Фильтры для воды

Что такое питьевая вода?

Питьевой считается вода, пригодная к употреблению внутрь и отвечающая критериям качества - то есть вода безопасная и приятная на вкус. В мире эти критерии были утверждены Европейским Сообществом, а затем приняты с некоторой адаптацией каждой из стран. В нашей стране c 1 января 2002 года действует документ с названием "Санитарные правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01".

Что такое жесткая вода?

Одно из свойств воды - это ее способность, проходя в своем кругообороте через известковые породы, растворять минеральные вещества, в частности, кальций и магний. Жесткая вода содержит повышенное количество солей кальция и магния. Пожалуй, основной недостаток жесткой воды в том, что она оставляет после себя накипь, чем сокращает срок службы электроприборов.

Что есть в воде кроме самой воды?

Вода, предназначенная для употребления в быту, с точки зрения химии представляет собой довольно сложный "компот". В воде могут присутствовать:

Жидкие неорганические вещества
Это и есть собственно вода и растворенные в ней неорганические вещества. Чаще всего - соли и растворенные газы.

Жидкие органические вещества
Это органические вещества, не смешивающиеся с водой и образующие самостоятельную жидкую среду, причем эта среда может быть сложной по составу (например, нефтепродукты - бензин или мазут, а также фенол). Органические вещества могут быть летучими (испаряются при кипячении воды) или нелетучими (не испаряются при кипячении воды).

Твердые неорганические вещества
Это неорганические вещества, находящиеся в воде в нерастворенном состоянии и образующие самостоятельную твердую среду. Сюда относится, например, ржавчина.

Твердые органические вещества
Органические вещества, образующие отдельную твердую среду. В основном это продукты жизнедеятельности флоры и фауны, илистые отложения и твердые органические вещества, не растворимые в воде.

"Биофаза"
Микроорганизмы, присутствующие в воде: бактерии, вирусы, водоросли, споры и так далее.

Есть ли в природе чистая вода?
Скажем сразу, что химическое соединение H2O в чистом виде в природе не существует. Вода - универсальный растворитель, она растворяет в себе все, что встречает на пути. Наслаждаясь вкусом колодезной воды или употребляя воду из «кристально чистого» родника за околицей, мы вливаем в себя «компот», состав которого не смог бы воспроизвести, пожалуй, никто. Однако не стоит преждевременно впадать в панику.

Что такое загрязнение воды?
Загрязнение воды - это попадание в нее веществ, делающих воду непригодной для употребления человеком. Загрязнение воды может произойти на всех этапах кругооборота воды, даже в атмосфере, где вода содержится в виде облаков (а это значит, что дождевая вода не обязательно пригодна для питья).

Грязная вода
На самом деле, понятие "грязная" такое же условное, как и "чистая". Вода может быть безобразной на вкус и отвратительно пахнуть, но быть при этом абсолютно безвредной, а может иметь отличные вкусовые качества, быть кристально прозрачной и бесцветной, но являться смертельным ядом.

Кто следит за безопасностью воды?
В такой ситуации общество вынуждено взять на себя ответственность за безопасность потребляемого продукта. А для осуществления контроля ввести некие параметры, которым должна отвечать питьевая вода.
Эти параметры заложены в Санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах, действующих на всей территории России. Считается, что вода, отвечающая требованиям этих правил, безопасна и пригодна к употреблению. На самом деле, рамки этих правил зачастую определяются лишь техническими и финансовыми возможностями очистки воды из ее природного источника и контроля ее качества, а не реальными потребностями.
Проблема качества воды была, есть и будет оставаться одной из самых актуальных проблем для человечества. В настоящее время для питьевых целей зачастую необходимо производить доочистку даже водопроводной воды, которая, как известно, предварительно очищается на водопроводных очистных сооружениях (ВОС) до требований СанПиН «Вода питьевая», но к потребителю поступает уже загрязненной (это и загрязнения, попадающие в воду из магистральных сетей в связи с их износом и обрастанием; это и неприятный вкус воды в виду использования в качестве обеззараживающего реагента хлора). Что же тогда говорить о воде из скважины или поверхностного источника, не прошедшей даже предварительной обработки? Для хозяйственно-бытовых целей также необходима вода, прошедшая определенную обработку (например, во избежание образования накипи и отложений осадков в бытовых приборах, воду следует умягчать).

В полной мере судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и бактериологического анализа. На основе этих данных можно делать выводы о проблеме или комплексе проблем и, следовательно, оптимальным образом подобрать необходимое водоочистное оборудование.

В настоящее время существует большой выбор устройств, позволяющих довести исходную воду практически любого качества до уровня, соответствующего самым строгим нормативам. Эти устройства с некоторой долей условности принято называть фильтрами. Фильтры различаются по свойствам и целям своего применения, используемые методы очистки воды также разнообразны, но наибольшее распространение получили механические, химические, адсорбционные и мембранные. В вкратце рассмотрим некоторые из них.

Навигация по названиям:
Осадочные фильтры.
Фильтры-обезжелезиватели.
Фильтры-умягчители.
Угольные фильтры.
Ультрафиолетовые стерилизаторы.
Установки обратного осмоса.
Фильтрующие материалы.

Осадочные фильтры.

Предназначены для удаления из воды механических частиц, песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ. Для удаления относительно крупных частиц (свыше 20-50 мкм) применяют сетчатые или дисковые фильтры грубой очистки. Недостаток — сравнительно низкая грязеемкость, поэтому при сильном загрязнении воды или большой производительности они требуют частой промывки, что зачастую вызывает неудобство в их обслуживании. В этих случаях целесообразно применение автоматизированных систем засыпного типа.

Фильтры-обезжелезиватели.

