Механизмы стерилизации

К числу стерилизующих агентов, которые обычно используются для обработки воды в бассейнах для морских млекопитающих, прежде всего относится ультрафиолет (UV), оксиданты на основе хлора и озон.

Каждый из этих агентов может уменьшить плотность бактерий, но при этом вода никогда не становится полностью стерильной, поскольку постоянно присутствует приток микроорганизмов от животных и из других источников. Обычно используются два метода стерилизации: одномоментная стерилизация большого объема воды и "точечная" стерилизация. Их относительная эффективность зависит как от природы применяемого агента, так и от его поведения в воде. При объемной стерилизации активный агент добавляется к основному объему воды, в которой находятся животные, но может контролировать рост микробов во всей водной системе. В противоположность этому, "точечная" стерилизация, как предполагает само название, применяется для обработки небольшой части водной системы.

UV-стерилизация  это "точечный" источник излучения, который обычно используется для обработки поступающей воды в различных системах. Его использовали в аквариумных системах, выводковых бассейнах, для сточных вод и питьевой воды. UV-стерилизация не эффективна, однако, для больших объемов воды, и при применении в замкнутых или полузамкнутых системах плотность микробов вокруг содержащихся животных может и не уменьшаться считают, что UV-излучение обладает ограниченной пригодностью для обеззараживания бассейнов с морскими млекопитающими. Хлор-оксиданты представляют собой несколько хлорсодержащих соединений, включая натрий гипохлорид (NaOCl), газ хлор (Cl₂), моно- и дихлорамин (NH₂Cl, HNCl₂), хлор диоксид (ClO₂) и продукты их реакций (Spotte, 1991). Эти оксиданты рассчитаны на стерилизацию больших объемов воды, поскольку они сохраняют свои стерилизующие свойства на долгий период времени. В искусственной и природной морской воде хлор-оксиданты реагируют с бромом, образуя гипобромовую кислоту (HOBr) и ион гипобромида (OBr^-). Хлор добавляется в виде газа или солей гипохлорной кислоты, таких как натрий гипохлорит или кальций гипохлорит. Хлор диоксид используется редко из-за его чувствительности к температуре, давлению и свету. К тому же он может взрываться даже при низких температурах. Газ хлор может реагировать с водой, образуя гипохлорную и гипосоляную кислоты:

Cl₂ + H₂O = HOCl + H⁺ + Cl^-

Гипохлорит натрия реагирует с водой, образуя гипохлорную кислоту, ионы натрия и гидроксильные ионы:

NaOCl + H₂O = HOCl + Na⁺ + OH^-

Не имеет значения, добавлен ли хлор в виде газа или соли, - результат будет одинаковым, поскольку и гипохлорная кислота, и гипохлорит устанавливают рН- и температурно-зависимое равновесие:

HOCl = OCl^- + H⁺

HOCl и OCl^- совместно образуют "свободно доступный хлор", и поэтому действуют как стерилизующие агенты. При рН 7.5 и температуре 25С доминирует HOCl; OCl^- более обычен при рН выше 7.5.

Гипохлорная кислота реагирует также и с аммонием с образованием хлораминов (моно-, ди- и трихлораминов), причем образование каждого из них зависит от рН и концентрации раствора. В целом, количество этих хлораминов рассматривается как связанный хлор или остаточный связанный хлор. Эти соединения сохраняются дольше, чем HOCl и OCl^- , но они менее эффективны, чем оксиданты. Общий хлор, или остаточный общий хлор, представляют собой совокупность свободного и связанного хлора. U.S. Environmental Protection Agency (1976) рекомендует, чтобы долговременные концентрации общего остаточного хлора не превышали 0.002 мг/л для лососевых рыб и 0.01 мг/л для других водных животных. Для морских млекопитающих эти ограничения не были установлены, но на практике некоторые аквапарки пытаются поддерживать концентрацию общего хлора ниже 1-1.5 ppm, а свободного хлора  на уровне 50% от общего. Хлорирование воды для стерилизации водоемов с морскими млекопитающими неоднократно подвергалось критике, поскольку это может убивать доброкачественную микрофлору и инактивировать антимикробные вещества, секретируемые кожей дельфинов. Наконец, системы, основывающиеся на биологической фильтрации и физико-химических процессах для очистки воды без химической стерилизации, были подробно описаны.

Озон – это неустойчивый аллотроп кислорода, который можно генерировать, пропуская переменный ток высокого напряжения через разрядный промежуток в присутствии кислорода. Озон обычно используют как стерилизующий агент в публичных аквариумах и учреждениях, занимающихся аквакультурой. Хотя иногда озон применяется как обесцвечивающий агент (окисление красителя), хлорированная вода замкнутых бассейнов для морских млекопитающих содержит соединения, неподдающиеся озонированию. Озон – очень сильный окислитель, но к числу его недостатков относятся и высокие расходы из-за дороговизны основного оборудования и текущих затрат, а также определенный риск, который он создает для людей и водных обитателей. При применении озона следует иметь в виду 4 процесса: производство газа, его поглощение водой, время реагирования и удаление остаточного озона. В растворе озон может разлагаться и окислять вещества двумя способами. Молекулярный озон может реагировать с окисляемыми веществами непосредственно. Первичными продуктами реакции являются свободные радикалы, различные гидропероксиды и нестойкие промежуточные озониды. Вторым способом является косвенное взаимодействие окисляемых компонентов с радикалами, образовавшимися при разложении озона. Находящийся в растворе озон имеет период полураспада около 165 мин в чистой воде при 20С.

На химические свойства озона влияет присутствие брома (Br^-)  компонента, характерного как для пресной, так и морской воды. Он часто является примесью гранулированного хлорида натрия, и таким образом попадает и в искусственную морскую воду. Озон окисляет Br^- до активного бромина и далее – бромата. Бромид реагирует с озоном, образуя гипобромную кислоту (HOBr), а ион гипобромита (OBr^-) окисляется далее либо до бромата (BrO₃^-), либо до бромида. Озонация в присутствии бромида менее эффективна, поскольку Br^- восстанавливается из промежуточного продукта окисления OBr^-, вызывая каталитическое разрушение O₃^- и увеличивая потребность в озоне. Реакция осуществляется следующим образом:

O₃ + Br^- = O₂ + OBr^-

O₃ + OBr^- = 2O₂ + Br^-

2O₃ + OBr^- = 2O₂ + BrO₃^-

Для удаления остаточного озона описаны 4 метода: 1) увеличение времени контактирования; 2) пропускание обработанной воды через биофильтр или гранулированный активированный уголь; 3) удаление озона за счет применения колонок аэрации; 4) разрушение его с помощью UV-излучения высокой интенсивности. Озон вреден для водных организмов даже при очень низких концентрациях. Зарегистрированная минимальная летальная концентрация для рыб составила 0.01 мг/л. Он может окислять многие биохимические соединения, а формирование высоко реактивных свободных радикалов в ходе озонирования может повреждать связанные с мембранами энзимы и липиды. Для сохранения здоровья и безопасности людей необходимо контролировать концентрацию озона в воздухе, особенно вблизи установок-генераторов озона.