средство для хлопка, текстиля, шерсти, мехов, различных искусственных и синтетических волокон.

Незаменима перекись водорода в области защиты окружающей среды, являясь универсальным агентом для обезвреживания различных токсичных веществ в промышленных и бытовых сточных водах, в газовых выбросах; с ее помощью могут обезвреживаться сульфиты и сульфиды, гипохлориды, нитриты, нитрилы, цианиды, альдегиды, фенолы, гидразины, эфиры и др. Применяя перекись водорода, можно эффективно очищать различные отходящие газы от двуокиси серы, оксиды азота, сероводорода, хлора, синильной кислоты.

Благодаря высокому содержанию активного кислорода и ряду уникальных свойств этот продукт используют, как окисляющий, гидроксилирующий и эпоксидирующий агент в химической промышленности. Примером является получение пероксидных соединений, например в органических пероксидах, перборатах и перкарбонатах. Другим примером является использование её в качестве инициатора полимеризации.

Перекись водорода нашла свое применение в металлообрабатывающей промышленности, где она используется для травления, полирования и очистки и травления металлов и сплавов, а так же для удаления так называемых азотистых газов при травлении.

Перекись водорода активно используется в горнодобывающей промышленности при добыче золота, урана, кобальта. А так же в нефтедобыче для повышения извлечения нефти из скважины.

В медицине растворы перекись водорода применяются, как антисептическое средство. При контакте с поврежденной кожей и слизистыми, перекись водорода под влиянием фермента каталазы распадается с выделением кислорода, что способствует сворачиванию крови и создает неблагоприятные условия для развития микроорганизмов. К тому же перекись водорода обладает выраженной бактерицидной, туберкулоцидной, вирулицидной, фунгицидной и спороцидной активностью.

Другими словами, перекись водорода эффективно применяется для дезинфекции при особо опасных инфекциях, таких как сибирская язва, чума, сап, мелиоидоз, холера, туляремия, а так же туберкулез.

На основании выше изложенных свойств перекись водорода нашла свое применение и в сельском хозяйстве для обработки семян, картофеля, капусты и силоса.

Набирает свою популярность использование перекиси водорода в рыбохозяйственных комплексах для профилактики и лечения заболеваний рыб в условиях интенсивного выращивания, а так же в аквариумистике для борьбы с низшими водорослями.

В пищевой промышленности растворы перекиси водорода применяются для дезинфекции технологических поверхностей оборудования, непосредственно соприкасающихся с продукцией. Кроме того, на предприятиях по производству молочной продукции, соков, вина и других пищевых продуктов растворы перекиси водорода используются для стерилизации упаковки методом распыления и погружения на разливочных машинах Тетра Пак и Комби Блок.

Особо чистые марки перекиси водорода широко используются в электронной промышленности при производстве полупроводниковых чипов.

Высококонцентрированная перекись водорода используется в ракетно-космической технике в качестве окислителя в жидком двухкомпонентном ракетном топливе.

Безопасное применение перекиси водорода
Для обеспечения безопасности работы с перекисью водорода необходимо строго следовать всем предписанным требованиям безопасности:
Персонал, принятый на работу в производство перекиси водорода, должен быть инструктирован и обучен правилам безопасной работы
Так как перекись водорода - пожаро-взрывоопасная жидкость и является сильным окислителем, она способна самопроизвольно разлагаться на воду и кислород и при розливе может вызывать воспламенение горючих материалов.
Средством для тушения пожара и остановки разложения перекиси водорода является обильная струя воды.
Не допускается контакт перекиси водорода с железом, хромом, свинцом, серебром, марганцем и их солями, так как эти металлы являются катализаторами разложения перекиси водорода.
Во избежание разложения перекиси водорода не допускается загрязнение ее растворов посторонними примесями. Перекись водорода по параметру острой токсичности при введении в желудок относится к 3 классу опасности.
Растворы перекиси водорода могут вызывать ожоги кожи и глаз, пары перекиси водорода - раздражение слизистых оболочек.
Первая помощь при ожогах кожи или слизистых оболочек - обильное промывание пораженных участков струей воды, при поражении глаз - обратиться к врачу-специалисту.
При работе с перекисью водорода обслуживающий персонал должен быть обеспечен специальной одеждой, специальной обувью и индивидуальными средствами защиты по действующим нормам: хлопчатобумажным халатом, прорезиненным или пластиковым фартуком, а также сапогами.
Для защиты глаз применяют защитные очки или маску из органического стекла, для защиты кожи рук - резиновые перчатки.
Помещения для работы с перекисью водорода должны быть оборудованы вентиляцией.

За что дали Нобелевку по физиологии или медицине? Объясняем просто, насколько это возможно

Премию 2019 года поровну разделили трое: американцы Уильям Кэлин, Грэг Семенца и британец Питер Рэтклифф. Бывает так, что кому-то присуждают половину награды, а еще двоим — по четверти, но в этот раз Нобелевский комитет показал, что вклад всех троих равнозначный. Работая по отдельности, они разгадали тайну, которая не давала покоя с XIX века.

Животные не могут жить без кислорода. "В свое время мы плохо понимали, какую роль он играет. Ну, сжигает пищу. На самом деле, у нас в организме огромная разница по уровню кислорода: если в воздухе — 21%, то в артериальной крови — 15%, в венозной — 5%, в хрящевой ткани — меньше 1%. Кислород — наш основной элемент, ведь организм в основном состоит из воды, а в каждой молекуле воды есть атом кислорода. Это и строительный материал, и окислитель. А примерно 1% вдыхаемого кислорода попадает не совсем туда, куда нужно, образуется перекись водорода — это целая наука", — говорит ведущий научный сотрудник Института молекулярной биологии (ИМБ РАН) Егор Егоров.

Стоит уровню кислорода в воздухе упасть всего на один процентный пункт, как мы тут же это чувствуем: нам кажется, что дышать нечем, — а из-за дальнейшего снижения концентрации затуманивается сознание, человек становится вялым (таковы симптомы высотной болезни), и в конце концов наступает смерть.

Когда кислорода в крови недостаточно (это состояние называется гипоксией), в крови увеличивается концентрация гормона эритропоэтина. Эритропоэтин служит сигналом для производства красных кровяных телец: эти клетки переносят кислород по организму, и чем их больше, тем больше кислорода из легких идет в дело, а не выдыхается обратно. Кстати, этим пользуются недобросовестные спортсмены, вводя гормон для улучшения результатов.

А вот почему при недостатке кислорода появляется эритропоэтин, долго было непонятно. Этот гормон закодирован в особом гене. Чтобы почки выработали эритропоэтин, нужно, чтобы ген что-то включило. Но не может же отсутствие чего-то — кислорода — само по себе поднять рубильник. В схеме не хватало промежуточного звена, и нашел его Грэг Семенца. Он открыл и выделил связанные белки, названные HIF-1α и ARNT. Эти белки прикрепляются к ДНК вокруг гена эритропоэтина, и от этого зависит, включится он или нет, повысится ли уровень гормона, а следом — количество красных кровяных телец.

"Семенца — классик, которого мы все цитируем. Теперь известно целое семейство этих белков: HIF-1α, HIF-2α, HIF-3α, чье содержание увеличивается в зависимости от типа клеток. Но в любом случае они реагируют на пониженное содержание кислорода и служат сигналом, как звон колокола или удар в дверь", — говорит заведующая лабораторией клеточной физиологии Института медико-биологических проблем (ИМБП РАН) Людмила Буравкова.

Когда кислорода в крови достаточно, в клетках почти нет HIF-1α, потому что его быстро разбирают на части. Но с падением концентрации кислорода белка становится больше. Дело снова не в кислороде самом по себе — для разгадки ученым не хватало еще одного промежуточного звена. Его обнаружил онколог Уильям Кэлин. Он первым догадался, что другой белок — VHL — связан с реакцией организма на недостаток кислорода. После этого третий лауреат, Питер Рэтклифф, выяснил, что VHL цепляется к HIF-1α, делая его мишенью для переработки.

Но при чем тут кислород, все еще было непонятно. Кэлин и Рэтклифф стали копать дальше и выяснили: когда нет гипоксии, к белку HIF-1α приделываются две гидроксильные группы, состоящие из атомов водорода и… кислорода. Эти гидроксильные группы служат меткой для белка VHL, а VHL, как мы уже знаем, дает сигнал клеточным инструментам, что HIF-1α надо разбирать на части за ненадобностью. Когда же кислорода мало, его не хватает на мишени, вся цепочка разрывается и HIF-1α выполняет свою задачу — указывает, мол, пора включать нужный ген, чтобы совладать с гипоксией.

Головоломка сложилась.

"Эритропоэтин — один из большого списка генов, связанных с кислородом", — объясняет Егор Егоров. Людмила Буравкова добавляет: "Эритропоэтин только увеличивает выработку красных кровяных телец, да и то с отсрочкой. Этот же HIF-1α усиливает экспрессию других генов: кто-то говорит про 200, кто-то — про 400. При гипоксии надо не только увеличить количество эритроцитов, чтобы они приносили кислород, но и увеличить число капилляров. Это еще один классический пример, когда запускаются адаптационные механизмы. Одни из них направлены на улучшение доставки кислорода, другие — на более эффективное потребление".

По словам Людмилы Буравковой, открытиям Семенцы, Кэлина и Рэтклиффа давно нашли практические применения. Когда клетки нужно вырастить в пробирке, их в определенный момент подвергают гипоксии. Другой пример, который она назвала, — лечение хронических язв и незаживающих ран: если вырастут дополнительные сосуды, больные места будут лучше обеспечены всем необходимым. "Или облысение: говорят про плохое кровоснабжение волосяных фолликул. Давайте его усилим. Как? Усилим сигнал, что там мало кислорода. То же самое со склерозом легких", — продолжает Егор Егоров.

Но, наверное, больше всего надежд связано с терапией рака. Людмила Буравкова считает, что именно так следует понимать решение Нобелевского комитета: "Они удачно объединили теоретические, экспериментальные биохимические, молекулярные работы с тем, что сейчас на острие, — попытками понять, почему рак растет именно так [а не иначе], и найти выход с помощью открытых механизмов, установить какой-то сигнальный путь, найти ключ и переключить".

С другой стороны, Егор Егоров напоминает, что с раком уже пытались бороться, подавляя рост сосудов. Опухоли уменьшались в размере, но не исчезали полностью, а спустя какое-то время находили обходной путь и делались еще опаснее, потому что прежде эффективные лекарства переставали действовать. Возможно, в будущем регулировка уровня белков семейства HIF поможет победить рак и другие болезни. А может, ничего не выйдет, считает Егор Егоров: "Это всеобъемлющая вещь: в одно место нажмешь — будут какие-нибудь отрицательные последствия в другом".

Марат Кузаев

Перекись водорода (пергидроль) для бассейна

Обработка бассейна перекисью водорода

Перекись водорода для очистки бассейна - простое и недорогое средство, которым давно и удовольствием пользуются владельцы бассейнов на Западе. К нам, в Россию, эта тенденция пришла лет 5-7 назад, но до сих пор отношение к пергидролю осторожное. А зря, потому что у перекиси гораздо больше «показаний» к использованию в жарком климате.

Перекись водорода, как обеззараживающее средство, повсеместно применят в медицине, стоматологии, хирургии. Правда, то вещество, которое используется в лечебных целях, отличается от химии для бассейнов концентрацией. В аптеке продается перекись 3%, а в канистре для бассейна - от 35% до 60%.

Принцип действия пергидроля элементарен: при добавлении в воду из вещества выделяется активный кислород, губительно действующий на бактерии и простейших. Запаха у перекиси, в том числе и при добавлении в воду нет. Цвет воды она не меняет.

Преимущества обработки открытых бассейнов H2O2

У перекиси водорода преимуществ больше, чем недостатков:
· в сравнении с другими, особенно комплексными, средствами очистки летних открытых бассейнов, стоит пергидроль недорого;
· никакого запаха, что оценят люди, чутко реагирующие на едкие ароматы, например, на хлор;
· пергидроль не влияет на PH, а это значит, что после очистки бассейна не придется еще и корректировать кислотно-щелочной баланс;
· чистить можно самостоятельно, можно даже доверить подростку, так как ничего сложного в процедуре нет;
· при температуре воздуха +33-37 C перекись водорода помогает предотвратить зацветание воды на срок до 14 дней;
· в воде, обеззараженной перекисью, не больно открывать глаза, а если такую воду проглотить, не будет ни неприятных ощущений, ни вреда для здоровья;
· пузырьки активного кислорода, поднимающиеся со дна, захватывают с собой мелкую взвесь, ранее упущенную фильтром, и помогают ей попасть в скиммер;
· по окончании сезона купания воду, очищенную пероксидом, можно смело выливать в огород - она не нанесет растения и почве вреда;
· в отличие от хлорсодержащей химии, перекись не вызывает ощущения сухости и стянутости кожи после купания, поэтому в бассейнах, обеззараженных пероксидом, можно плавать даже вместе с грудничками.

Недостатки дезинфекции пергидролем

К недостаткам перекиси водорода относят необходимость частых чисток при температуре воды более 27 C. В таких условиях следить за чистотой воды и добавлять перекись придется каждые 10 дней. Редко, но у некоторых людей со склонностью к аллергии и чувствительной кожей, наблюдаются негативные реакции на пергидроль, например, шелушение, легкое покраснение кожных покровов. Чтобы избежать этого, рекомендуется чередовать химию для бассейнов, используя то хлор с альгицидом, то пергидроль. Еще один недостаток пергидроля - риск обесцвечивания материала чаши бассейна, если он сделан из низкокачественного полихлорвинила. Не зря же перекись раньше использовалась для обесцвечивания волос на 2 или даже 3 тона! При соблюдении дозировки и правильной концентрации, с бассейнами Intex таких неприятностей не случается.

Немного о H2O2 и ее применении

Пероксид водорода в нативном состоянии есть в организме каждого человека, то есть это не искусственное, а вполне себе натуральное вещество. В ферментных системах пероксид образуется при окислительно-восстановительных реакциях, играя роль бактерицидного агента.