Фильтры этого класса предназначены главным образом для удаления из воды железа и марганца, находящихся в растворенном состоянии. В качестве фильтрующей среды чаще всего используются вещества, включающие в свой состав двуокись марганца (Birm, Filox, Greensand, и т.п.). Двуокись марганца служит катализатором реакции окисления, при которой растворенные в воде железо и/или марганец переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Этот осадок задерживается в слое фильтрующей среды и в дальнейшем вымывается в дренаж при обратной промывке. В процессе окисления железа и марганца некоторые фильтры также эффективно удаляют растворенный в воде сероводород. Отдельные фильтрующие среды требуют регенерации перманганатом калия. При больших концентрациях железа и/или марганца применяют специальные методики, способствующие их более интенсивному окислению.

Фильтры-умягчители.

Это обширный класс устройств, предназначенных для снижения жесткости воды. Благодаря применению специальных засыпок фильтры этого типа могут обладать комплексным действием и способны также удалять из воды определенные количества железа, марганца, нитратов, нитритов, сульфатов, солей тяжелых металлов, органических соединений. В технологии умягчения воды широко применяют ионообменные смолы, которые представляют собой специально синтезированные полимерные нерастворимые в воде вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера – SO3Na (сильнокислотные катиониты). Фильтры этого типа требуют регенерации солевым раствором, и поэтому снабжены специальным баком для приготовления регенерирующего раствора (солевой бак).

Угольные фильтры.

Активированный уголь уже давно применяется в водоочистке для улучшения органолептических показателей воды (устранения постороннего привкуса, запаха, цветности). Благодаря своей высокой адсорбционной способности активированный уголь эффективно поглощает остаточный хлор, растворенные газы, органические соединения.

В настоящее время для увеличения ресурса работы применяют активированный уголь из скорлупы кокоса, адсорбционная способность которого в 4 раза выше, чем угля, получаемого традиционными методами (например, из древесины березы). Для борьбы с биологическим зарастанием применяют также специальные угли с бактериостатическими присадками.

Ультрафиолетовые стерилизаторы.

В последние годы наиболее распространенным методом борьбы с бактериологическим загрязнением (наличием в воде микробов и бактерий) является облучение воды ультрафиолетом. При этом параметры излучения подобраны таким образом, что гарантируют практически полную стерилизацию воды. В качестве стерилизаторов этого типа широко применяются специальные ультрафиолетовые лампы, смонтированные в жестком корпусе, внутри которого протекает вода, подвергаясь воздействию ультрафиолетового излучения.

Установки обратного осмоса.

Ключевой компонент такой системы — полупроницаемая мембрана (своеобразное «сито»). От ее качества и материала, из которого мембрана изготовлена, зависит степень очистки воды, достигающая 98-99% (т.е. поры мембраны пропускают воду, но не пропускают растворённые в ней примеси – ни вредные, ни полезные). Чтобы обеспечить нормальную работу системы, она комплектуется предварительными картриджными фильтрами, насосом и т.д. (в зависимости от параметров исходной воды). В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается очищенная вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос может обеспечить гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации. Недостаток таких систем для промышленного применения - это малая производительность и довольно высокая стоимость. Следует отметить, что при работе системы обратного осмоса в дренаж сбрасывается до 50-70% процентов очищаемой воды, т.е. на выходе пользователь получает лишь 30-50% (правда, очень хорошо очищенной – близкой к дистиллированной).

Фильтрующие материалы.

Фильтрующая загрузка - это основной рабочий элемент фильтровальных сооружений, поэтому правильный выбор ее параметров имеет первостепенное значение для их нормальной работы. При выборе фильтрующего материала руководствуются определенными техническими требованиями. К их числу относятся: надлежащий фракционный состав, степень однородности размеров зерен, механическая прочность (истираемость и измельчаемость), химическая стойкость материалов по отношению к фильтруемой среде.

Cыпучие фильтрующие среды и ионообменные материалы:
Birm
Manganese Greensand
Материал Catalox (Pyrolox)
Сорбент ОДМ-2Ф
Фильтрующая среда МЖФ
Активированные угли
Ионообменные смолы
Filter-Ag
Кварцевый песок


Наиболее частое применение, как в квартирных, так и в промышленных фильтрах получили сыпучие фильтрующие среды и ионообменные материалы. Рассмотрим некоторые из них.

Birm – это эффективный и экономичный фильтрующий материал для удаления соединений железа и марганца из воды. Birm может быть использован как в напорных, так и безнапорных системах. Birm действует как катализатор в реакциях взаимодействия растворенного кислорода с соединениями железа. Грунтовые (подземные) воды обычно содержат железо в форме бикарбоната, образующегося из-за избытка растворенного в воде углекислого газа (в данной форме железо не может быть удалено из воды путем фильтрации). Birm, действуя как катализатор реакции между кислородом и растворимыми соединениями железа, усиливает процесс окисления Fe2+ до Fe3+ с последующим образованием гидроксида железа, который легко может быть удален из воды посредством фильтрования. Загрязнения, накапливаемые засыпной средой Birm, легко могут быть удалены ее обратной промывкой.

Manganese Greensand - фильтрующая загрузка для удаления железа, марганца и сероводорода из воды. Он окисляет и осаждает растворенное железо и марганец за счет контакта с высшими оксидами марганца на гранулах марганцевого зеленого песка. Сероводород окисляется до серы. Осадок задерживается слоем фильтрующей загрузки и удаляется посредством обратной промывки. Для восстановления окислительной способности марганцевого зеленого песка следует провести его регенерацию слабым раствором перманганата калия. Для обычной регенерации достаточно использовать раствор, приготовленный из расчета 2-4 грамма (сухого веса) на литр фильтрующей загрузки. Рекомендуется своевременно проводить интенсивную обратную промывку фильтров с марганцевым зеленым песком (не дожидаясь полного исчерпания их окислительной способности), а также перед вводом в эксплуатацию.