Используется перекись и в пищевой промышленности. Ею обрабатывают поверхности технологического оборудования, на которых происходит разделка, обработка и фасовка пищевой продукции. На молочных комбинатах и заводах по производству соковой продукции, перекисью дезинфицируют внутренность упаковки, изготовленной по технологии «Тетра Пак».

Аквариумисты пользуются трехпроцентной перекисью для оживления рыбы, задохнувшейся в зацветшем аквариуме. Также в этой сфере пергидролем пользуются при очистке воды от микроводорослей и патогенной фауны.

Как очищать бассейн пероксидом 30-40% и 50-60%

Для начала найдите данные о концентрации пергидроля. В нашем магазине и у производителей есть варианты с 30-40% и 40-60%. Перекись с диапазоном концентрации 30-40% расходуется в количестве 500-700 мл на 1 кубометр воды в бассейне. Вещество с диапазоном концентрации 50-60% расходуются из расчета не более 500 мл пергидроля на 1 кубометр воды. Единственный случай, когда можно превысить дозировку на 2-5% - сильная загрязненность воды.

Перекись хоть и малоопасная жидкость, но при такой концентрации она неприятно печет кожу, поэтому перед работой защитите глаза очками, а руки - перчатками. Если все же на кожу или слизистые что-то попало, промойте большим количеством чистой воды.

Перед заливкой пероксида в воду, тщательно очистите бассейн от крупных загрязнений, уберите листья, используйте скребок, чтобы убрать налет со стенок. Затем включите фильтр. Он должен убрать то, что не получилось выловить сачком, а также с его помощью пергидроль быстрее перемешается с водой.

Заливать перекись в бассейн можно вручную или циркуляционным насосом. В первом случае рекомендуется лить раствор вдоль стенок, но так, чтобы перекись не попадала в неразбавленном виде на стенки чаши. По ходу движения нужно перемешивать воду сачком для мусора. Если хотите залить перекись в бассейн циркулярным насосом, опустите один конец шланга в емкость, другой - в чашу. Чтобы случайно не превысить дозировку, заранее перелейте в емкость нужное количество раствора.

Бассейн накрывать не нужно - активный кислород должен выходить на поверхность воды и беспрепятственно покидать чашу бассейна.

Важно! В течение суток после очистки бассейна перекисью водорода купаться в воде нельзя. На нейтрализацию средства требуется порядка 24 часов.

Можно ли использовать пероксид водорода с хлорсодержащими препаратами?

Комбинировать хлорсодержащую химию для бассейнов с пергидролем в рамках однократного применения не стоит - высок риск появления аллергической реакции на такую комбинацию компонентов. Зато после того, как бассейн был хлорирован 1, 2 или 3 недели назад и снова нужно есть чистить, использовать перекись водорода можно без смены воды.

В чем отличие медицинской и технической перекиси водорода, правила хранения и безопасности 

В каталоге средств для бассейна ТК ПИФ представлена медицинская и техническая перекись водорода. Друг от друга они отличаются концентрацией основного вещества, а также наличие дополнительных компонентов. Так, в составе медицинского пергидроля допускается не более 0.3 г/дм3 серной кислоты и 0,6 г/дм3 нелетучего остатка. У технической жидкости концентрация нелетучего остатка выше от 0,1-0,2 г/дм3, а серной кислоты либо вообще нет, либо вместо нее присутствует 6,0-7,0 г/дм3 уксусной кислоты.

Фасуется пероксид обоих марок в пластиковые канистры по 11,4, 12 и 24 кг. Такая фасовка очень удобна, так как позволяет подобрать объем как для маленького, так и для большого бассейна.

Будьте внимательны с хранением перекиси водорода. Даже будучи герметично закрытой, канистра должна стоять в помещении при температуре 23 ºС. На нее не должны падать прямые солнечные лучи. Это негорючая, но взрывоопасная жидкость, поэтому тщательно соблюдайте правила хранения. Берегите канистры от детей, попадания кислот, щелочей и легковоспламеняющихся веществ. Открытую канистру нельзя хранить дольше нескольких суток, поэтому рассчитывайте объем покупки так, чтобы полностью использовать всю жидкость в таре.

Как проверить эффективность пероксида

Перекись - саморазлагающаяся жидкость, то есть процесс разложения на воду и кислород идет даже тогда, когда канистра герметично закрыта. Просто этот процесс идет медленно. Если внутрь попал кислород, перекись начинает разлагаться быстрее, а, разлагаясь, она теряет свою эффективность. Чтобы проверить, не потеряла ли перекись свои свойства, капните каплю средства в стакан воды или на срез картофеля. Если жидкость годна к употреблению, в воде будут заметны пузырьки воздуха, а на срезе картофеля пергидроль будет шипеть и образовывать пену.

Стандартный срок хранения пероксида в закрытой таре - 6 месяцев с даты изготовления, но при нарушении условий хранения жидкость может потерять свои свойства и до окончания срока, поэтому если появились сомнения в качестве перекиси - проверьте ее. Потерявшая свои свойства перекись не опасна, просто бесполезна.

Выбирайте объем и концентрацию жидкости, и пусть ваш бассейн будет чистым. Наслаждайтесь купанием в безопасной, прозрачной воде без запаха, ощущения сухости и стянутости кожи.

Все товары - Tagged «Перекись водорода» - Essential Oxygen Store

  • HP | Перекись водорода, пищевой, 3% (32 унции)

    л.с. | Перекись водорода, пищевой, 3% (32 унции)

    Обычная цена
    12,79 $

    Цена продажи
    12 долларов.79 распродажа

  • HP | Перекись водорода, пищевой, 3% (16 унций)

    л.с. | Перекись водорода, пищевой, 3% (16 унций)

    Обычная цена
    7,99 доллара США

    Цена продажи
    7 долларов.99 распродажа

  • HP | Перекись водорода, пищевой, 3% (спрей на 8 унций)

    л.с. | Перекись водорода, пищевой, 3% (спрей 8 унций)

    Обычная цена
    6,39 долл. США

    Цена продажи
    6 долларов.39 распродажа

  • HP | Перекись водорода, пищевой, 3% (комбинированный спрей 32 унции + 8 унций)

    л.с. | Перекись водорода, пищевой, 3% (комбинированный спрей 32 унции + 8 унций)

    Обычная цена
    15,34 $

    Цена продажи
    15 долларов.34 распродажа

Используйте стрелки влево / вправо для навигации по слайд-шоу или смахивайте влево / вправо при использовании мобильного устройства

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Влияние кислорода и перекиси водорода на фотокаталитическое разложение монохлорбензола в водной суспензии

Было исследовано влияние кислорода и перекиси водорода () на разложение и минерализацию монохлорбензола (MCB) во время УФ / процесса.Экспериментальные результаты показали, что кислород был определяющим параметром, способствующим фотокаталитическому разложению. Присутствие кислорода уменьшало время освещения, необходимое для полного распада MCB, с 240 до 120 мин. Фотокаталитическая деградация MCB в УФ // фотокатализе происходила по упрощенной двухступенчатой ​​последовательной кинетике. Константы скорости деградации () и минерализации () были увеличены с 0,016 до 0,046 мин -1 и с 0,001 до 0,006 мин -1 , соответственно, при увеличении начальной концентрации растворенного кислорода (DO) с 1.От 6 до 28,3 мг л -1 . Вследствие того, что он действует как поглотитель электронов и гидроксильных радикалов (), добавление должно в надлежащем диапазоне доз для усиления разложения и минерализации MCB. Оптимальная доза для разложения MCB составляла 22,5 мг / л -1 , тогда как наиболее эффективная доза для минерализации MCB составляла 45,0 мг / л -1 . Чтобы свести к минимуму побочные эффекты более высоких доз, включая захват радикалов и конкурентную адсорбцию, а также улучшить фотокаталитическую деградацию MCB, было предложено последовательное пополнение.При поэтапном добавлении общей дозировки 45,0 мг / л -1 полное разрушение MCB наблюдалось в течение 120 минут после облучения. Кроме того, эффективность минерализации составила около 87,4% после 240 минут освещения.

1. Введение

В течение последних нескольких десятилетий контролю органических загрязнителей уделялось много внимания из-за его значительного количества и разнообразия. Однако традиционные биологические, физические и химические технологии неэффективны и ограничивают уничтожение токсичных и стойких органических загрязнителей.Гетерогенный фотокатализ, один из так называемых процессов усовершенствованного окисления (АОП), предлагает усовершенствованное окисление, способное уменьшить выбросы загрязняющих веществ [1, 2]. Многие исследователи пришли к выводу, что процесс UV / TiO 2 является перспективной технологией деградации и минерализации органических субстратов до безвредных конечных продуктов в воздушной и водной средах [3–6].

Механизм процесса UV / TiO 2 широко обсуждался в литературе [7–9]. Когда TiO 2 облучается световой энергией, равной или превышающей его ширину запрещенной зоны, электрон () может быть возбужден из валентной зоны в зону проводимости и оставить дырку () в валентной зоне. Если разделение зарядов сохраняется, пары могут мигрировать на поверхность фотокатализатора.В водной фазе фотоиндуцированный h + , по-видимому, способен окислять поверхностные гидроксильные группы или молекулы воды с поверхностными связями с образованием высокореактивных и неселективных гидроксильных радикалов () (2). Радикалы считаются доминирующими окислителями, способствующими фотокаталитическому разложению органических субстратов [10–12]. Тем не менее, он может рекомбинировать с (3), вызывая снижение доступности фотоиндуцированного [13, 14]. Без акцепторов электронов ограничение, связанное с рекомбинацией пар, снизило бы фотокаталитическую эффективность и привело бы к потере энергии излучения.Следовательно, подавление рекомбинации пар является важным фактором повышения эффективности фотокаталитической деградации.

В данном исследовании в качестве акцепторов электронов были выбраны как кислород, так и пероксид водорода (). Монохлорбензол (MCB), одно из гидрофобных и летучих органических соединений (ЛОС), был выбран в качестве модельного соединения. Цели настоящей работы заключались в оценке влияния кислорода и фотокаталитического разложения MCB. Было исследовано изменение концентрации MCB при различных концентрациях и дозировках кислорода.Кроме того, степень минерализации также оценивалась путем измерения концентрации общего органического углерода (TOC) в растворе MCB.

2. Материалы и методы
2.1. Материалы

Anatase TiO 2 порошок с удельной площадью поверхности по БЭТ 9,3 м 2 г -1 и размером первичных частиц 150 нм был приобретен у Acros Organics и использован в полученном виде. MCB степени чистоты (C 6 H 5 Cl, MW = 112,56, плотность = 1.106 г / мл -1 , давление пара = 12 мм рт.ст. при 25 ° C и растворимость в воде = 494 мг / л ( -1 при 25 ° C) с чистотой более 99% было получено от Merck. (30%) было получено от Fluka Chemical. Другие химические вещества, используемые для анализа, включая ацетонитрил, уксусную кислоту, гидрофталат калия, фосфорную кислоту и пероксидисульфат натрия, были аналитической чистоты. Чистый и газы и воздух использовались, чтобы довести исходную концентрацию растворенного кислорода (DO) до желаемых уровней. Для приготовления раствора использовалась деионизированная вода.

2.2. Экспериментальная установка и методика

В работе использовался полый цилиндрический фотореактор рабочим объемом 2,5 л, снабженный водяной рубашкой. Охлаждающая вода из термостатической бани (TUNGTEC BL-20) циркулировала через рубашку фотореактора для поддержания температуры на уровне 30 ° C. Облучение проводили лампой черного света мощностью 15 Вт (F15T8 BLB, UVP) с максимальной эмиссией при 365 нм. УФ-лампу вертикально погружали в кварцевую трубку, расположенную в центре фотореактора.Интенсивность света внутри фотореактора, измеренная с помощью актинометрии ферриоксалата калия, составляла 5,68 мк Эйнштейна. Реакционную смесь непрерывно перемешивали магнитной мешалкой, чтобы частицы TiO 2 оставались взвешенными.

Были проведены две серии экспериментов для изучения воздействия кислорода и фотокаталитического разложения MCB. Перед приготовлением раствора MCB всю деионизированную воду сначала продували газом в течение 30 минут, чтобы минимизировать количество DO.Затем деионизированную воду продували воздухом или газом для получения заданной концентрации DO. Начальная концентрация MCB была зафиксирована на уровне 0,1 мМ, а дозировка составляла 1,0 г л -1 , если не указано иное. Начальный pH раствора доводили до 7, добавляя соответствующий объем разбавленного NaOH или растворов. После 30 минут предварительного перемешивания в темноте УФ-лампу включали, чтобы инициировать фотокаталитическую деградацию.

Экспериментальная процедура для партии с добавкой кислорода была аналогична процедуре эксперимента с партией с кислородом.В этом случае раствор MCB был приготовлен с использованием деионизированной воды, дезоксигенированной газом. После добавления порошка в раствор pH раствора доводили до 7 с помощью разбавленных растворов NaOH или HNO 3 . Перед облучением суспензию перемешивали на магнитной мешалке в темноте в течение 30 мин. После добавления в суспензию включали УФ-лампу.

Через заданные интервалы времени облучения образцы извлекали из облученной суспензии. Эти собранные образцы немедленно центрифугировали и фильтровали через фильтр 0.22 мкм мкм Фильтр Millipore для дальнейшего анализа.

2.3. Аналитические методы

Измерение остаточного MCB проводили с помощью ВЭЖХ (Biotronik HPLC BT 7900), оснащенной УФ-детектором Linear UVIS 200 и колонкой ODS2 C18 (длина 25 см, внутренний диаметр 4,6 мм). Подвижная фаза состояла из ацетонитрила (70%), воды (29%) и уксусной кислоты (1%), а скорость потока поддерживалась на уровне 1,5 мл мин. -1 . Длина волны обнаружения, выбранная для обнаружения MCB, составляла 265 нм.Анализатор TOC (O.I. Analytical Model 700), оборудованный недисперсным инфракрасным детектором (NDIR), использовали для контроля концентрации TOC. Концентрация DO определялась кислородным мембранным электродом (Oxi 320, WTW).