Материал Catalox (Pyrolox) - 80-ти процентная руда марганца, сильнейший окислитель, способный удалять значительные количества железа. Важным преимуществом материала Catalox является его «живучесть». Благодаря низкому коэффициенту истираемости, он способен проработать до 10 лет. Именно такой срок указывают его производители. К сожалению, из-за неправильных условий эксплуатации фильтров-обезжелезивателей, в частности, из-за малых скоростей промывок, материал может потерять эффективность каталитического окисления растворенного железа, вследствие слеживаемости.

Сорбент ОДМ-2Ф - При выборе фильтрующей загрузки предпочтение отдается материалам, имеющим развитую удельную поверхность и большую межзерновую пористость. Плотность, пористость и насыпная масса ОДМ-2Ф позволили рекомендовать его для применения в процессах водоподготовки, в том числе на станциях централизованной подготовки воды в качестве загрузки скорых фильтров. При этом достигается экономия промывной воды до 80% по отношению к кварцевым пескам, что ведет к увеличению на 2-4% производительности фильтров при одинаковых режимах скорости подачи воды. Сорбент ОДМ-2Ф может использоваться в любой технологической системе очистки воды в качестве загрузки фильтров. Направление фильтрации - сверху вниз. Сорбент успешно применяется как в напорных, так и безнапорных фильтрах; в открытых и закрытых системах фильтрации. Может успешно использоваться для металлургической промышленности (для очистки воды от металлов и оксидов металлов), для химической промышленности (для очистки от различных примесей), а также, для доочистки от нефтепродуктов.

Фильтрующая среда МЖФ - Современная отечественная разработка в области фильтрующих материалов для удаления железа и марганца из воды. Получен в результате специальной обработки доломита, содержит в своих порах высокодисперсный каталитически активный диоксид марганца. МЖФ эффективно работает по очистке воды при высоких концентрациях железа в исходной воде (железо до 50 мг/л, марганец до 2 мг/л). Преимуществом этого материала также является способность корректировать рН очищаемой воды в результате нейтрализации образующихся в процессе фильтрования кислот. Регенерируется обратной промывкой.

Активированные угли -Одним из наиболее популярных адсорбентов, используемых для удаления из воды примесей и загрязнений, обусловливающих ухудшение органолептических показателей, является активированный уголь. Его применение обеспечивает возможность устранения почти всех привкусов и запахов воды, значительное улучшение технологических показателей обработки воды другими реагентами и, наконец, интенсификацию обеззараживания в результате сорбции простейших, бактерий и других микроорганизмов. При помощи активированных углей помимо веществ, ухудшающих вкус и запах воды, удаляются некоторые гербициды и инсектициды, вирусы и т.д. Надо отметить, что даже обратноосмотические установки обязательно содержат фильтры с активированным углем, т.к. сама мембрана не задерживает низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа) и бактерии. Современные активированные угли имеют высокое сопротивление истиранию и механическому воздействию при обратной промывке. Именно благодаря своей высокой абразивной стойкости активированный уголь способен выдерживать достаточно большое количество фильтроциклов, что делает его применение экономически оправданным не только в бытовых и коммерческих, но и в промышленных системах очистки воды. Срок службы активированного угля определяется его адсорбционной емкостью, которая различна по каждому из типов удаляемых веществ.

Ионообменные смолы - Широко применяются в технологиях умягчения воды. Ионообменные смолы подразделяют на гетеропористые, макропористые и изопористые. Гетеропористые смолы на дивинилбензоловой основе характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор. Макропористые имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера. Изопористые имеют однородную структуру и полностью состоят из смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих смол. По исчерпании рабочей обменной способности катионита его подвергают регенерации, т.е. восстановлению обменной емкости истощенного ионообменника путем пропуска через него раствора поваренной соли.

Filter-Ag - Безводный оксид кремния, используемый в качестве высокоэффективной фильтрующей загрузки для удаления взвешенных частиц. Гранулы Filter-Ag со значительной поверхностью фильтрации позволяют добиться высокой эффективности при удалении взвешенных частиц. Материал обладает рядом преимуществ по сравнению с другими фильтрующими загрузками, которые обычно используются для удаления взвешенных частиц. Filter-Ag представляет собой сравнительно легкие частицы, что, в свою очередь, требует меньших потоков воды для обратной промывки.

Кварцевый песок - Исторически первым и наиболее распространенным до настоящего времени видом фильтрующего материала является кварцевый песок – речной и карьерный. Применяется, в основном в осадочных фильтрах: в однослойных и многослойных скорых фильтрах и контактных осветлителях для подготовки хозяйственно-питьевой воды, а также для очистки промышленных и сточных вод.

В последние годы в качестве загрузки фильтров все чаще находят применение природные цеолиты. Конструктивное решение цеолитовых фильтров принимается с учетом производительности, местных условий, качества воды источника, требований заказчика и т.д. При использовании цеолита допускается применение фильтровальных сооружений различного типа и конструкции.

Преимущества

В условиях повсеместного роста загрязнения окружающей среды, особенно в промышленно развитых регионах, особую значимость приобретают материалы, способствующие улучшению ее экологического состояния. Проводимыми в нашей стране и за рубежом исследованиями установлено, что наиболее перспективным методом, обеспечивающим достаточную глубину очистки воды, является применение высокоадсорбционных материалов (активированный уголь, ионообменные материалы и ряд других), преимущество использования которых заключается в том, что с их помощью вредные примеси извлекаются из воды, не превращаясь в другие соединения, резко ухудшающие качество воды.
Одним из таких материалов является каркасный алюмосиликат, характеризующийся как высокоактивный сорбент, селективный ионообменник и молекулярное сито – цеолит. Цеолит является алюмосиликатом со скелетной структурой, содержащей пустоты, занятые крупными ионами и молекулами воды, имеющими значительную свободу движения, что приводит к ионному обмену и обратимой дегидратации.

Оксидная формула широко распространенного природного цеолита клиноптилолита имеет вид:
(К, Na, ½ Са)2 О*Al2O3*10SiО2*Н2О.