3. Результаты и обсуждение
3.1. Прямой фотолиз и фотолиз с поддержкой

Два предварительных эксперимента были проведены для оценки вклада прямого фотолиза и фотолиза с помощью для удаления MCB. Изменение концентрации MCB во время облучения можно увидеть на рисунке 1.При прямом фотолизе разрушение MCB составляло около 42,8% после 240 минут освещения. Этот результат означал, что УФ-свет имел очевидный вклад в деградацию MCB, что согласуется с наблюдением, сообщенным другим исследователем [15]. Изменение концентрации MCB соответствовало экспоненциальной кривой затухания, что свидетельствует о прямом фотолизе MCB по схеме кинетики псевдопервого порядка. Была получена линейная регрессия с естественным логарифмическим нормированием концентрации в зависимости от времени освещения.Константа скорости разложения была рассчитана и составила 0,002 мин -1 .


Для того чтобы оценить способность фотолиза к деградации, был проведен эксперимент с облучением в условиях дозировки, равной 22,5 мг / л -1 . В соответствии с полученным экспериментальным результатом, представленным на Фигуре 1, было обнаружено, что концентрация MCB постепенно снижалась в течение периода облучения. Степень деградации MCB при фотолизе с помощью в течение 240 мин после облучения составляла приблизительно 60.2%, а константа скорости разложения псевдопервого порядка составляла 0,004 мин -1 . Типичная зависящая от времени концентрация MCB в присутствии как УФ-света, так и была аналогична концентрации только при УФ-облучении. Было заявлено, что он имеет чрезвычайно низкое поглощение в УФ-свете 365 нм [16], поэтому образование радикалов за счет фотолиза будет незначительным. В результате наблюдаемый распад МКВ в основном можно приписать прямому фотолизу. Более того, дополнительную деградацию MCB можно объяснить окислительной способностью.

3.2. УФ / TiO
2 / O 2 Фотокатализ
3.2.1. Разложение MCB

Зависимость фотокаталитического разложения MCB от начальной концентрации DO изучалась в диапазоне от 1,6 до 28,3 мг л -1 . Типичная зависящая от времени концентрация MCB во время фотокаталитического разложения показана на рисунке 2 (а). Как видно, когда суспензия TiO 2 подвергалась воздействию УФ-света, концентрация MCB заметно снижалась со временем освещения по сравнению с тем же экспериментом, проведенным в отсутствие TiO 2 .Разница между прямым фотолизом и УФ / TiO 2 / фотокатализом показала, что УФ-свет и фотокатализатор TiO 2 вместе оказывают значительное влияние на разложение MCB. Поскольку радикалы были ключевой особенностью процесса UV / TiO 2 , разложение MCB в первую очередь было связано с образующимися радикалами.

Обращаясь к Фигуре 2 (а), присутствие кислорода способствовало фотокаталитическому разложению. Полное разрушение МКБ наблюдалось через 240 мин облучения, когда эксперимент проводился при исходной концентрации DO, равной 1.6 мг. Л -1 . Кроме того, для начальной концентрации DO 28,3 мг / л -1 время освещения, необходимое для полного распада MCB, было сокращено до 120 мин. Истощение концентрации DO во время облучения, как показано на рисунке 2 (b), подтвердило, что кислород участвует в фотокаталитической деградации. Соответственно, улучшение деградации MCB, связанное с увеличением начальной концентрации DO, можно отнести к тому факту, что кислород действовал как акцептор электронов, улавливая фотоиндуцированные [17, 18] За счет восстановления кислорода образуются реактивные супероксид-радикальные анионы () (4).Одновременно сдерживалась рекомбинация пар. Стабилизация первичного носителя привела к стимулированию генерации радикалов. Кроме того, также были образованы другие окисляющие частицы, такие как и (5) - (7). Считалось, что дополнительные радикалы могут образовываться в результате последовательных реакций [11, 19–21]. Следовательно, увеличение концентрации DO ускорит деградацию MCB.

3.2.2. Минерализация MCB

Распад TOC во время фотокаталитического разложения отслеживали для оценки минерализации MCB.Из графика, показанного на Фигуре 2 (c), наблюдалось улучшение минерализации MCB в присутствии кислорода. Эффективность минерализации увеличилась с 42,6 до 93,1% в течение 240 мин после облучения при изменении начальной концентрации DO от 1,6 до 28,3 мг / л -1 . Подобные наблюдения описаны в литературе для других модельных соединений [22–24].

Для исходных концентраций DO 17,9 и 28,3 мг. Л -1 после 240 минут освещения все еще оставались измеримые концентрации DO.Поскольку в фотокаталитической системе было достаточно кислорода, ТОС постоянно снижался во время фотокаталитической деградации. Более того, помимо функции акцептора электронов, кислород также может участвовать в окислительной реакции, способствуя минерализации органических субстратов и промежуточных продуктов [25, 26]. Следовательно, подавление распада TOC было приписано недостатку кислорода, участвующего в фотокаталитической деградации впоследствии в случае более низкой начальной концентрации DO.

Сравнение рисунков 2 (a) и 2 (c) показало, что TOC уменьшался со временем освещения параллельно с деградацией MCB.Однако следует отметить, что полное исчезновение MCB произошло в течение 120–240 мин после облучения при различных начальных концентрациях DO, тогда как остаточный TOC все еще наблюдался. Это явление означало, что в фотокаталитической системе могли присутствовать временные органические промежуточные соединения.

3.2.3. Двухступенчатая последовательная кинетика

На основе общей концентрации органического углерода в фотокаталитической системе баланс масс может быть выражен как [27, 28] где - общая концентрация органического углерода в системе, - концентрация углерода в MCB в момент времени, и - концентрация углерода в промежуточных продуктах во время.Соответственно, концентрацию углерода в промежуточных продуктах можно определить по концентрациям MCB и TOC. Рисунок 2 (d) иллюстрирует изменение концентрации углерода в промежуточных соединениях для различной начальной концентрации DO во время фотокаталитического разложения MCB. Как видно, промежуточные продукты накапливались первыми, а затем разлагались.

Поскольку минерализация MCB происходит через промежуточные соединения, упрощенная двухступенчатая последовательная кинетика может быть использована для описания фотокаталитического разложения [29, 30] где - константа скорости разложения MCB и - константа скорости минерализации промежуточных продуктов.Конечным продуктом фотокаталитического разложения может быть CO 2 , и соответствующие неорганические ионы. Предполагается, что каждый шаг в (9) является необратимой реакцией первого порядка. Применяя двухступенчатую последовательную кинетику, концентрации углерода в MCB и промежуточных соединениях можно выразить следующим образом: Соответственно, две константы скорости и могут быть получены из исчезновения MCB и промежуточных продуктов.

Как указано в таблице 1, увеличение значения было пропорционально начальной концентрации DO.Увеличение было примерно в 3 раза выше, когда исходная концентрация DO составляла 28,3 мг / л -1 , а не 1,6 мг / л -1 . Взяв рассчитанное и определенное в (11), было получено значение константы скорости минерализации. Было очевидно, что константа скорости минерализации зависит от исходной концентрации DO. Величина увеличивалась с увеличением исходной концентрации DO до определенного уровня и после этого оставалась практически постоянной. Увеличивается в 8 раз при увеличении исходной концентрации DO до 17.9 мг л -1 , а не 1,6 мг л -1 . Интересно, что значения были ниже, чем у, это показало, что минерализация может быть этапом, ограничивающим скорость фотокаталитического разложения MCB. Следовательно, для полной минерализации было бы разумно увеличить время освещения.

1.6 9027 9027

Концентрация DO, мг л -1 , мин -1 , мин -1
0,016 0,9915 0,001 0,9843
3,9 0,020 0,9884 0,003 0,9787
17,9 0,038 0,9975 0,007 0,9591
28,3 0,046 0,9977 0,006 0.9685

3.3. УФ / TiO
2 / Фотокатализ
3.3.1. Разложение MCB

Благодаря высокому окислительному потенциалу и электрофильности является более сильным акцептором электронов, чем кислород [31–33]. Была проведена серия экспериментов с деоксигенированной суспензией TiO 2 , чтобы оценить влияние дозировки на фотокаталитическое разложение MCB. Исследуемый диапазон дозировок варьировался от 5.От 6 до 78,0 мг л -1 . Из типичного временного файла, показанного на рисунке 3 (а), можно видеть, что деградация MCB была чувствительна к изменению дозировки. Кинетическая модель псевдопервого порядка была предоставлена ​​для моделирования деградации MCB. Таблица 2 суммирует константу скорости разложения, полученную из градиента графика натурального логарифма нормализованной концентрации MCB в зависимости от времени освещения. При увеличении дозировки с 5,6 до 22,5 мг. Л -1 значение увеличилось с 0.018 до 0,026 мин -1 . Однако дальнейшее увеличение дозировки с 22,5 до 78,0 мг / л -1 привело к значительному снижению с 0,026 до 0,011 мин -1 . Оптимальная дозировка для разложения MCB составляла около 22,5 мг / л -1 , что было аналогично дозировке, наблюдаемой другими исследователями [20, 34–36].

4 90 −1 4 9027 0,9568 9027 0,97

H 2 O 2 дозировка, мг л −1 , мин −1 9027 9027 9027

5.6 0,018 0,9966 0,002 0,9836
11,2 0,023 0,9932 0,002 0,9568
45,0 0,024 0,9872 0,001 0,8519
78,0 0,011 0,9972 << 0.001 0,9631

Влияние дозировки на разложение MCB можно объяснить с точки зрения количества генерируемых радикалов и захвата радикалов [36–39]. Хорошо известно, что может улавливать фотоиндуцированные ловушки для стабилизации парных Дополнительные радикалы могут быть получены по реакции между и или (12) и (13). В результате ожидалось, что добавление в фотокаталитическую систему будет способствовать разложению MCB.Однако превышение оптимальной дозировки приведет к улавливанию радикалов с образованием более слабых радикалов окислителя. Соответственно, захват радикалов происходил посредством (14) и (15). Снижение концентрации радикалов, вызванное более высокой дозировкой, сдерживало деградацию MCB.

Изменение концентрации DO во время УФ / TiO 2 / фотокатализа для различных дозировок показано на рисунке 3 (b). Было обнаружено, что концентрация DO заметно увеличивалась с увеличением времени освещения до максимального значения, а затем уменьшалась.Увеличение концентрации ДО было связано с разложением [39, 40] Соответственно, добавка, по-видимому, действовала как источник кислорода. Последующее снижение концентрации DO означало, что образовавшийся кислород участвовал в минерализации.

3.3.2. Минерализация MCB

Подобно разложению MCB, минерализация MCB также имела место на протяжении всего облучения. На рисунке 3 (с) показана концентрация ТОС как функция времени освещения при различных дозировках.Как видно, степень распада ТОС увеличилась с 44,4 до 74,1% при увеличении дозировки с 5,6 до 45,0 мг / л -1 после 240 мин облучения. Однако при более высокой дозировке эффективность минерализации снизилась до 62,5%. Рассматривая результат, показанный на рисунке 3 (а), все еще наблюдались MCB в течение всего периода облучения в случае дозировки, равной 78,0 мг / л -1 . Это означало, что ограничение эффективности минерализации может быть связано с конкурентоспособным MCB.

На основании (8) концентрация углерода в переходных органических промежуточных соединениях была определена, как показано на рисунке 3 (d). Интересно, что максимальное значение промежуточной концентрации уменьшалось, когда дозировка H 2 O 2 изменялась от 5,6 до 78,0 мг / л -1 . Когда дозировка составляла 5,6 мг / л -1 , промежуточные соединения постоянно накапливались до максимального значения 5,6 мг / л -1 в виде TOC, а затем уменьшались. Точно так же максимальные значения были 4.7, 3,5, 3,2 и 3,0 мг л -1 в виде ТОС в случаях дозировки H 2 O 2 , равной 11,2, 22,5, 45,0 и 78,0 мг л -1 соответственно. Снижение максимальной концентрации промежуточных продуктов показало, что некоторая часть минерализации происходила параллельно с деградацией MCB.

Применяя двухэтапную последовательную кинетическую модель к определенной промежуточной концентрации, была рассчитана константа скорости минерализации, как показано в Таблице 2.Видно, что значение уменьшалось с увеличением дозировки. Наибольшее значение составило 0,002 мин -1 при экспериментальных условиях дозировки, равной 5,6, 11,2 и 22,5 мг / л -1 . Примечательно, что когда дозировка составляла 78,0 мг / л -1 , определенное значение было ниже 0,001 мин -1 . Согласно принципу двухступенчатой ​​последовательной кинетики, расчет значения зависел от концентрации промежуточных продуктов и значения.Следовательно, снижение максимальной концентрации промежуточных продуктов при увеличении дозировки привело к более низкому значению .

3.4. Оценка кислорода и H
2 O 2 как акцепторов электронов

В соответствии с его характеристиками в качестве акцептора электронов и окислителя присутствие кислорода в фотокаталитической системе было благоприятным для фотокаталитического разложения MCB. Результаты экспериментов подтвердили, что фотокаталитическое разложение MCB в присутствии кислорода происходит по упрощенной двухступенчатой ​​последовательной кинетике.Для кинетического анализа было показано, что константы скорости разложения и минерализации увеличиваются с увеличением концентрации DO. Однако это важное соображение, которое следует учитывать, что концентрация DO в загрязненной воде может быть ограничена, а аэрация приведет к удалению летучих органических соединений, таких как MCB.

Предпочтительно использовать при ограниченном доступе кислорода. Учитывая его гидрофильные свойства, H 2 O 2 вступает в контакт с гидроксилированными частицами TiO 2 в водном растворе и улавливает фотоиндуцированные частицы.Кроме того, он также может служить источником кислорода для улучшения минерализации. Однако избыток H 2 O 2 может действовать как поглотитель радикалов в фотокаталитической системе. Более того, они могут конкурировать с MCB за активные центры частицы TiO 2 [32, 41–44], чтобы подавить фотокаталитическую деградацию MCB. Чтобы избежать захвата радикальной и конкурентной адсорбции при высокой дозировке H 2 O 2 , было предложено последовательное пополнение в систему UV / TiO 2 .

Обращаясь к Фигуре 3, наиболее эффективное разложение наблюдалось, когда дозировка составляла 22,5 мг / л -1 , тогда как оптимальная доза для минерализации MCB составляла 45,0 мг / л -1 . Соответственно, для оценки фотокаталитического разложения MCB при различных последовательностях добавления была выбрана общая дозировка, равная 45,0 мг. Л -1 . В эксперименте по ступенчатому добавлению к суспензии TiO 2 добавляли 22,5 мг L -1 один раз перед облучением и еще раз после 40 мин освещения.Как результат, показанный на Фигуре 4 (а), 120 мин облучения было достаточно для полного удаления MCB в случае, когда было сделано двухэтапное добавление. Напротив, для одноразового добавления требовалось 180 мин освещения. Повышение эффективности разложения коррелировало с более высокой константой скорости разложения, когда дозировка составляла 22,5 мг / л -1 , а не 45,0 мг / л -1 . Более того, второе добавление было приписано поддержанию подавления парной рекомбинации.

Наблюдая за изменением концентрации DO во время фотокаталитического разложения, было замечено, что кислород, непрерывно накапливаемый в течение 120 минут времени освещения, затем уменьшался в обоих случаях (рис. 4 (b)). Концентрация промежуточных продуктов показала аналогичную тенденцию, как показано на Фигуре 4 (c). Кислород, образующийся в результате разложения, тогда как накопление промежуточных продуктов происходило из-за разложения MCB. В соответствии с эффективным разложением при двухстадийном добавлении концентрация промежуточных соединений увеличивалась быстрее, чем при однократном добавлении.Кроме того, поскольку кислород будет участвовать в минерализации MCB, концентрация кислорода и промежуточных продуктов впоследствии снизилась. Сравнение экспериментальных профилей показывает, что снижение концентрации промежуточных соединений было более важным для двухэтапного добавления, чем для одноразового добавления. Соответственно, после 240 мин облучения эффективность минерализации МКБ при двухступенчатом добавлении была на 87,4% выше, чем значение 74,1% при однократном добавлении.Увеличение эффективности минерализации можно объяснить ограничением захвата радикалов, дополнительными радикалами, связанными со второй дозой, и участием кислорода в фотокаталитической деградации. Соответственно, было очевидно, что последовательное пополнение системы UV / TiO 2 было целесообразным как способ повышения эффективности фотокаталитического разложения.

4. Выводы

Было доказано, что прямой фотолиз и окислительный потенциал имеют небольшой вклад в разложение MCB.Примечательно, что УФ-свет и TiO 2 вместе показали заметный эффект. Увеличение концентрации DO было благоприятным для фотокаталитического разложения MCB. Соответственно, константы скорости деградации и минерализации увеличивались с увеличением концентрации DO. Из-за того, что минерализация MCB происходит через промежуточные соединения, упрощенная двухступенчатая последовательная кинетика может быть использована для описания фотокаталитического разложения при фотокатализе UV / TiO 2 / O 2 . Для фотокатализа UV / TiO 2 / более низкая дозировка действовала как акцептор электронов для повышения эффективности разложения.Однако при высокой дозировке разложение подавлялось из-за захвата радикалов и конкурентной адсорбции. Для устранения недостатков, связанных с использованием более высокой дозировки, было выполнено последовательное пополнение в систему UV / TiO 2 . Экспериментальные результаты показали, что эффективность как разложения, так и минерализации увеличивалась за счет ограничения захвата радикалов, дополнительных радикалов, вызванных добавлением второй стадии, и участия кислорода в фотокаталитическом разложении.

Благодарность

Авторы хотели бы поблагодарить Национальный научный совет, R.O.C. за финансовую поддержку данного исследования по Контракту № НСК 90-2211-Е-238-003.

Перекись водорода - кислород, вода, газ и разложение

Перекись водорода, H 2 O 2 , представляет собой бесцветную жидкость, которая смешивается с водой и широко используется в качестве дезинфицирующего и отбеливающего средства. Он нестабилен и медленно разлагается (распадается) с образованием воды и кислорода газа.Высококонцентрированные растворы перекиси водорода являются мощными окислителями и могут использоваться в качестве ракетного топлива.

Перекись водорода наиболее широко встречается в домах в коричневых бутылках, содержащих 3% растворы (3% перекиси водорода и 97% воды). Разложение перекиси водорода происходит намного быстрее в присутствии света , так что непрозрачная бутылка помогает замедлить этот процесс. Разложение перекиси водорода можно описать химическим уравнением:

, в котором говорится, что две молекулы перекиси водорода распадаются с образованием двух молекул воды и одной молекулы газообразного кислорода вместе с теплотой энергии .В большинстве случаев этот процесс происходит медленно, но при открытии бутылки с перекисью водорода она разлагается быстрее, поскольку выделяется скопившийся газообразный кислород. Полностью разложившаяся бутылка с перекисью водорода состоит только из воды. Старые закрытые баллоны с перекисью водорода часто выпирали из-за давления кислородного газа, которое накапливалось с течением времени. Известно, что некоторые бутылки "лопаются" от такого давления газообразного кислорода.

Наиболее часто перекись водорода используется в качестве отбеливающего средства для волос и для отбеливания целлюлозы при производстве бумаги и в качестве дезинфицирующего средства в домашних условиях.Как и в отбеливателе , перекись водорода является окислителем (вещество, которое принимает электроны от других молекул). Он становится все более широко используемым в промышленности, чем хлорные отбеливатели , потому что продуктами его разложения являются вода и кислород, а при разложении хлорных отбеливателей образуется ядовитый газообразный хлор.

В качестве дезинфицирующего средства перекись водорода широко используется для обработки порезов и царапин и вызывает пузыри (вызванные образованием молекул кислорода).На срезах пузыриться довольно быстро из-за присутствия фермента (белковый катализатор или молекула, ускоряющая реакцию) в крови , известной как каталаза. Подобное пузырение можно наблюдать, если добавить небольшое количество перекиси водорода в сырой нарезанный картофель , поскольку фермент каталаза также содержится в картофеле.

Спонтанное образование перекиси водорода из водных микрокапель

H

2 O 2 Генерация в микрокаплях с помощью H 2 O 2 -чувствительный флуоресцентный зонд.

Чтобы исследовать производство H 2 O 2 в водной микрокапле, мы использовали H 2 O 2 -чувствительный водорастворимый флуоресцентный зонд, пероксифтор-1 (PF-1), о котором сообщалось ранее. Чанг и соавторы (15, 16). Известно, что соединение PF-1, которое не является флуоресцентным, избирательно реагирует на H 2 O 2 с высвобождением флуоресцеина (рис. 1 A ). В объемной воде флуоресценцию наблюдали из раствора 10 мкМ PF-1 и 100 мкМ H 2 O 2 ( SI Приложение , рис.S1), но флуоресценция не наблюдалась в отсутствие H 2 O 2 ( SI Приложение , рис. S2). Водный раствор, содержащий 10 мкМ PF-1, распыляли на поверхность стекла, обработанную гидрофобным силаном. Полученные микрокапли на подложке анализировали с помощью конфокальной микроскопии, чтобы установить взаимосвязь между диаметром микрокапли и наблюдаемой интенсивностью флуоресценции (фиг. 1 B ). Сильное флуоресцентное излучение наблюдали от микрокапель, содержащих 10 мкМ PF-1, но не в объемной воде (рис.1 С ). Эти наблюдения показывают, что H 2 O 2 образовывался в микрокаплях, но не в обнаруживаемых количествах в объемной воде или на границе раздела воздух-вода в объемной воде (рис. 1 C , справа ).

Рис. 1.

Флуоресцентная визуализация спонтанного образования пероксида водорода в водных микрокаплях: ( A ) схема реакции между PF-1 и пероксидом водорода; ( B ) схема установки конфокального микроскопа для получения изображений микрокапель; и ( C ) светлопольные и флуоресцентные изображения микрокапель (от 2 мкм до 17 мкм в диаметре) в точке слева, , и объемной воды в точке , справа, , включая плоскую поверхность раздела воздух-объем-вода.Каждый образец содержит 10 мкМ PF-1. Только микрокапли демонстрируют флуоресценцию флуоресцеина, вызванную H 2 O 2 расщеплением PF-1. (Масштабная шкала, 20 мкм.)

Рис. 2 A - C показывает светлопольные и флуоресцентные изображения микрокапель диаметром 160, 50 и 16 мкм соответственно. Более высокая интенсивность флуоресценции наблюдалась для микрокапель с меньшим диаметром, что указывает на то, что выход H 2 O 2 увеличивается по мере уменьшения размера микрокапель.Подробный анализ взаимосвязи между интенсивностью флуоресценции и размером микрокапель показал, что интенсивность флуоресценции значительно увеличивается ниже диаметра ~ 20 мкм (фиг. 2 D ).

Рис. 2.

Зависимость интенсивности флуоресценции от размера микрокапель. Светлопольные и флуоресцентные изображения микрокапель, содержащих 10 мкМ PF-1, с диаметрами ( A ) 160 мкм, ( B ) 50 мкм и ( C ) 16 мкм. ( D ) Взаимосвязь между интенсивностью флуоресценции и диаметром микрокапель, указывающая на то, что более высокая концентрация перекиси водорода генерируется в более мелких микрокаплях.( Вставка ) Интенсивность флуоресценции в зависимости от диаметра микрокапли от 1 мкм до 50 мкм. (Шкала, 30 мкм.)

Подтверждение образования H

2 O 2 в микрокаплях с помощью масс-спектрометрии и ЯМР.

Мы дополнительно подтвердили производство H 2 O 2 в водных микрокаплях путем анализа расщепления 4-карбоксифенилбороновой кислоты (4-CPB) с помощью H 2 O 2 , что дает борную кислоту и 4- гидроксибензойная кислота (4-HB) (рис.3 А ). Водный раствор 100 мкМ 4-CPB распыляли в масс-спектрометр для анализа. В дополнение к родительскому пику с центром при соотношении массы к заряду 165,0359 ( m / z ) (4-CPB) наблюдались небольшие пики при 137,0240 m / z и 61,0103 m / z (рис. 3 B). ), что соответствует 4-HB и борной кислоте. Раствор, содержащий 4-CPB, распыляли в пробирку для сбора, повторно растворяли в воде и затем повторно распыляли. Этот процесс повторялся до 7 раз, и относительное количество ионов как 4-HB, так и борной кислоты линейно увеличивалось после каждого распыления (рис.3 С ). Этот результат показывает, что наблюдаемые продукты расщепления бороновой кислоты действительно являются результатом реакции с H 2 O 2 внутри распыленных микрокапель, а не следовых примесей или газофазных реакций в масс-спектрометре.

Рис. 3.

Молекулярная сигнатура образования H 2 O 2 в водных микрокаплях с использованием зонда бороновой кислоты в зависимости от последовательных распылений. ( A ) Схема реакции H 2 O 2 -промотируемое деборилирование 4-CPB.( B ) Масс-спектр водных микрокапель, содержащих 100 мкМ 4-CPB и 10 мкМ бензоат натрия (в качестве внутреннего стандарта) при седьмом последовательном распылении. ( C ) Нормализованное количество ионов исходного материала 4-CPB (фиолетовый, 165 m / z ) и H 2 O 2 продукты деборилирования, 4-HB кислота (красный, 137 m / z ). ) и борной кислоты (синий, 61 m / z ) с помощью нескольких распылителей. Планки погрешностей представляют 3 повтора для спреев с 1 по 4 и 2 повтора для спрея 5.

Был проведен дополнительный эксперимент, чтобы оценить, происходит ли образование фенола 4-HB из 4-CPB из H 2 O 2 , образованного в микрокаплях, а не из другой побочной реакции арилбороновой кислоты в микрокаплях. В этом эксперименте D 2 O распыляли и собирали 3 раза. Полученный раствор добавляли к 100-мкМ раствору фенилбороновой кислоты (PB) D 2 O и эту смесь инкубировали в течение ночи при комнатной температуре.Анализ полученного раствора с помощью ЯМР -1, H показал, что ~ 30% ПБ было преобразовано в фенол. Этот результат указывает на то, что перекись водорода образуется в водных микрокаплях и что перекись водорода может быть собрана и использована для последующих реакций (см. SI Приложение , рис. S3 и раздел S2 для получения более подробной информации). Этот дополнительный эксперимент также показывает, что то, что мы наблюдали с помощью масс-спектрометрии, не является артефактом или результатом испарения микрокапель в нагретом капиллярном входе.

Количественное определение H

2 O 2 Производство микрокапель.

Количественный анализ H 2 O 2 производство из водных микрокапель проводили с оксалатом калия титана (PTO, K 2 TiO (C 2 O 4 ) 2 · H 2 O) титрование и анализ тест-полосок на пероксид (Movie S1). Согласие между этими двумя методами количественного определения было подтверждено с использованием стандартного раствора H 2 O 2 ( SI Приложение , рис.S4). Рис. 4 A показывает спектры поглощения 0,1 М раствора PTO с различными концентрациями H 2 O 2 , а также с образцом микрокапли. Как показано на фиг. 4 B , выход продукции H 2 O 2 составлял ~ 30 мкМ (~ 1 часть на миллион [ppm]).

Рис. 4. Концентрация

H 2 O 2 как функция различных рабочих условий. ( A ) Спектр поглощения водного раствора PTO с добавленным H 2 O 2 .Пример спектра микрокапли красным цветом. ( B ) Калибровочная кривая при 400 нм от A . Красный кружок представляет концентрацию H 2 O 2 , образованную из водных микрокапель, полученную из спектров в A . ( C ) Эффект изменения распыляющего газа. ( D ) Эффект растворения различных газов в воде. И C , и D измеряются с помощью тест-полосок на пероксид. Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение от 3 измерений.