Самой примечательной особенностью цеолитов, практически определяющей специфические свойства этих минералов, является наличие системы пустот и каналов в их структуре, которые могут составлять до 50% от его общего объема, что обуславливает ценность цеолита как сорбента. Входные отверстия из каналов в полости цеолитов, образованные кольцами из стомов кислорода – наиболее узкие места каналов. Формой и размерами этих окон определяются величины ионов и молекул, которые могут проникнуть в полости, на чем основано применение цеолитов в качестве молекулярных сит.

Цеолиты, как ионообменники катионного типа, характеризуются высокой ионообменной селективностью к радиоактивным элементам, сорбционной способностью к тяжелым металлам, фенолу, аммонийному азоту.

Алюмосиликаты, обладающие высокой сорбционной способностью, обусловленной их большой ионообменной емкостью, сорбируют и различные микроорганизмы, вирусы. В результате экспериментальных и натурных исследований на водоочистных сооружениях установлено, что использование алюмосиликатов значительно повышает эффективность очистки от микроорганизмов и мелкодисперсных частиц. Установлена также высокая сорбционная способность в отношении энтеровирусов и бактериофагов. Кроме того, фильтрующая загрузка на основе цеолита обладает барьерными функциями по отношению к крупным органическим молекулам, в частности, по 3,4 бенз(а)пирену: до 90% !
Предприятие Сибирь-Цео работает с цеолитами уже более 10 лет, накоплен большой опыт использования цеолитов в практике водоподготовки; проведен ряд исследований. Полученные результаты позволяют утверждать, что цеолитовые фильтры не только доводят воду до норм СанПиН, но и делают её биологически активной.