Количественное сравнение производственного выхода H 2 O 2 для микрокапель разных размеров было получено путем контроля размера микрокапель с различными давлениями распыляющего газа N 2 . Мы обнаружили, что выход продукции H 2 O 2 обратно пропорционален размеру микрокапель ( SI Приложение , рис. S5), что согласуется с наблюдением более высокой эмиссии флуоресценции PF-1 для более мелких микрокапель (рис. .2 D ).

Механизм образования H

2 O 2 в микрокаплях.

Твердо установив, что H 2 O 2 образуется в водных микрокаплях, мы исследовали возможные пути его образования. Водород должен происходить из воды, но есть два исходных источника кислорода для образования H 2 O 2 : вода и атмосферный O 2 . Сначала мы измерили выработку H 2 O 2 при различных газах для распыления: сухом воздухе, N 2 и O 2 с использованием пероксидных тест-полосок (рис.4 С ). Замена газа с N 2 на воздух не привела к значительному изменению выхода H 2 O 2 . Замена газа с воздуха на O 2 привела к снижению выхода H 2 O 2 , что свидетельствует о том, что реакции, которые генерируют H 2 O 2 в микрокаплях, не включают кислород воздуха в качестве реагента. . Кроме того, мы исследовали, является ли растворенный кислород источником, измеряя выход H 2 O 2 после барботирования воды с помощью O 2 в течение разной продолжительности (рис.4 D ). Количество образовавшегося H 2 O 2 уменьшилось в зависимости от времени, затраченного на барботирование O 2 . Эти данные показывают, что H 2 O 2 образовался из водных микрокапель, а не в результате окисления атмосферным или растворенным кислородом. Уменьшение выхода H 2 O 2 при растворении кислорода в микрокаплях воды может быть вызвано захватом кислорода с образованием пергидроксильного радикала, препятствующего образованию H 2 O 2 (17).

Вода плохо окисляется или восстанавливается, если она не подвергается воздействию сильных окислителей, восстановителей или приложенного напряжения. Существует несколько возможных источников образования H 2 O 2 , включая трибоэлектрический эффект, асимметричное разделение зарядов во время деления микрокапель, контактную электризацию и окисление воды собственным поверхностным потенциалом поверхности микрокапли воды. Мы рассмотрели каждую возможность. Во-первых, окисление воды может быть вызвано электризацией потока (18) между водой и капилляром.Мы исследовали эту возможность, измеряя выход продукции H 2 O 2 в микрокаплях с различной длиной капилляров. По существу, никакой разницы в урожайности не наблюдалось ( SI Приложение , рис. S6). Если бы явление было вызвано поточной электрификацией, можно было бы ожидать, что выход продукции будет пропорционален длине капилляра. Мы также исследовали выход продукции с использованием различных капиллярных материалов, включая диоксид кремния, простой полиэфирэфиркетон и плавленый диоксид кремния, покрытый фенилметилполисилоксаном (DB-5, Agilent Technologies).Мы не наблюдали разницы в производительности ( SI Приложение , рис. S7). Мы также проверили возможность электризации между водой и распыляющим газом под давлением, являющейся причиной окисления воды, сравнив выход продукции H 2 O 2 из распыления микрокапель и большого объема воды, продуваемой тем же сухим N 2. газ на несколько часов. Образование H 2 O 2 в объеме воды при контакте с потоком газа N 2 отсутствовало.Эти данные предполагают, что электрификация не может быть причиной.

Поскольку электризация может происходить за счет переноса заряда между капилляром кремнезема и водой внутри капилляра, мы измерили выход H 2 O 2 после замены капилляра кремнезема на капилляр из нержавеющей стали с заземлением и без него (0 В) . SI Приложение , рис. S8 ясно показывает, что нет никакой разницы в производительности, демонстрируя, что перенос заряда между кремнеземным капилляром и водой внутри капилляра не был источником окисления воды.

Мы также рассмотрели, могут ли быть причиной асимметричное деление микрокапель и несбалансированное образование суммарного заряда во время деления и испарения капель (19). Ранее мы сообщали, что водные микрокапли сохраняют свой размер при минимальном испарении до ∼130 мкс времени движения микрокапель (20, 21). Более того, было измерено, что асимметричное деление происходит в более длительном масштабе времени (22). Мы действительно наблюдали образование H 2 O 2 на коротком расстоянии с временем реакции менее ∼100 мкс.Этот результат показывает, что деление или испарение капель не может быть основной причиной образования H 2 O 2 .

Четвертая возможность - это образование H 2 O 2 в результате спонтанного окисления воды сильным собственным электрическим полем на границе раздела микрокапель вода-воздух. Несколько факторов, уникальных для микрокапель, могут быть ответственны за предложенный нами механизм, в котором электрическое поле генерирует гидроксильные радикалы из OH -, которые рекомбинируют в H 2 O 2 (рис.5). Во-первых, граница раздела микрокапли воздух-вода имеет сильное электрическое поле порядка 10 9 В / м (23). Этой напряженности электрического поля достаточно, чтобы ионизировать гидроксид-ионы с образованием гидроксильных радикалов. Кроме того, в микрокаплях ионы гидроксония и гидроксид-ионы разделены и неоднородно распределены (24), что увеличивает напряженность электрического поля на поверхности микрокапли. Это рассуждение подтверждается нашим наблюдением более высокой эффективности производства H 2 O 2 для микрокапель меньшего размера, которые имеют увеличенную кривизну, что вызывает накопление заряда на поверхности и тем самым увеличивает напряженность электрического поля.Во-вторых, окислительно-восстановительный потенциал может быть сдвинут электрическим полем или локальным изменением pH (25) в микрокаплях (24). Кроме того, было показано, что pK a и окислительно-восстановительный потенциал на границе раздела вода-воздух смещается от такового в объеме, предполагая, что поверхность микрокапли способствует окислительно-восстановительным реакциям, обеспечивая энергетически благоприятную среду (26–29). Эти изменения окислительно-восстановительного потенциала могут снизить энергетический барьер для окисления воды на поверхности микрокапли, как мы наблюдали ранее, как уменьшенный барьер свободной энергии для фосфорилирования рибозы в микрокаплях (30).Ранее мы показали самопроизвольное образование гидроксильных радикалов в микрокаплях воды с использованием салицилата (31), который при взаимодействии с радикалами ОН образует 2,3-дигидроксибензойную кислоту и 2,5-дигидроксибензойную кислоту (2). Работа Du et al. (32) показывает, что радикалы ОН легко объединяются с образованием H 2 O 2 в присутствии воды. Нам неизвестна судьба высвободившихся электронов, но, возможно, они могут быть приняты жидкой водой или использованы для восстановления ионов водорода в воде (33, 34).

Рис. 5.

Предлагаемый механизм образования H 2 O 2 на границе раздела микрокапель воздух-вода. Во-первых, автоионизация воды в H + и OH - легко происходит на границе раздела воздух-вода микрокапли и рядом с ней. Затем из-за градиента pH и электрического поля образуются радикалы OH, высвобождая сольватированный электрон. Наконец, радикалы 2 OH на границе раздела микрокапель воды и вблизи нее рекомбинируют с образованием H 2 O 2 .

Хорошо известно, что капли дождя содержат перекись водорода (35, 36). Считается, что образование пероксида водорода имеет фотохимическое происхождение, начиная с ультрафиолетового (УФ) фотолиза O 3 (37). Положительная корреляция между дневным временем и количеством H 2 O 2 , обнаруженного в каплях дождя, ясно указывает на то, что фотолиз O 3 будет основным источником H 2 O 2 . Однако концентрация H 2 O 2 примерно 10 мкМ, аналогичная концентрации, описанной в этой работе, обнаруживается в ночных каплях дождя, что позволяет предположить наличие другого механизма образования H 2 O 2 в облака.Таким образом, настоящее исследование может помочь объяснить хорошо известный факт поведения природы. Кроме того, мы обнаружили, что выход продукции H 2 O 2 увеличивался при облучении микрокапель ультрафиолетовым (254 нм) светом, но не подвергался влиянию видимого света, подтверждая, что производство H 2 O 2 из микрокапель воды не имеет фотохимического происхождения ( SI Приложение , рис. S9)

Разложение пероксида водорода - химия, Йоркский университет

Эта страница проекта впервые появилась в выпуске Chemistry Review за сентябрь 1995 г., том 5, номер 1, стр. 30.

ПРИМЕЧАНИЕ. Страница проекта предназначена для того, чтобы помочь вам подумать о своем расследовании. Он не является набором инструкций для практической работы и не включает список мер безопасности. CHEMISTRY REVIEW не несет ответственности, если Страница проекта используется каким-либо образом в качестве набора инструкций.

Каталитическое разложение перекиси водорода предоставляет ряд возможностей проекта различной продолжительности и сложности. Это связано с разнообразием катализаторов, которые увеличивают скорость разложения, и методами, которые можно использовать для контроля реакции:

2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2

Использование ферментного катализатора

Во многих живых организмах перекись водорода является продуктом метаболизма, который необходимо расщеплять, поскольку в заметных концентрациях он токсичен.Скорость разложения увеличивается за счет внутриклеточного фермента каталазы.

В качестве довольно простого проекта вы можете сравнить эффективность фермента из разных источников, таких как картофель, сельдерей и печень. Это может привести вас к более тщательному исследованию других факторов, влияющих на активность каталазы, включая, возможно, температуру, pH, концентрацию субстрата и фермента, а также присутствие ингибиторов ферментов.

Такие эксперименты могут на первый взгляд показаться довольно простыми, но когда вы попытаетесь интерпретировать свои результаты, вы столкнетесь с довольно сложными, но очень интересными аспектами химической кинетики и механизмов реакций.

Использование неорганического катализатора

Интересно отметить, что аналогичное увеличение скорости разложения перекиси водорода может быть достигнуто с использованием неорганического катализатора, такого как оксид марганца (IV) или оксид свинца (IV).

Вы можете посмотреть, как такие факторы, как концентрация перекиси, количество катализатора и температура, влияют на скорость разложения. Эксперименты такого рода могут привести вас к возможному механизму реакции и расчету задействованной энергии активации.

Химия контактных линз

Каталитическое разложение перекиси водорода будет хорошо знакомо некоторым студентам, так как это неотъемлемая часть одной системы для очистки контактных линз. В этом методе 18 декабря 2008 г. его очищают, а затем оставшийся раствор разлагают с помощью катализатора с платиновым покрытием. Возможно, вы захотите изучить, как эффективность этого катализатора меняется в различных условиях, и сравнить ее с другими катализаторами.

Контроль разложения

Есть несколько способов контролировать реакцию разложения.Вы можете решить следить за падением концентрации перекиси водорода. Вы можете сделать это, взяв образцы реакционной смеси в разное время и погрузив их в подкисленный раствор йодида калия. Полученный йод можно титровать раствором тиосульфата, используя индикатор крахмала:

.

2H + + H 2 O 2 + 2I - → I 2 + 2H 2 O

I 2 + 2S 2 O 3 2 - → 2I - + S 4 O 6 2–

Объем раствора тиосульфата, необходимый для титрования, позволяет измерить количество перекиси водорода в реакционной смеси в разное время.В качестве альтернативы вы можете предпочесть измерить объем кислорода, образующегося при разложении перекиси водорода. Это можно сделать, подключив стеклянный газовый шприц к колбе Бюхнера или трубке Хирша.

Существует также другой, более новый подход к мониторингу реакции, катализируемой ферментами, который вы, возможно, захотите попробовать. Сначала приготовьте экстракт каталазы. Затем используйте дырокол для файловой бумаги, чтобы вырезать круги из фильтровальной бумаги. Погрузите один из этих кружков в экстракт фермента, слейте воду и проткните стеклянной палочкой на дно пробирки, содержащей раствор перекиси водорода.Пузырьки кислорода, образующиеся при разложении пероксида, прилипают к кругу фильтровальной бумаги и переносят его на поверхность жидкости. Время, необходимое для этого, обеспечивает удивительно точную оценку относительной активности фермента в различных условиях.

Советы по проекту

  • Экстракт каталазы можно легко получить путем мацерации равных количеств картофеля или другого источника фермента с водой в кухонном комбайне или блендере. В качестве альтернативы вы можете удалить цилиндр картофеля с помощью сверла для пробок и отрезать диски одинаковой толщины.
  • 20 объемных перекиси водорода составляет 6% вес / объем или 1,8 моль-дм -3 . (Также подойдет отбеливатель без хлора!)
  • 5 см 3 порций частично разложившейся перекиси водорода 1 объем можно добавить к смеси 4 см 3 2 моль дм -3 серной кислоты и 3 см 3 10% раствора йодида калия. Добавьте 1 каплю 3% раствора молибдата аммония и дайте смеси постоять 2 минуты. Титруйте выделившийся йод с помощью 0.1 моль дм -3 раствора тиосульфата натрия с использованием 2 см3 1% раствора крахмала в качестве индикатора.
  • Иногда прилипает стеклянный шприц. Вы можете свести к минимуму эту проблему, постоянно нажимая на нее карандашом.
  • Диски с платиновым покрытием являются частью системы «Септикон» для очистки контактных линз. Их можно приобрести в аптеке Boots.

Оригинальная статья была написана Дереком Денби. Мы благодарны Дереку за разрешение воспроизвести его здесь.

Эта страница бесплатна для личного использования, но авторские права остаются за Philip Allan Updates.Пожалуйста, не копируйте и не распространяйте его каким-либо образом.

Chemistry Review признателен Дону Эйнли, который помог подготовить эту статью для Интернета.

Обогащение кислородом, опосредованное перекисью водорода, уничтожает Helicobacter pylori in vitro и in vivo

ВВЕДЕНИЕ

Helicobacter pylori - это грамотрицательная спиралевидная микроаэрофильная бактерия, вызывающая гастрит, язвенную болезнь желудка и аденокарцину желудка (1). H. pylori широко распространен и поражает почти 50% населения мира, примерно 4.4 миллиарда человек (2, 3). Антибактериальные препараты являются наиболее важным и основным средством лечения заболеваний, связанных с H. pylori. Варианты лечения в основном сосредоточены на стандартной тройной, висмут / невисмутовой четверной, сопутствующей и последовательной терапии (4–7). Однако эти антибактериальные препараты легко способствуют развитию устойчивости H. pylori (6), что приводит к значительному снижению скорости эрадикации. Во всем мире общий уровень эрадикации H. pylori колеблется от 55% до 75% (8). Показатели составляют 75% в Южной Америке (9), 80% в Азии (10, 11), от 80% до 83% в Африке (9, 12), от 57% до 80% в Европе (13-15) и 84 % в Северной Америке (16).Поскольку H. pylori гораздо труднее убить после рецидива (17–20), необходимы более эффективные методы лечения. Чтобы решить эту проблему, ученые предложили некоторые новые стратегии, такие как добавление пробиотиков (21, 22) и вакцины (23, 24), которые находятся в стадии разработки. Вдохновленные открытием, что микроаэрофильная среда является предпосылкой для выживания H. pylori (25), мы предположили, что H. pylori не может выжить в нормальных кислородных или обогащенных кислородом средах. Здесь мы использовали перекись водорода для создания среды с повышенной концентрацией кислорода в желудочном соке для достижения целей уничтожения и искоренения H.пилори.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние перекиси водорода на концентрацию кислорода в растворах. После приготовления серии концентраций перекиси водорода в физиологическом растворе концентрации кислорода определялись в физиологических растворах и в желудочном соке кролика. Средняя концентрация кислорода в физиологических растворах составляла 6,7 мкг / мл при 37 ° C, что согласуется с результатами исследований Эль-Шерифа и Эль-Феки (26). Когда перекись водорода разбавляли разными объемами физиологического раствора, чтобы получить растворы 0.02, 0,09, 0,40 и 2,00 мг / мл (0,002%, 0,009%, 0,040% и 0,200%), средние концентрации кислорода в растворах при 37 ° C составляли 7,8, 9,1, 14,9 и 26,0 мкг / мл. соответственно, которые были в 1,2–3,9 раза выше, чем в контрольной группе (рис. 1А). Изменение pH влияет на концентрацию кислорода в растворах, содержащих перекись водорода. При увеличении pH с 1 до 7 концентрации кислорода увеличивались до 12,9, 16,0, 19,7 и 29,3 мкг / мл, что свидетельствует о том, что менее кислая среда позволяла повышать концентрацию растворенного кислорода в растворах перекисью водорода (рис.1Б). После 24-часового голодания средняя концентрация кислорода в желудочном соке кролика составила 3,6 мкг / мл. После добавления перекиси водорода в концентрации 0,5 и 1,0 мг / мл (0,05% и 0,10%) в желудок кролика средняя концентрация кислорода в желудочном соке повысилась до 15,2 и 18,7 мкг / мл, соответственно, что составило 4,2 и 5,2%. раза выше, чем в нормальном желудочном соке, соответственно (рис. 1В).

FIG 1

Влияние перекиси водорода (H 2 O 2 ) на концентрацию кислорода в растворах и желудочном соке.(A) Концентрации кислорода в физиологическом растворе после добавления ряда концентраций перекиси водорода при 37 ° C ( n = 3). (B) Концентрации кислорода в физиологическом растворе после добавления перекиси водорода в концентрации 2,0 мг / мл (0,2%) в растворах с pH 1, 3, 5 и 7 при 37 ° C ( n = 3). (C) Концентрации кислорода в желудочном соке кролика после добавления перекиси водорода в концентрации 0,5 и 1,0 мг / мл (0,05% и 0,10%, n = 4). Приведенные значения являются средними ± стандартная ошибка среднего; *, P <0.05; и **, P <0,01 по сравнению с контролем (физиологический раствор, нормальный желудочный сок), как определено с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста Стьюдента t .

Влияние перекиси водорода на H. pylori. Чтобы подтвердить действие перекиси водорода на культуры на агаре и в пептонном бульоне, четыре штамма H. pylori (ATCC 43504, дикий тип I, II и III) культивировали в Колумбии. кровяной агар, шоколадный агар, специальный агар для H. pylori и специальный пептонный бульон для H. pylori. Все штаммы H. pylori были чувствительны к перекиси водорода и были подтверждены как положительные в анализах на уреазу, каталазу и оксидазу.Было обнаружено помутнение суспензий H. pylori по оптической плотности при 600 нм (OD 600 ), что свидетельствует о бактериальной пролиферации. Число колоний и мутность суспензий колоний сравнивали на колумбийском кровяном агаре, шоколадном агаре и специальном агаре для H. pylori. Результаты показали, что как количество колоний, так и OD 600 были самыми высокими в колумбийском кровяном агаре. Суспензии H. pylori при 1 × 10 6 , 10 7 , 10 8 и 10 9 КОЕ / мл также инкубировали в специальном пептонном бульоне для обнаружения роста бактерий.Оптимальная инкубационная концентрация H. pylori составляла 1 × 10 8 КОЕ / мл (рис. S1-2 в дополнительном материале). Коллоидный субцитрат висмута (CBS), анти-H. pylori (27), использовали в качестве положительного контроля. Нормальный физиологический раствор (NS) был отрицательным контролем. Результаты показали, что OD 600 суспензии колоний H. pylori ATCC 43504 в колумбийском кровяном агаре составляла 3,3 в контрольной группе (т.е. при нормальном контроле роста). В агарах, содержащих перекись водорода в концентрации 1, 2, 4 и 8 мг / мл, OD 600 снизилась до 3.0, 2,3, 2,0 и 0,1 соответственно, тогда как OD 600 с CBS составлял 2,6. Тенденции к снижению OD 600 H. pylori дикого типа I, II и III в перекиси водорода и CBS были аналогичны ATCC 43504 (фиг. 2A). Для H. pylori ATCC 43504 в специальном пептонном бульоне OD 600 на 5-й день в контрольной группе (нормальный контроль роста) составляла 2,4. В бульоне, содержащем перекись водорода 0,7, 0,8, 1,0, 1,2 и 1,4 мг / мл, OD 600 снизилась до 2,3, 2,0, 2,0, 0.4 и 0,1 соответственно. Время достижения 50% максимального эффекта для перекиси водорода в дозах 1,2 и 1,4 мг / мл составляло 1,7 и 0,9 дня, соответственно, что было короче, чем 1,9 дня, наблюдаемых для контроля. OD 600 других штаммов дикого типа был подобен ATCC 43504. MIC составлял 1,4, 0,5, 0,6 и 1,4 мг / мл для четырех штаммов H. pylori (ATCC 43504, дикий тип I, II и III), соответственно (рис. 2Б). Время для перекиси водорода в концентрации 1,0 мг / мл для достижения 50% максимального эффекта на ATCC 43504 при инкубационных концентрациях 1 × 10 6 , 10 7 , 10 8 и 10 9 КОЕ / мл составляли 3.5, 2,8, 1,6 и 0,4 суток соответственно. Подобные данные были также обнаружены у трех штаммов дикого типа (рис. 2С).

FIG 2

Влияние перекиси водорода (H 2 O 2 ) на H. pylori. (A) OD 600 суспензий колоний H. pylori в колумбийских кровяных агарах, содержащих ряд концентраций перекиси водорода. Коллоидный субцитрат висмута (CBS) 7,3 мг / мл был положительным контролем, а физиологический раствор (NS) был отрицательным контролем ( n = 5). (B) OD 600 H.pylori в специальном пептонном бульоне, содержащем ряд концентраций перекиси водорода ( n = 7). (C) OD 600 суспензий H. pylori в специальном пептонном бульоне, содержащем перекись водорода, как указано ниже: 1,0 мг / мл для ATCC 43504; 0,3 мг / мл для дикого типа I; 0,5 мг / мл для дикого типа II; и 1,2 мг / мл для дикого типа III, с концентрациями инокулята H. pylori 1 × 10 6 , 10 7 , 10 8 и 10 9 КОЕ / мл соответственно ( n = 7 ).Приведенные значения являются средними ± стандартная ошибка среднего; *, P <0,05; и **, P <0,01 по сравнению с контролем, как определено с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста Стьюдента t .

Устойчивость к перекиси водорода со стороны H. pylori. Перекись водорода в концентрациях 0,8, 0,3, 0,4 и 1,0 мг / мл использовалась для повышения устойчивости к четырем штаммам H. pylori (ATCC 43504, дикий тип I, II и III), соответственно. Кларитромицин, важный компонент стандартной тройной терапии (28), использовали в качестве положительного контроля. 24-часовая культура была записана как поколение, а H.pylori непрерывно культивировали в течение 30 поколений. МИК H. pylori к кларитромицину значительно увеличивались в 20-м и 30-м поколениях и были примерно в 4 и 10 раз выше, чем в 0-м поколении. Минимальные бактерицидные концентрации (МБК) H. pylori по отношению к кларитромицину увеличились с 0-го по 10-е, 20-е и 30-е поколения в 2,6, 5,4 и 17,0 раз соответственно. В основном выявлялась устойчивость штаммов H. pylori к перекиси водорода.МИК показали, что для всех штаммов H. pylori не было увеличения в 20-м поколении. При сравнении 30-го поколения с 0-м поколением, MIC дикого типа I не изменилась, в то время как MIC ATCC 43504, дикого типа II и III были не более чем в 3 раза, чем у 0-го поколения. Между тем, МБК перекиси водорода у четырех штаммов H. pylori не показали увеличения в 20-м поколении. В 30-м поколении MBC дикого типа I и III не увеличивались, а MBC ATCC 43504 и дикого типа II были примерно в 2 раза выше, чем у 0-го поколения (Таблица 1).

ТАБЛИЦА 1

Устойчивость H. pylori к перекиси водорода a

Влияние перекиси водорода на инфицированных H. pylori монгольских песчанок. Для создания модели монгольских песчанок, инфицированных H. pylori, суспензия (1 × 10 8 КОЕ / мл) H. pylori ATCC 43504 перорально вводили монгольским песчанкам в течение 20 дней. Чтобы проверить успешность модели песчанки, были оценены следующие тестовые показатели. Морфология слизистой оболочки желудка в контрольной группе была нормальной, гладкой.Однако слизистая оболочка желудка песчанок, инфицированных H. pylori, показала очевидную гиперемию и отек, а H. pylori из инфицированной слизистой оболочки была положительной для анализов на уреазу, каталазу и оксидазу, которые показали очевидное красное пятно, густую пену и темный цвет. синий мазок соответственно (рис. 3А). В течение 20 дней моделирования ежедневное потребление пищи и вес монгольских песчанок регистрировали каждые 2 дня. Ежедневное потребление пищи и масса тела песчанок, инфицированных H. pylori, значительно снизились по сравнению с контрольными песчанками, которым перорально вводили такой же объем физиологического раствора (рис.3Б). Ткани желудка монгольских песчанок фиксировали в парафине и замороженных срезах. Для локализации путем окрашивания по Гимзе области, колонизированные H. pylori, будут окрашиваться в фиолетовый цвет, а клетки слизистой оболочки желудка - в синий цвет (29). Результаты показали, что H. pylori рассеяна по поверхности слизистой оболочки желудка и в ямках желудка. Для иммунофлуоресценции H. pylori окрашивали поликлональным IgG / FITC-IgG, цитоскелет окрашивали ActinRed, а ядро ​​окрашивали 4 ’, 6-диамидино-2-фенилиндолом (DAPI).H. pylori, колонизирующий слизистую оболочку желудка, показал зеленую флуоресценцию, цитоскелет выглядел красным, а ядро ​​было синим. Точно так же H. pylori была обнаружена в железистой полости или по поверхности слизистой оболочки желудка (рис. 3C). После успешного создания модели проверяли количество инфицированной слизистой оболочки H. pylori через 14 дней перорального введения перекиси водорода в концентрации 1, 2 и 4 мг / мл. Количество H. pylori значительно снизилось после введения перекиси водорода.Не было значительной разницы в количестве H. pylori между контрольной группой и группой перекиси водорода, что указывает на уничтожение H. pylori. Однако количество H. pylori в группе с тройным препаратом было больше, чем в группе перекиси водорода, и меньше, чем в контрольной группе, инфицированной H. pylori (рис. 3D). На 4-й, 7-й и 14-й дни перорального приема перекиси водорода в дозе 2 мг / мл количество H. pylori быстро снижалось и было значительно меньше, чем в группе с тройным препаратом (рис.3E). Мы дополнительно сократили период приема с 14 до 10 дней и получили аналогичный результат, который показал, что количество H. pylori значительно снизилось на 5-й и 10-й день перорального введения перекиси водорода в дозе 2 мг / мл. После отмены лекарств (перекись водорода и тройные препараты) за монгольскими песчанками наблюдали еще 14 дней, чтобы определить, был ли рецидив H. pylori. Количество H. pylori в группе перекиси водорода не увеличилось по сравнению с контрольной группой, в которой не было обнаружено H.pylori. Однако по сравнению с контролем количество бактерий значительно увеличилось в группе с тройным препаратом, демонстрируя, что рецидив H. pylori произошел из-за неудачной эрадикации во время первоначального введения препарата (рис. 3F и G).