Первой кто доказал, что особые свойства шунгита связаны с наличием фуллеренов, стала группа Григория Андриевского, работающая в Институте терапии Академии медицинских наук Украины. Когда работа над этой книгой уже подходила к концу, мне удалось встретиться с Григорием Андриевским в офисе фирмы "Викол" лично и задать ему все возникшие у меня вопросы.
- Григорий Владимирович! Среди специалистов по биомедицинским свойствам фуллеренов Вы считаетесь живым классиком. Впервые полученные и изученные Вами водные растворы фуллеренов в научном обиходе называют "растворами Андриевского". Поэтому позвольте начать с классического вопроса: как Вы пришли в науку и как начинались Ваши исследования?
- В химию я пришел не ради абстрактной науки, а чтобы приносить пользу людям. Не человечеству вообще - а реальным, живым и смертным людям. Что и привело меня в фармакологию. Это может показаться красивыми словами, но это действительно так. Конечно, не я первый человек, посвятивший жизнь поиску "эликсира долголетия". Другое дело, что мне и моим друзьям удалось заметно продвинуться в этом направлении. Мы стали первооткрывателями совершенно уникальных биологических и фармакологических свойств фуллеренов и вплотную подошли к их внедрению в практическую медицину. И здесь нам удалось опередить американцев, которые открыли Фуллерены.
- Вы биохимик?
- Не совсем. По исходному образованию я химик, а моя сегодняшняя специализация - биоорганическая химия, то есть стык физики, химии и фармакологии. Наша группа работает в Институте терапии АМН Украины в Харькове. Предыстория наших работ такова. Работал я в институте, который разделился на несколько научных центров, один из которых - это Институт биохимической физики имени Семенова. Академик Семенов - нобелевский лауреат, основатель Института, первооткрыватель цепных химических реакций с участием свободных радикалов - чрезвычайно активных промежуточных соединений, играющих громадную роль как в обычном горении, так и в биологических системах, а это непосредственно связано с нашей темой.
В свое время от Института биологической физики отделился сектор по биологическим и медицинским проблемам во главе с академиком Эммануэлем, который был основоположником изучения антиоксидантов. Это незаменимые для организма вещества, имеющие адаптогенные, иммуностимулирующие и радиопротекторные свойства. Более того - это вещества, без которых попросту невозможна жизнь. С изучения антиоксидантов и начинались наши работы, которые позже вывели нас на Шунгит и биохимию фуллеренов.
- Какие из известных препаратов можно отнести к антиоксидантам?
- Наиболее известны витамины С, Е, каротины, которые используются в медицине как сами по себе, так и в составе биогенных препаратов и продуктов - облепихового масла, масла из зародышей пшеницы, проростков. Эти непохожие друг не друга продукты и препараты широко известны и не нуждаются в рекламе. Они нормализуют все функции организма, включая репродуктивную, прекрасно лечат ожоги и раны, снимают усталость и депрессию, ускоряют обезвреживание печенью разного рода токсинов - то есть являются гепатопротекторами. Благодаря этому антиоксиданты входят в состав большинства косметических композиций и поливитаминных комплексов. Но главное, что объединяет антиоксиданты, - это механизм их действия.
- Но при чем тут Фуллерены?
- А при том, что среди антиоксидантов, известных к настоящему моменту, Фуллерены, точнее, их водные растворы являются самыми мощными, хотя механизмы их действия принципиально иные, чем у обычных антиоксидантов. Они действуют даже в сверхмалых дозах, а их действие даже после однократного приема длится месяцами.
О Фуллеренах мы сначала не знали ничего, кроме того, что они существуют и найдены в шунгите - минерале, придающем особые лечебные свойства знаменитым Марциальным водам. Лечебные свойства Марциальных вод тогда уже были заново открыты и изучены, но действующее начало найти так и не смогли. И тогда мы предположили, что лечебные свойства шунгитовых источников связаны с молекулярным углеродом.
Так что первые опыты с Фуллеренами мы начали с водяной вытяжки шунгита - сегодня такая вытяжка продается как косметическая вода "Роса". Чтобы проверить нашу гипотезу напрямую, мы вышли на американских коллег, которые получили химически чистые Фуллерены искусственно - в электрической дуге, но совершенно не представляли его биологических свойств. Отстают они и сейчас.
Под наши испытания американцы подарили нам всего лишь грамм Фуллерена - но этого грамма нам хватило на первые пять лет, за которые мы провели огромную массу экспериментов, раскрывших нам первые биологические тайны фуллеренов.
- Как же удалось опередить американцев в области, за которую они получили Нобелевскую премию?
- Очень просто. Синтезировав Фуллерены, наши американские коллеги не смогли перевести их в биологически активную форму - водный раствор. Они считали, что Фуллерены, как типично гидрофобные молекулы, в воде не растворяются, биологически инертны, и махнули на биохимию фуллеренов рукой.
Мы же не умели получать Фуллерены - но у нас уже был опыт работы с шунгитом, который содержал не просто Фуллерены, а гидратированные Фуллерены, способные экстрагироваться водой. У нас был большой опыт работы с другими антиоксидантами. Но самое главное, у нас была научная школа, позволявшая ставить проблемы, понимать и анализировать результаты экспериментов.
- В результате чего растворы синтетических фуллеренов в воде назвали "растворами Андриевского"?
- Да, назвали - но это не моя инициатива. Но задача была непростой, хотя мы знали, что она имеет решение. Для того чтобы Фуллерен растворился в воде, надо затратить определенную энергию, оторвать углеродные "мячики" друг от друга и заключить их в многослойную гидратную оболочку из ориентированных молекул воды, мешающих молекулам Фуллерена вновь слипнуться и выпасть в осадок. Нам удалось найти способ, как это делать, и даже запатентовать его. У нас уже есть патент Украины, идет оформление российского патента.
Видите эти пробирки? Вот в этой - желтый раствор шунгита в бензоле. А вот эта ярко-фиолетовая жидкость - полученный из него по нашей технологии раствор Фуллерена в воде. Весьма, кстати, очень и очень концентрированный. В терапевтических концентрациях раствор Фуллерена бесцветен.
Американцы пошли другим путем. Считая, что Фуллерены растворить нельзя, они пошли по пути химической модификации, присоединяя к идеальному "углеродному шару" дополнительные "хвосты". В общем-то вполне стандартный метод увеличения растворимости, аналогичный переработке парафина в водорастворимое мыло. Но химические производные фуллеренов оказались токсичными, в то время как чистые Фуллерены абсолютно нетоксичны - мы это многократно проверяли. Вот так мы опередили первооткрывателей.
- Григорий Владимирович! Так в чем существо Ваших открытий? Как действуют и что лечат Фуллерены?
- Прежде чем ответить на вопрос, остужу слишком горячий энтузиазм, в данном случае это не помешает.
Поскольку после Нобелевской премии тема фуллеренов и без того стала слишком модной, а наша беседа станет достоянием гласности, я хотел бы еще раз напомнить: официальная клиническая апробация наших препаратов на основе фуллеренов не завершена.
Пока шли только опыты на добровольцах, включая меня самого. Поэтому не следует подогревать ажиотаж и внушать несбыточные надежды больным. Да, у нас есть многообещающие результаты фундаментальных исследований, полученные в основном на животных и клеточных культурах. Но, пока препараты и методики не прошли проверки и апробации в установленном порядке, мы не имеем ни морального, ни иного права называть их лекарственными препаратами и лечебными методиками.
Поэтому предупреждаю: в случае серьезных заболеваний надо начинать лечение уже известными методами, ни в коем случае не затягивая диагностику и начало лечения. Впрочем, у нас есть официально признанные медициной растворы фуллеренов - минеральные воды шунгитовых источников и другие препараты из шунгита, но пока это бальнеология и парафармацевтика, но не фармакология.
Если говорить о фундаментальных свойствах фуллеренов, проявляемых как на уровне клетки, так и на уровне организма, то в первую очередь это - наиболее мощные из известных антиоксидантов, подавляющие процессы перекисного и свободнорадикального окисления.
Во-вторых, они нормализуют клеточный обмен веществ, усиливают активность ферментов и повышают устойчивость клетки, включая ее генетический аппарат, к внешним воздействиям, от нагрева до вирусного заражения. Повышается регенеративная способность тканей.
В-третьих, Фуллерены нормализуют нервные процессы, влияя на обмен нейромедиаторов, повышая работоспособность и устойчивость к стрессу.
Кроме того, Фуллерены имеют выраженное противовоспалительное и антигистаминное действие, благодаря чему снимают боли, подавляют широкий круг аллергических заболеваний и повышают иммунитет.
Что касается онкологии, то слушайте внимательно: да, Фуллерены снимают побочные эффекты лучевой и химической терапии и значительно - в полтора-два раза - тормозят рост опухолей. Но только тормозят, а не лечат! Поэтому Фуллерены, в принципе, не могут заменить ни лечения, ни, тем более, диагностики рака! Увы, это только хорошее вспомогательное средство при комплексной терапии рака, но сегодня даже в этом качестве Фуллерены официального признания в качестве лечебных препаратов пока не получили.
Но, повторюсь, главное свойство водных растворов Фуллерена - мощное антиоксидантное действие, способность снижать концентрацию свободных радикалов, перекисных соединений и других так называемых активных форм кислорода (АФК).
- Насколько я представляю, свободные радикалы - это короткоживущие, но крайне химически активные вещества, которые возникают при окислении, горении, радиоактивном облучении?
- Именно так. Это фрагменты молекул со свободной, ненасыщенной химической связью. Если нарисовать структурную формулу, то у свободного радикала одна палочка - то есть ненасыщенная связь не соединяет два атома, а торчит в пространстве, активно стремясь к чему-нибудь присоединиться. Впервые открытые нобелевским лауреатом академиком Семеновым свободные радикалы играют ключевую роль в процессах горения, окисления, тепловой и радиационной деструкции полимеров. Это не стойкие, но крайне агрессивные вещества, молекулы которых живут доли секунды, - и заканчивают тем, что окисляют окружающие биомолекулы.
Благодаря своему свойству окислять биомолекулы, включая генетический материал, в живой природе свободные радикалы "ответственны" за лучевую болезнь, воспалительные процессы, возникновение генетических дефектов. И как следствие - подавляют и Нарушают иммунитет, участвуют процессе старения и возникновения онкологии. Им противостоят антиоксиданты - вещества, которые "ловят" свободные радикалы до того, как они нанесут вред клеточным структурам. Образно говоря, они грудью заслоняют важные клеточные структуры, в первую очередь генетический аппарат, и, сгорая сами, обезвреживают свободные радикалы.
В состав любой живой клетки обязательно входят антиоксиданты- Аскорбиновая кислота, токоферолы - витамин Е, каротины и ряд других, недостаток которых у человека приводит к тяжелым нарушениям типа цинги, а некоторый их избыток значительно укрепляет иммунную и репродуктивную системы, ускоряет заживление и регенерацию тканей. Именно в этом и заключаются фармакологические свойства витаминов С и Е, каротинов и содержащих их препаратов - облепихового масла, масла зародышей пшеницы. Чувствуете закономерность? Загляните в Справочник лекарственных препаратов - там Вы найдете много дополнений.
Кстати, токоферолы не зря накапливаются в семенах, особенно в их зародышевой части: они защищают генетический аппарат ростка от химического повреждения активным кислородом в течение долгих лет спячки. А в ходе прорастания количество антиоксидантов в проростках вырастает еще в несколько раз: при интенсивном делении гены особенно уязвимы и нуждаются в особой защите. Отсюда, кстати, - особые лечебные свойства проростков, которые все шире используются в качестве лечебного продукта питания. А в основе действия - антиоксиданты.
- А откуда же берутся в организме свободные радикалы?
- Свободные радикалы образуются при самых различных процессах: под действием радиации, при горении, под
действием озона и других окислителей, включая и кислород воздуха. Возникают они и внутри живой клетки, особенно если клеточный обмен веществ расстроен. Например, твердо установлено, что воспалительные процессы сопровождаются значительным ростом уровня свободных радикалов. Резко повышено количество свободных радикалов и в опухолевых тканях.
- Таким образом, концентрация свободных радикалов - это и причина патологии, и следствие патогенных воздействий, и одновременно чувствительный диагностический показатель ?
- Безусловно. Дело в том, что при ряде патологических состояний причины и следствия заболеваний образуют порочный круг. Например, лучевое поражение, имеющее свободнорадикальную природу, приводит к воспалению, в ходе которого концентрация свободных радикалов в ткани продолжает расти, поражая все системы клетки, и в первую очередь - систему наследственности. Одним словом, "принцип домино". Для того чтобы началось выздоровление, этот причинно-следственный круг надо разомкнуть. И этого можно добиться с помощью антиоксидантов.
Вот, например, почему антиоксиданты в качестве радиозащитных средств действуют не только во время облучения, но и после него, когда свободные радикалы, возникшие в ходе облучения, уже сделали свое черное дело.
Ведь что такое обмен веществ? Это низкотемпературное каталитическое горение пищевых веществ, сгорающих до воды и углекислого газа. Но это горение проходит через целый ряд последовательных стадий, в ходе которых образуются различные промежуточные продукты окисления, в том числе и свободные радикалы. Эти цепочки превращений называют биохимическими циклами. В идеальных условиях промежуточные продукты обмена веществ не накапливаются. Но если одна из стадий биохимического цикла нарушена - допустим, один из ферментов дезактивирован температурой, то промежуточные продукты обмена веществ, часто ядовитые, начинают накапливаться и вызывают поражение ткани. Вот вам схематичная картина воспаления.
Грубо говоря, нарушение клеточного обмена веществ приводит к накоплению в клетках продуктов неполного сгорания пищевых веществ, включая свободные радикалы и другие формы активного кислорода. Такие нарушения обмена могут быть вызваны усталостью, старением, отравлением, ожогом, онкологическим перерождением - и во всех случаях антиоксиданты, особенно водные растворы фуллеренов, избирательно подавляют образование свободных радикалов, никак не тормозя обычного обмена веществ. В норме реакции окисления идут при посредстве строго определенных ферментов и в "специально отведенных местах" клетки - в митохондриях. А избыток свободных радикалов - это признак того, что пламя вырвалось из-под контроля и поджаривает клеточные структуры, и в первую очередь - генетический аппарат. И дополнительные антиоксиданты работают в качестве огнетушителей.
- Выходит, свободные радикалы - это универсальное разрушительное начало, квинтэссенция болезни, ответственная за старение, воспаление, онкологию, генетические нарушения, в то время как антиоксиданты - это универсальное защитное, жизнетворное начало? Борьба биохимических воплощений добра и зла, жизни и смерти?
- Да, именно так. Свободные радикалы вызывают хромосомные нарушения, а повреждение хромосом - это и старение, и онкология, и лучевая болезнь, и снижение иммунитета. Посмотрите, как тесно связаны эти явления! В организме постоянно идет борьба между здоровыми началами, системами биохимической защиты и факторами разрушения.
- Получается, что антиоксиданты - это панацея, "магическая пуля", убивающая болезни?
-Я ученый, и в панацею не верю. Лечить надо причины болезни, а нарушения бывают не только функциональными, но и органическими. Так что антиоксиданты, включая Шунгит и искусственные препараты фуллеренов скорее, резерв здоровья - адаптогены и стимуляторы и противоядия широкого действия, но никак не панацея.
- Кстати, чем же Фуллерены настолько лучше других антиоксидантов, что Вы бросили всё и занимаетесь только Фуллеренами?
- А что бы сделали Вы, получив стальной топор вместо каменного?
Фуллерены качественно превосходят все другие антиоксиданты по силе и продолжительности действия. У них другой механизм действия. Если классические антиоксиданты - это восстановители, которые расходуются в ходе реакции, то Фуллерены - это катализаторы рекомбинации, взаимоуничтожения свободных радикалов и не расходуются вовсе.
Если бы нобелевский лауреат Лайнус Полинг - открыватель витамина С, применивший аскорбиновую кислоту как иммуностимулятор и Антиоксидант, дожил бы до эпохи фуллеренов, он поступил бы, как я. Кстати во многом благодаря регулярному употреблению повышенных доз витамина С Полинг дожил до 90 с лишним лет. А поскольку по своему действию Фуллерены аналогичны витаминам, С 60 можно смело назвать "витаминной формой углерода".
Так, Фуллерены как антиоксиданты в сотни и тысячи раз эффективнее, чем те же витамины С и Е. Откуда такая разница? Напомню, что молекула обычного антиоксиданта - средство одноразовое. Встретив свободный радикал, она гибнет, модифицируется, образуя с ним безвредное соединение. На нейтрализацию одного радикала идет одна молекула антиоксиданта. Око - за око, зуб - за зуб.
А молекула Фуллерена действует по-другому. Свободные радикалы могут не только атаковать соседние биомолекулы, но и соединиться друг с другом - рекомбинировать, образовав безвредный продукт. Но для этого они должны встретиться, что при низких концентрациях маловероятно. А фуллереновый шарик имеет свойство собирать на своей поверхности свободные радикалы, которые довольно прочно "прилипают" к нему, встречаясь на его поверхности, и рекомбинируют, соединяясь друг с другом, - а Фуллерен остается сам собой. "Сватая" друг с другом свободные радикалы, Фуллерен ускоряет их рекомбинацию в сотни и тысячи раз. Таким образом, Фуллерен работает точно так же, как каталитический нейтрализатор выхлопных газов на автомобиле, - он "дожигает" на своей поверхности свободные радикалы, не меняясь сам, - и тем самым очищает внутреннюю среду организма.
Поэтому даже микродозы Фуллерена - сотые и тысячные доли процента - действуют так же эффективно, как в десятки раз большие дозы других антиоксидантов. И после однократного введения фуллеренов в организм их действие длится неделями и месяцами.
- Насколько быстро Фуллерен выводится из организма? Какова его фармакокинетика?
- Сами по себе немодифицированные Фуллерены очень инертны и как следствие малотоксичны. Они выводятся через почки в неизменном виде, и достаточно медленно. Фуллерены накапливаются в печени, являясь при этом активными гепатопротекторами - то есть препаратами, защищающими печень от токсических воздействий и ускоряющими нейтрализацию токсинов. Гепатопротекторные свойства фуллеренов мы изучали очень подробно и глубоко. Здесь мы подходим к другому биологическому свойству Фуллерена - антитоксическому действию, способности ускорять обезвреживание ядов и токсинов самой разной природы.
- Включая ожоговую интоксикацию? Вы хотите сказать, что внутренние токсины, возникающие при ожогах и других некротических процессах, имеют свободнорадикальную природу?
- Именно. Мы проводили эксперименты на животных по ожоговому стрессу, и все закономерности действия фуллеренов сохраняются и тут. Интоксикация снижается, заживление ускоряется.
- А лучевые ожоги и лучевая болезнь? Изучались ли радиозащитные свойства фуллеренов?
- Специально радиопротекторные свойства Фуллерена не изучались - нельзя объять необъятное. Но проводились опыты на добровольцах - онкологических больных, проходящих курс лучевой терапии. Так вот, у наших добровольцев картина крови - уровень гемоглобина и другие показатели - восстанавливалась в течение двух недель после облучения. Обычно после такого курса лучевой терапии картина крови восстанавливается через три-четыре месяца Здесь же Фуллерены защитили прежде всего наши красные кровяные тельца и кроветворную систему.
- Значит, Фуллерены все же обладают радиопротекторными свойствами?
- Уточняю: радиопротекторы - вещества, эффективные ДО облучения. А Фуллерены эффективны как до, так и после облучения - хотя, сами понимаете, с лечением лучевых поражений лучше не запаздывать.
- Вы сказали, что Фуллерены существенно повышают жизнестойкость, включая иммунитет и другие показатели, определяющие "биологический возраст" организма и его систем. Не пытались ли Вы хотя бы приблизительно оценить, насколько Фуллерены продлят средний срок жизни при их систематическом применении?
- Ну вот, опять мы вернулись к вопросу о панацее. Панацеи не бывает. Можно применять самые лучшие и эффективные препараты - и в то же время вести самый нездоровый образ жизни, вредить собственному здоровью, сводя их действие на нет. Но в принципе, при системном применении наши препараты здорово защищают от многих и многих патологий. Строго говоря, Фуллерен - не лекарство в обычном смысле слова. Лекарство лечит определенную болезнь, а Фуллерен действует на системном уровне. Фуллерен вообще не вписывается в обычную фармакологическую классификацию, поскольку действует, не изменяясь. Но в целом я бы определил его, как адаптоген и иммуномодулятор широкого спектра действия.
Это хорошо вписывается в гипотезу, считающую Фуллерены той первичной углеродной матрицей, на основе которой возникла сама жизнь.
- Вы говорите об участии фуллеренов в происхождении жизни. Но если Фуллерены и сегодня - экзотика, то откуда они могли взяться в "первичном бульоне" 3-4 млрд лет назад, причем в заметном количестве?
- Вопрос интересный - в том числе для меня самого. Потому что, занимаясь биохимией, рано или поздно выходишь на проблему эволюции биохимических систем и, соответственно, на проблему возникновения жизни. Действительно, откуда могли взяться Фуллерены в архейскую и протерозойскую эры и почему их нет сегодня? Тут надо вспомнить, что Фуллерены получают при электрическом разряде в атмосфере, содержащей углерод. Судя по всему, в первичной земной атмосфере, где было много углекислого газа, определенный процент метана и достаточно мало кислорода, Фуллерены могли образовываться под действием атмосферных разрядов. Тут, кстати, не мешало бы повторить классические опыты по химической эволюции "первичного бульона", проверив смесь на наличие фуллеренов. За сотни миллионов лет благодаря своей химической инертности Фуллерены могли накопиться сначала в Океане, а потом и в живой материи. Возможно, именно так Фуллерены вошли в состав шунгита, возникшего из донных биогенных осадков свыше двух миллиардов лет назад. В те времена Фуллерены были, судя по всему, широко распространены и входили в состав живой материи. Позже, когда растения изменили состав первичной земной атмосферы, заменив углекислый газ кислородом, образование фуллеренов при грозовых разрядах прекратилось, и они исчезли из окружающей среды, поскольку живая материя могла Фуллерены накапливать и использовать, но не синтезировать.
Таким образом, в "первичном бульоне", в котором возникла жизнь, вполне могли быть заметные количества фуллеренов, игравшие значительную роль в обмене веществ древнейших организмов. Но позже Фуллерены исчезли из природной среды, оставшись, пожалуй, только в шунгите как своего рода "геологических консервах".
Изучая Фуллерены, не устаешь удивляться тому, насколько естественно они вписываются в физиологию клетки. Похоже, что мы имеем дело со скрытой потребностью живых организмов в Фуллеренах, заложенной на ранних этапах эволюции, когда Фуллерены были широко распространены в природе.
Если продолжить тему "первичного бульона", то хотелось бы обязательно сказать о другом уникальном свойстве фуллеренов - способности структурировать воду. Мы уже говорили, что Фуллерены растворяются в воде с большим трудом. Зато если они растворены, вокруг каждого шара образуется многослойная оболочка из правильно расположенных молекул воды, примерно в десять молекулярных слоев. Эта водяная, иначе говоря гидратная, оболочка молекулы Фуллерена и есть структурированная вода.
Сколько воды может структурировать фуллерен? Поскольку диаметр гидратной оболочки десятикратно превышает поперечник углеродной сферы, ее объем, а, соответственно, и масса структурированной Фуллереном воды будет пропорциональна кубу линейного размера - и превысит массу Фуллерена примерно в тысячу раз. Таким образом, Фуллерен структурирует в сотни раз большую массу воды. Иначе говоря, что уже сотые доли процента Фуллерена способны структурировать значительную долю раствора. Видите? Фуллерен и здесь действует в малых и сверхмалых дозах. По своим свойствам структурированная вода, окружающая молекулу Фуллерена, существенно отличается от обычной. В частности, она замерзает не при 0, а при - 2, 8°. Когда мы берем результаты достаточно старых исследований о плавлении воды, окружающей биомолекулы, мы получаем ту же самую цифру. Таким образом, в растворе выделяется два сорта воды: структурированная вода, окружающая Фуллерен и биомолекулы, и свободная вода. При выпаривании растворов в первую очередь испаряется именно свободная вода. Такая же водная оболочка с пониженной температурой плавления образуется вокруг молекул ДНК, в растворах ферментов.
Например, рассчитано, что на одно звено двойной спирали ДНК приходится 24 молекулы структурированной воды. В непосредственной близости от молекулы Фуллерена находятся 22 молекулы воды. И сегодня биохимики все больше убеждаются, что физиологическое состояние клеточных структур во многом зависит от состояния этой водной оболочки биомолекул и их активных центров. И Фуллерены, структурируя воду, стабилизируют и защищают окружающие биомолекулы, что также подтверждено экспериментально.
- В чем это проявляется и насколько?
- Присутствие в растворе фуллерена повышает устойчивость биомолекул - белков, ДНК к тепловым воздействиям. Что такое смерть от перегрева или ожог? Это прежде всего денатурация - необратимое разрушение тонкой, вторичной структуры белков, после чего белки способны служить не более, чем пищей. Раньше считалось, что температура денатурации - величина для каждого белка постоянная. Оказалось, что это далеко не так - а дело в стабильных водных структурах, образуемых фуллеренами.
В присутствии фуллеренов температура денатурации белка повышается на 5-10°, что, по меркам биологии, исключительно много. Например, нормальную температуру тела 36, 5° отделяют от порога тепловой смерти - около 42° - те же 5°. Такое резкое повышение устойчивости биомолекул к перегреву в присутствии фуллеренов - еще одна научная сенсация.
Изучая влияние фуллеренов на работу ферментов, мы обнаружили, что не только возросла температура их денатурации, при которой они перестают работать, но их активность при повышенных температурах повышается. Как известно, кривая скорости биохимических реакций плавно растет с температурой, достигает максимума - обычно где-то на уровне максимальной температуры тела, после чего идет на спад: высокая температура приводит к денатурации фермента и потере его активности. А фуллерены сдвигают максимум этой кривой в область высоких температур.
Когда мы нагревали раствор до температуры, при которой фермент должен был разрушиться, - он начинал работать еще активнее. И таких данных по повышению тепловой устойчивости биомолекул сегодня накапливается все больше.
- А на уровне целого организма это проявляется?
- Фуллерены повышают тепловую устойчивость всего организма, в том числе и млекопитающих. Так что прием фуллеренов в числе прочего повысит Ваши шансы на выживание в пустыне.
- И появится новый вид допинга в беге и велосипедных гонках?
- Возможно. Поле деятельности тут поистине безгранично. Работы по фуллеренам быстро расширяются.
Помимо нас сегодня эксперименты с фуллеренами ведутся в МГУ, Институте иммунологии и других научных центрах мирового уровня.
- Каковы Ваши ближайшие планы?
- Они достаточно очевидны. Первый этап фундаментальных исследователей закончен. Настает этап внедрения разработанных нами препаратов в широкую медицинскую практику. Собственно, ради этого все и начиналось.