FIG 3

Влияние перекиси водорода (H 2 O 2 ) на инфицированных H. pylori монгольских песчанок. (A) Морфология слизистой оболочки, инфицированной H. pylori, и анализы на уреазу, каталазу и оксидазу (H. pylori ATCC 43504).(B) Изменения суточного потребления пищи и веса тела монгольских песчанок, инфицированных H. pylori (H. pylori ATCC 43504). (C) Окрашивание по Гимзе и иммунофлуоресценция слизистой оболочки желудка, инфицированной H. pylori. Окрашивание по Гимзе показывает H. pylori фиолетовым цветом, а слизистую оболочку желудка синим. Иммунофлуоресценция показывает H. pylori ATCC 43504 зеленым, цитоскелет красным, а ядро ​​синим. (D) Количество бактерий в слизистой оболочке, инфицированной H. pylori, после 14 дней перорального введения перекиси водорода в концентрации 1, 2 и 4 мг / мл.Группа из трех препаратов (коллоидный субцитрат висмута, кларитромицин и тинидазол) была положительным контролем. (E) Количество бактерий в слизистой оболочке, инфицированной H. pylori, на 4, 7 и 14 дни перорального введения перекиси водорода в концентрации 2 мг / мл. Группа с тройным препаратом была положительным контролем. (F) Количество бактерий в слизистой оболочке, инфицированной H. pylori, на 5-й и 10-й дни перорального введения перекиси водорода в дозе 2 мг / мл и на 14-й день после отмены перекиси водорода. (G) Окрашивание слизистой оболочки желудка по Гимзе на 14-й день после отмены перекиси водорода.Красные кружки и стрелки указывают на H. pylori ATCC 43504, увеличенное в черной рамке ( n = 10 животных; 5 точек на животное; 50 точек на группу). Измеренная длина стержня составляла 100 мкм. Приведенные значения являются средними ± стандартная ошибка среднего; *, P <0,05; и **, P <0,01 по сравнению с контролем, как определено с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста Стьюдента t .

Влияние перекиси водорода на мышей Kunming, инфицированных H. pylori. Далее мы создали модель мышей Kunming, инфицированных H. pylori.Подобно тому, что наблюдалось у монгольских песчанок, слизистая оболочка желудка инфицированных мышей имела гиперемию и отек и была положительной по уреазе, каталазе и оксидазе (рис. 4A). Ежедневное потребление пищи и масса тела мышей, инфицированных H. pylori, значительно снизились по сравнению с контролем (рис. 4B). Клетки слизистой оболочки желудка и инфицированные H. pylori клетки, окрашенные раствором Гимзы, были синими и пурпурными, соответственно, но количество H. pylori у мышей Куньмин было меньше, чем у монгольских песчанок (рис.4С). После успешного создания модели мышей Kunming, инфицированной H. pylori, мы обнаружили количество H. pylori после обработки перекисью водорода в концентрации 2 мг / мл. Количество H. pylori значительно снизилось в группе перекиси водорода на 4-й, 7-й и 14-й дни приема. Количество H. pylori в группе с тройным препаратом было больше, чем в группе перекиси водорода, и меньше, чем в группе, инфицированной H. pylori на 4, 7 и 14 дни введения (рис. 4D).Мы сократили период введения и наблюдали, что количество H. pylori в группе перекиси водорода значительно снизилось на 5-й и 10-й дни приема, что было аналогично тому, что наблюдалось у монгольских песчанок. После 10 дней перорального приема перекись водорода и тройные препараты были отменены. Подобно монгольским песчанкам, у мышей наблюдали рецидив H. pylori в течение следующих 14 дней. Ткани желудка мышей Kunming фиксировали в парафиновых срезах и окрашивали раствором Гимзы.Количество H. pylori в слизистой оболочке желудка после отмены перекиси водорода не увеличивалось, тогда как после трехкратной отмены препарата наблюдалось значительное увеличение. Эти результаты показывают отсутствие рецидива H. pylori в группе перекиси водорода, тогда как H. pylori рецидивировали в группе с тройным препаратом (рис. 4E и 4F).

FIG 4

Действие перекиси водорода (H 2 O 2 ) на мышей Kunming, инфицированных H. pylori. (A) Морфология слизистой оболочки, инфицированной H. pylori, и анализы на уреазу, каталазу и оксидазу (H.pylori ATCC 43504). (B) Изменения суточного потребления пищи и массы тела мышей Kunming, инфицированных H. pylori (H. pylori ATCC 43504). (C) Окрашивание по Гимзе слизистой оболочки желудка, инфицированной H. pylori. Окрашивание по Гимзе показывает H. pylori фиолетовым цветом, а слизистую оболочку желудка синим. (D) Количество бактерий в слизистой оболочке, инфицированной H. pylori, на 4-й, 7-й и 14-й дни перорального введения перекиси водорода в концентрации 2 мг / мл. Группа с тройным препаратом была положительным контролем. (E) Количество бактерий в слизистой оболочке, инфицированной H. pylori, на 5-й и 10-й дни перорального введения перекиси водорода в дозе 2 мг / мл и на 14-й день после отмены перекиси водорода.(F) Окрашивание слизистой оболочки желудка по Гимзе на 14-й день после отмены перекиси водорода. Красные кружки и стрелки указывают на H. pylori ATCC 43504, увеличенное в черной рамке ( n = 10 животных; 5 точек на животное; 50 точек на группу). Приведенные значения являются средними ± стандартная ошибка среднего; *, P <0,05; и **, P <0,01 по сравнению с контролем, как определено с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста Стьюдента t .

Влияние перекиси водорода на мембраны бактериальных клеток и ферменты H.pylori. SYTO 9 и йодид пропидия (PI) использовались для окрашивания живых и мертвых H. pylori и испускали зеленую и красную флуоресценцию соответственно. Результаты показали, что H. pylori в контрольной группе (нормальный контроль роста) была жива и показывала зеленую флуоресценцию. С увеличением концентрации перекиси водорода красная флуоресценция постепенно увеличивалась, а зеленая флуоресценция уменьшалась, демонстрируя тенденцию к гибели H. pylori. Красная флуоресценция появилась в обеих группах, которым вводили перекись водорода на 2.0 мг / мл, и группе вводили амоксициллин, который был положительным контролем (фиг. 5A). Проточная цитометрия показала, что выживаемость H. pylori в перекиси водорода от 0,5 до 2,0 мг / мл снижалась в зависимости от концентрации (рис. 5B). Поскольку H. pylori в перекиси водорода в концентрации 2,0 мг / мл были полностью уничтожены, концентрация 2,0 мг / мл была использована для определения морфологических изменений клеточных мембран H. pylori. Просвечивающая электронная микроскопия показала, что мембраны клеток H. pylori в контроле были полными и прозрачными, а мембраны - в 2.0 мг / мл перекиси водорода фрагментировались, разрушались и размывались. Амоксициллин повреждает только стенки бактериальных клеток, в то время как мембраны бактериальных клеток остаются целостными (рис. 5C). Кроме того, мы использовали 1-N-фенил-нафтиламин (NPN) (синяя флуоресценция) для обнаружения разрушения мембран бактериальных клеток. Triton X-100 использовали в качестве положительного контроля. С увеличением концентрации перекиси водорода синяя флуоресценция постепенно увеличивалась, указывая на то, что клеточные мембраны были повреждены в зависимости от концентрации (рис.5D). Разрушение мембран бактериальных клеток впоследствии вызвало утечку цитоплазматических белков и ДНК. У четырех штаммов H. pylori утечка цитоплазматических белков и ДНК в перекиси водорода в концентрации 2,0 мг / мл была в 1,3, 2,0, 3,3 и 2,0 раза выше (для цитоплазматических белков) и в 3,9, 1,9, 1,6 и 2,4 раза ( для ДНК), чем в контрольной группе (рис. 5E и 5F). Кроме того, цитоплазматические белки окислялись перекисью водорода до карбонилов белка. Результаты иммуноферментных анализов (ELISA) показали, что содержание карбонила значительно увеличивалось в зависимости от концентрации (рис.5G). Супероксиддисмутаза (SOD), алкилгидропероксидредуктаза (Ahp) и каталаза являются тремя ключевыми ферментами H. pylori, которые подвержены окислительному стрессу (30–32). Активность СОД значительно увеличивалась в перекиси водорода при 0,5, 1,0 и 2,0 мг / мл (фиг. 5H). Аналогичным образом, активность Ahp в перекиси водорода при концентрации 2,0 мг / мл также значительно выросла (рис. 5I). Активность каталазы первоначально увеличивалась и почти достигла пика в перекиси водорода при 1,0 мг / мл, в то время как активность снизилась в перекиси водорода 2.0 мг / мл (рис. 5J). Малоновый диальдегид (МДА) - продукт перекисного окисления липидов, который отражает степень окисления липидов мембран бактериальных клеток. После инкубации с перекисью водорода в концентрации 2,0 мг / мл уровень MDA значительно увеличился в бактериальных мембранах, доказывая, что мембраны клеток H. pylori были серьезно повреждены (рис. 5K). Поскольку перекись водорода продуцирует большие гидроксильные радикалы, которые очень агрессивны по отношению к мембранам бактериальных клеток, H. pylori продемонстрировала сильную активность по улавливанию перекиси водорода при 0.5 и 1,0 мг / мл, но не 2,0 мг / мл (рис. 5L).

FIG 5

Влияние перекиси водорода (H 2 O 2 ) на мембраны бактериальных клеток и ферменты H. pylori. (A) Окраска SYTO 9 / PI H. pylori ATCC 43504, инкубированная с перекисью водорода в концентрации 0,5, 1 и 2 мг / мл. Амоксициллин был положительным контролем. Зеленая флуоресценция указывает на живой H. pylori ATCC 43504; красная флуоресценция указывает на мертвую H. pylori ATCC 43504. (B) Выживаемость H. pylori ATCC 43504, инкубированных с перекисью водорода при 0.5, 1 и 2 мг / мл методом проточной цитометрии ( n = 6). (C) Морфология H. pylori ATCC 43504, инкубированная с перекисью водорода в концентрации 2 мг / мл с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Амоксициллин был положительным контролем, который повреждает стенки бактериальных клеток, а не клеточные мембраны ( n = 3). Красными стрелками показаны мембраны бактериальных клеток. Измеренная длина стержня составляла 300 нм. (D) Разрушение мембран бактериальных клеток в H. pylori ATCC 43504, инкубированном с перекисью водорода в концентрации 2 мг / мл под действием 1-N-фенил-нафтиламина (синяя флуоресценция).Triton X-100 был положительным контролем ( n = 4). (E и F) Утечка цитоплазматических белков и ДНК в четырех штаммах H. pylori, инкубированных с перекисью водорода в концентрации 0,5, 1 и 2 мг / мл ( n = 6). (G - J) Карбонилы белка и активность трех ферментов: супероксиддисмутазы (SOD), алкилгидропероксидредуктазы (Ahp) и каталазы четырех штаммов H. pylori, инкубированных с перекисью водорода в концентрации 0,5, 1 и 2 мг / мл ( n = 6). (K и L) Малоновый диальдегид (MDA) и активность по улавливанию гидроксильных радикалов четырех H.pylori, инкубированные с перекисью водорода в концентрации 0,5, 1 и 2 мг / мл ( n = 6). Приведенные значения являются средними ± стандартная ошибка среднего; *, P <0,05; и **, P <0,01 по сравнению с контролем, как определено с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста Стьюдента t .

Безопасность перекиси водорода для животных.Для определения безопасности перекиси водорода у мышей Куньмин и монгольских песчанок были использованы тесты на острую токсичность однократной дозы и повреждение слизистой оболочки желудка. Для испытаний однократной острой токсичности на мышах пероксид водорода в концентрации 30 мг / мл с максимальным объемом дозы 40 мл / кг (1200 мг / кг) вводили мышам перорально один раз.После 14 дней наблюдения все мыши в группе перекиси водорода выжили, и их масса тела не уменьшилась по сравнению с контрольными мышами. Песчанкам перорально вводили перекись водорода в дозе 30 мг / мл с максимальным объемом дозы 30 мл / кг (900 мг / кг). После 14 дней наблюдения все песчанки выжили, и их масса тела не изменилась. Для теста на повреждение слизистой оболочки желудка после перорального введения мышам пероксида водорода в дозе 2,5 мг / мл и 10,0 мг / мл с объемом дозы 20 мл / кг (50 мг / кг и 200 мг / кг) в течение 7 дней, слизистая оболочка желудка была такой же полной, как и в контроле, и не было повреждений, таких как эрозия или изъязвление.Однако слизистая оболочка желудка в группе аспирина, положительный контроль, показала очевидную эрозию (рис. S3).

ОБСУЖДЕНИЕ

H. pylori выживает в микроаэрофильной среде с содержанием кислорода от 5% до 6% (об. / Об.%) В воздухе (25) и в водных растворах, в которых концентрация кислорода составляет примерно 1,7–2,0 мкг / мл при 37 ° С. H. pylori колонизирует поверхность слизистой оболочки желудка и окружена желудочным соком, в котором концентрация кислорода составляет примерно 2,0 мкг / мл.H. pylori не может выжить при 15% -ном содержании кислорода в воздухе (об. / Об.%), Т. Е. При концентрации кислорода 5,0 мкг / мл в водном растворе при 37 ° C (33, 34). В этом исследовании перекись водорода в концентрации от 0,02 до 2,00 мг / мл (от 0,002% до 0,200%) увеличивала содержание кислорода в водных растворах (или желудочном соке кролика) до 7,8-26,0 (от 15,2 до 18,7) мкг / мл, что составляет от 1,2 до В 3,9 раза (от 4,2 до 5,2) повышается уровень кислорода, при котором H. pylori не может выжить. В колумбийском кровяном агаре и специальном пептоне H. pylori перекись водорода значительно подавляла рост H.пилори. Эффективность ингибирования перекиси водорода была значительно выше, чем у CBS. Кроме того, CBS, как и другие антибактериальные препараты, легко способствовал развитию резистентных штаммов H. pylori, что резко увеличивало МИК и МБК антибактериальных препаратов (35, 36). Однако наши результаты показали, что МИК и МБК перекиси водорода были относительно стабильными после попытки стимулировать резистентность в течение 30 поколений, показывая, что перекись водорода с трудом способствует развитию резистентности у H. pylori. В дополнение к этим экспериментам in vitro мы также проверили влияние перекиси водорода на H.pylori in vivo . Монгольские песчанки - наиболее часто используемые животные для создания модели инфекции H. pylori (37, 38). Симптомы песчанок, инфицированных H. pylori, такие как потеря аппетита и веса, соответствовали пациентам-людям. Результаты in vivo показали, что не было колонизации H. pylori в желудке монгольских песчанок в группе перекиси водорода, что позволяет предположить, что перекись водорода убивает H. pylori, что согласуется с результатами in vitro и лучше, чем что из тройных наркотиков.Рецидив H. pylori часто вызывает повторное инфицирование людей и животных. В нашем исследовании рецидив определялся неполным клиренсом. После создания моделей H. pylori у монгольских песчанок и мышей Куньмин пероксид водорода и тройные препараты вводили животным перорально в течение 14 дней. В то время мы не знали, полностью ли вылечен H. pylori. Таким образом, все животные были остановлены с введением лекарственного средства и наблюдались в течение еще 14 дней, чтобы определить, существует ли остаточная инфекция H.pylori рост. В группе перекиси водорода мы не наблюдали роста H. pylori после отмены перекиси водорода и считали, что H. pylori полностью искоренена, что показало, что рецидива не произошло. Однако в группе с тройным препаратом остаточный H. pylori значительно увеличился после отмены тройного препарата, демонстрируя, что H. pylori не полностью исчез и произошел рецидив. Кроме того, мы изучили механизм действия перекиси водорода в уничтожении H. pylori и обнаружили, что он связан с повреждением мембран бактериальных клеток.Что касается морфологии H. pylori, просвечивающая электронная микроскопия напрямую подтвердила разрушение мембран бактериальных клеток после обработки перекисью водорода. В качестве положительного контроля амоксициллин повреждает только стенки бактериальных клеток H. pylori, в то время как клеточные мембраны остаются нетронутыми. Кроме того, NPN связывается с фосфолипидом клеточной мембраны H. pylori и вызывает синюю флуоресценцию, которую можно использовать для определения степени повреждения мембран бактериальных клеток (39). С увеличением концентрации перекиси водорода интенсивность синей флуоресценции также увеличивалась, что указывает на то, что мембраны бактериальных клеток H.pylori были разорваны. После разрушения вытекло содержимое H. pylori. Как и ожидалось, наши результаты показали, что ДНК и цитоплазматические белки, такие как SOD, Ahp и каталаза, увеличиваются в группе перекиси водорода. Утечки протеинов могли быть окислены до карбонилов протеинов, которые показали повышенный уровень в группе перекиси водорода. Эти результаты также подтвердили, что мембраны бактериальных клеток были разорваны. Помимо этого нарушения, перекись водорода также изменяла активность ключевых ферментов.Среди ферментов СОД является основным антиоксидантом, который улавливает супероксидные радикалы и ингибирует перекисное окисление липидов мембран бактериальных клеток, вызванное перекисью водорода. Ahp восстанавливает перекисные субстраты до воды и спиртов, тем самым защищая H. pylori от окислительного стресса. Повышение активности SOD и Ahp, вызванное перекисью водорода, также может быть связано с защитой H. pylori. Благодаря этой самозащите H. pylori активность каталазы увеличивалась при более низких концентрациях перекиси водорода, поскольку каталаза могла разлагать перекись водорода на кислород и воду, тогда как эта активность снижалась из-за окислительной инактивации в присутствии более высоких уровней перекиси водорода.Перекись водорода окисляла липиды мембраны H. pylori с образованием МДА. Увеличение MDA отражает окисление клеточной мембраны H. pylori. Одновременно активность по улавливанию гидроксильных радикалов отражала способность H. pylori противостоять перекиси водорода, которая увеличивалась при низких концентрациях перекиси водорода для улучшения выживаемости, но снижалась при более высоких концентрациях из-за гибели клеток H. pylori. В тесте на острую токсичность однократной дозы мы выполнили однократное пероральное введение мышам Куньмин перекиси водорода в дозе 30 мг / мл и не наблюдали гибели мышей через 14 дней.Перекись водорода в концентрации 30 мг / мл используется в клинической практике в качестве дезинфицирующего средства для кожи и слизистой оболочки полости рта (40), что в 15 раз превышает 2 мг / мл, использованные в нашем исследовании и наших результатах с гематоксилином и эозином (H&E). окрашивание также показало, что перекись водорода в концентрации 10 мг / мл не повреждает слизистую оболочку желудка мышей Куньмин. Кроме того, все мыши и песчанки выжили без потери веса в тесте на острую токсичность с однократной дозой. Эти данные позволяют предположить, что перекись водорода безопасна и пригодна для перорального приема для уничтожения H.пилори. В заключение, перекись водорода может повышать концентрацию кислорода в желудочном соке и в конечном итоге уничтожать H. pylori, колонизирующую слизистую оболочку желудка, путем повреждения мембран бактериальных клеток.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Лекарства и реагенты. Перекись водорода в концентрации 300 мг / мл была приобретена у Jinhuada Chemical Reagent (Китай). H. pylori ATCC 43504 был приобретен в ATCC (Американская коллекция типовых культур; сертификат анализа 43504, США). Штаммы дикого типа (названные H. pylori дикого типа I, II и III) были выделены из тканей желудка при язвенной болезни в сочетании с пациентами с положительной реакцией на мочевину C13.Колумбийский кровяной агар, шоколадный агар, специальный агар для H. pylori и специальный жидкий бульон для H. pylori были закуплены у Hope Biotechnology (Китай). Микроаэрофильные мешки и культуральный бак были приобретены у Mitsubishi Gas Chemical (Япония). Коллоидный субцитрат висмута, кларитромицин и тройные препараты были приобретены у Livzon Pharmaceutical Group (Китай). Бумага для испытаний на уреазу была приобретена у Zhuhai Kedi Technology (Китай). Тестовую бумагу на оксидазу приобретали в компании Hope Biotechnology (Китай). Наборы для ELISA и ActinRed были приобретены в Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute (Китай).Наборы для определения жизнеспособности живых / мертвых бактерий BacLight и лошадиная сыворотка были приобретены в Thermo Fisher Scientific (США). Поликлональные IgG (кроличьи анти-H. pylori ATCC 43504) и FITC-IgG (козьи антикроличьи) были приобретены в Bio-Rad Laboratories (США). DAPI был приобретен у Solarbio Life Sciences (Китай). Компаунд для оптимальной температуры резки был приобретен у Sakura FineTek (Япония).

Животные. Кролики (от 2,0 до 3,0 кг, самцы и самки) и мыши Куньмин (от 20 до 25 г, самцы и самки) были предоставлены Медицинским центром животных Сианьского университета Цзяотун.Монгольские песчанки (от 60 до 70 г, самцы и самки) были предоставлены Центром животных Чжэцзянской академии медицинских наук. Эксперименты на животных проводились с разрешения Комитета по этике Сианьского университета Цзяотун (№ 2016-1033).

Определение концентрации кислорода. Концентрацию кислорода в растворах перекиси водорода и желудочном соке кролика определяли портативным измерителем растворенного кислорода (WTW, Германия). Калибровка датчика производилась автоматически на воздухе. Кислородомер помещали в испытуемые растворы на 30 мин при 37 ° C.После 24-часового голодания кроликов анестезировали кетамином и медетомидином. Вдоль двенадцатиперстной кишки возле привратника сделали небольшой разрез. Зонд был быстро введен в привратник и разрез затянут. После введения в желудок растворов перекиси водорода концентрация кислорода регистрировалась на кислороднометре.

Культивирование H. pylori. Суспензии (1 × 10 8 КОЕ / мл) штаммов H. pylori инокулировали на колумбийский кровяной агар, шоколадный агар, H.pylori и специальный пептонный бульон для H. pylori. Агары и бульон помещали в герметичный культуральный резервуар (содержащий микроаэрофильные мешки и вибратор со скоростью 150 об / мин для бульона) при 37 ° C на 3-7 дней.

Определение МИК и МБК. Метод серийных разведений использовали для определения МПК и МБК штаммов H. pylori в специальном пептонном бульоне H. pylori. Суспензии H. pylori (1 × 10 8 КОЕ / мл) каждого штамма были приготовлены, одинаково инокулированы в пептонном бульоне с серией концентраций перекиси водорода и культивированы (микроаэрофильная атмосфера, 150 об / мин) при 37 ° C. на 24 ч.Минимальная концентрация перекиси водорода в пептонном бульоне, которая не позволяла рост H. pylori, регистрировалась как МПК. Пептонные бульоны без роста H. pylori, содержащие перекись водорода, инокулировали отдельно на холостые агары и культивировали (микроаэрофильная атмосфера) при 37 ° C в течение 72 часов. Когда на агаре не было колоний, минимальную концентрацию перекиси водорода регистрировали как МБК.

Определение сопротивления.H. pylori культивировали в пептонном бульоне с концентрацией перекиси водорода, которая была несколько ниже, чем МПК.24-часовая культура считалась поколением. Все штаммы H. pylori непрерывно культивировались в течение 30 поколений, а МПК и МБК штаммов H. pylori определялись в 10-м, 20-м и 30-м поколениях в соответствии с методом серийных разведений.

Создание моделей животных, инфицированных H. pylori, и сертификация колонизированных H. pylori.H. pylori-инфицированные животные модели (монгольские песчанки и мыши Куньмин) и идентифицировано количество животных, инфицированных H. pylori.После 24-часового голодания монгольским песчанкам (от 60 до 70 г, самцы и самки) и мышам Kunming (от 20 до 25 г, самцы и самки) перорально вводили суспензии H. pylori (ATCC 43504) в дозе 1,5 × 10. 6 КОЕ / г и 2,0 × 10 6 КОЕ / г, соответственно, один раз в день в течение 20 дней. Окрашивание по Гимзе и иммунофлуоресценция использовались для проверки того, была ли успешно установлена ​​инфекция H. pylori. Затем монгольских песчанок и мышей Куньмин анестезировали пентобарбиталом и кетамином и удалили ткани желудка.Для окрашивания по Гимзе ткани желудка монгольских песчанок и мышей Куньмин фиксировали в парафиновых срезах и окрашивали растворами Гимзы. Для иммунофлуоресценции ткани желудка превращали в замороженные срезы и окрашивали антителами (поликлональный кроличий IgG против H. pylori ATCC 43504 и козий FITC-IgG против кроличьего), ActinRed и DAPI. Срезы контрольной группы также окрашивали теми же растворами Гимзы или антителами. Число H. pylori у каждого животного подсчитывали с помощью 5 случайных полей при увеличении 1000 × под микроскопом (Olympus, Япония).Точки оси y показали количество H. pylori, и было 50 точек на группу ( n = 10).

Определение жизнеспособности H. pylori. Наборы Live/Dead BacLight для определения жизнеспособности бактерий (Thermo Fisher Scientific, США) и проточная цитометрия (BD Biosciences, США) использовались для определения жизнеспособности H. pylori ATCC 43504. Суспензии H. pylori ( 1 × 10 8 КОЕ / мл) инкубировали с серией перекиси водорода в течение 20 мин. После центрифугирования и промывки физиологическим раствором H.pylori окрашивали флуоресцентными красителями (SYTO 9 / PI) и добавляли на чистое предметное стекло с покровным стеклом. Флуоресценцию наблюдали под микроскопом (Olympus, Япония). Суспензии H. pylori, окрашенные флуоресцентными красителями (SYTO 9 / PI), добавляли в проточную цитометрию. Доля живых H. pylori была рассчитана на основе соотношения выживаемости бактерий в квадрантах.

Определение разрушения мембраны клеток H. pylori. H. pylori (ATCC 43504, 1 × 10 8 КОЕ / мл) инкубировали с перекисью водорода в концентрации 2 мг / мл в течение 20 мин.Затем суспензии H. pylori центрифугировали (15000 об / мин, 5 мин) и 3 раза промывали фосфатным буфером, в конечном итоге превращаясь в осадок объемом 1 мм 3 . После фиксации 2,5% глутаровым альдегидом в течение 2 ч осадок промывали 3 раза фосфатным буфером. Опять же, после еще одной фиксации 1% -ной лимонной кислотой в течение 2 ч осадок также промывали фосфатным буфером. Затем его обезвоживали 50%, 70%, 80% и 90% этанолом в течение 15 минут и, наконец, обезвоживали 3 раза 100% этанолом.Осадок заливали чистым ацетоном и заливочным раствором. После нарезки образцы H. pylori окрашивали 3% уранилацетатом и цитратом свинца. Морфологию H. pylori наблюдали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (Hitachi, Япония). Измеренная длина стержня H. pylori составила 300 нм.

Определение активности ферментов. Для определения активности ферментов H. pylori, таких как SOD, Ahp и каталаза, использовали наборы ELISA. ELISA выполняли в соответствии с инструкциями производителя.

Безопасность перекиси водорода для животных.Для определения безопасности перекиси водорода использовались тесты на токсичность однократной дозы и повреждение слизистой оболочки желудка. При токсичности однократной дозы мышам Kunming перорально вводили перекись водорода (30 мг / мл, 40 мл / кг) в дозе 1200 мг / кг, а затем наблюдали в течение 14 дней. Монгольским песчанкам перорально вводили перекись водорода в дозе 30 мг / мл с максимальным объемом дозы 30 мл / кг (900 мг / кг), а также наблюдали в течение 14 дней.Для теста на повреждение слизистой оболочки желудка мышам Kunming перорально вводили перекись водорода (2,5 мг / мл и 10,0 мг / мл, 20 мл / кг) в дозе 50 мг / кг и 200 мг / кг один раз в день в течение 7 дней. Затем мышей анестезировали пентобарбиталом и диазепамом. Затем ткани желудка удаляли и подвергали фиксации, брутто-обработке, обработке тканей, заливке парафином, микротомии и окрашиванию раствором гематоксилина и эозина (H&E). Ткани желудка наблюдали под микроскопом (Olympus, Япония).

Статистический анализ. Рисунки были созданы с помощью GraphPad Prism 5.2. Статистический анализ выполняли с помощью Stata 12.0 и GraphPad Prism 5.2 одностороннего дисперсионного анализа и теста Стьюдента t . Результаты представлены в виде среднего значения ± стандартная ошибка (SE). По сравнению с контролем, значения P считались значимыми при P <0,05 (*) и P <0,01 (**).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *