ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ПОЛИАКРИЛАМИДА С КАТИОНАМИ ЦИНКА И МЕДИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ РИСКОВ МИКРОБНОЙ КОНТАМИНАЦИИ ОБЪЕКТОВ ВНУТРИБОЛЬНИЧНОЙ СРЕДЫ Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

ОЦЕНКА РИСКА В ЭПИДЕМИОЛОГИИ_

УДК 579.63: 544.032.7 DOI: 10.21668^еа№^к/2023.1.09

Научная статья

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ПОЛИАКРИЛАМИДА С КАТИОНАМИ ЦИНКА И МЕДИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ РИСКОВ МИКРОБНОЙ КОНТАМИНАЦИИ ОБЪЕКТОВ ВНУТРИБОЛЬНИЧНОЙ СРЕДЫ

12 2 2 2 М.В. Кузнецова ' , Е.В. Афанасьевская , Н.В. Николаева , Э.С. Горовиц ,

А.С. Аверкина3, И.Н. Феклистова4, В.А. Вальцифер3

1Институт экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской академии наук (УрО РАН) - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ПФИЦ УрО РАН), Россия, 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

2Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера, Россия, 614000, г. Пермь, ул. Петропавловская, 86

3Институт технической химии Уральского отделения Российской академии наук (УрО РАН) - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ПФИЦ УрО РАН), Россия, 614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 3

4Белорусский государственный университет, Республика Беларусь, 220030, г. Минск, пр. Независимости, 4

Проблема микробной контаминации - попадания инфекционных агентов на объекты внутрибольничной среды наиболее значима для медицинских организаций. Для борьбы с микробной адгезией и колонизацией перспективным может быть нанесение на абиотическую поверхность тонкой полимерной пленки, выступающей в качестве депо антибактериального вещества.

Исследована антибактериальная активность 5%-ных растворов CuSO4 и ZnSO4 и их композиций с различными типами ПАА в концентрации 0,075 % в отношении референс-культур Escherichia coli, Klebsiella рпеитотае, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus. Использование ПАА в качестве ростового субстрата, а также антимикробную активность растворов и композиций оценивали на агаризованной и в жидкой питательных средах.

Выявлено, что культуры бактерий не использовали ПАА в качестве единственного источника питания при росте в жидкой минеральной среде и на ПАА-пленках, сформированных на стекле и пластике. На микроорганизмы, культивируемые на твердых и жидких питательных средах, более выраженное ингибирующее действие оказывал 5%-ный раствор ZnSO4. Добавление полимеров ПАА «Праестол 857» и ПАА «Праестол 2530» к растворам катионов

© Кузнецова М.В., Афанасьевская Е.В., Николаева Н.В., Горовиц Э.С., Аверкина А.С., Феклистова И.Н., Вальцифер В.А., 2023

Кузнецова Марина Валентиновна - доктор медицинских наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной биотехнологии, профессор кафедры микробиологии и вирусологии (e-mail: [email protected]; тел.: 8 (342) 212-44-76; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2448-4823).

Афанасьевская Елизавета Викторовна - кандидат медицинских наук, доцент кафедры микробиологии и вирусологии (e-mail: [email protected]; тел.: 8 (342) 36-44-85; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3498-6459).

Николаева Нина Владимировна - кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии и вирусологии (e-mail: [email protected]; тел.: 8 (342) 36-44-85; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6799-5503).

Горовиц Эдуард Семенович - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой микробиологии и вирусологии (e-mail: [email protected]; тел.: 8 (342) 36-44-85; ORCID: http://orcid.org/0000-0003-4320-8672).

Аверкина Анастасия Сергеевна - кандидат технических наук, сотрудник лаборатории многофазных дисперсных систем (e-mail: [email protected]; тел.: 8 (342) 237-82-81; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6833-2867).

Феклистова Ирина Николаевна - кандидат биологических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией молекулярной генетики и биотехнологии (e-mail: [email protected]; тел.: +375 (17) 209-58-86; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8669-3666).

Вальцифер Виктор Александрович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе (e-mail: [email protected]; тел.: 8 (342) 237-82-50; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8671-739X).

металлов Cu2+ и Zn2+ достоверно увеличивало диаметр зоны подавления роста бактерий на агаризованной среде. В жидкой среде соли обоих металлов ингибировали рост и жизнеспособность всех изученных микроорганизмов уже в концентрации 0,16 % и меньше. Добавление в среду ПАА «Праестол 2530» несколько снижало антибактериальное действие солей металлов, тогда как ПАА «Праестол 857» практически не влиял на бактериостатическое и бактерицидное действие солей металлов.

Таким образом, применение полученных композитных растворов, где в качестве антибактериального компонента выступают CuSO4 или ZnSO4, иммобилизованные в матрице ПАА, для дезинфекции объектов внутрибольничной среды представляется перспективным и может существенно снизить риски возникновения нозокомиальных инфекций.

Ключевые слова: риски микробной контаминации, CuSO4, ZnSO4, полиакриламиды (ПАА), металлополимерные композиции, антимикробное действие, внутрибольничная среда.

Контаминация абиотических поверхностей патогенными и условно-патогенными микроорганизмами представляет существенную угрозу для здоровья человека и сельскохозяйственных животных [1]. Проблема микробной контаминации - попадания инфекционных агентов на объекты среды - наиболее значима для медицинских организаций, в первую очередь, отделений реанимации, экстренной хирургии и комбустиологии [2, 3]. Таким образом, возникают риски развития внутрибольничной инфекции. Официальное многоцентровое исследование распространенности нозокомиальной инфекции, проведенное сотрудниками Всемирной организации здравоохранения в 50 клиниках 14 стран, показало, что у 8,7 % госпитализированных пациентов, а это свыше 1,4 миллиона человек в мире, возникают инфекционные осложнения [4]. Их развитие требует проведения дополнительных диагностических и лечебных процедур, что увеличивает продолжительность пребывания больного в стационаре и приводит к существенным экономическим затратам. Кроме того, из-за возникающих осложнений значительно ухудшается качество жизни пациента и возрастает риск неблагоприятного исхода основного заболевания [2].

Согласно исследованиям М. Robakowska и со-авт. (2017), при проведении бактериологического контроля в многопрофильном стационаре микробное загрязнение было обнаружено в 20 % смывов, взятых с предметов внутрибольничной среды [5]. В медицинских организациях профилактика инфицирования, связанного с циркуляцией и персистиро-ванием микроорганизмов на объектах и оборудовании, осуществляется с помощью дезинфицирующих средств различной природы [3, 5]. Большинство из них действуют непосредственно в момент обработки поверхности либо в течение очень непродолжительного времени. Кроме того, в настоящее время наблюдается рост резистентности большинства клинически значимых бактерий к применяемым в клиниках дезинфектантам [6]. Для борьбы с микробной адгезией и колонизацией перспективным может быть нанесение на атакуемую поверхность тонкой полимерной пленки, содержащей антибактериальные вещества. Повышение эффективности таких дезинфектантов обусловлено пролонгированием их действия благодаря полимерной основе материала, выступающего в качестве депо биоцида.

Как известно, соли металлов, и в частности Cu и Zn, обладают широким спектром антибактериальной активности [7-10], а полиакриламиды (ПАА) играют важную роль в металлополимерных композициях -действуют как восстановители и / или выступают в качестве матрицы для агрегации ионов или наноча-стиц металла [11]. Свойства металлокомпозитов и их применение в качестве антибактериальных материалов активно изучаются [12]. Тем не менее, по нашим данным, сравнение антимикробной активности ме-таллосодержащих коллоидных растворов ПАА, различающихся по физико-химическим свойствам, в отношении ряда патогенных и условно-патогенных микроорганизмов не проводилось.

Цель исследования - изучить антимикробную активность новых металлополимерных композиций CuSO4 и ZnSO4 с полиакриламидами.

Методы и материалы. Исследуемые растворы и композиции. В работе использовали 5%-ный раствор CuSO4, 5%-ный раствор ZnSO4, различные типы полиакриламидов (ПАА) в концентрации 0,075 %: ПАА «Праестол 806», ПАА «Праестол 857», ПАА «Праестол 2510», ПАА «Праестол 2530», а также 5%-ный раствор CuSO4 в ПАА «Праестол 857», 5 % ZnSO4 в ПАА «Праестол 857», 5%-ный раствор ZnSO4 в ПАА «Праестол 2530» (получены из Института технической химии УрО РАН, г. Пермь). ПАА представляют собой полимеры акриламида, которые, растворяясь в воде, используются для ге-леобразования жидкостей и формирования пленочных покрытий. Приблизительный молекулярный вес в интервале 8-14 млн ПАА «Праестол 806» и ПАА «Праестол 857», растворяясь в воде, приобретают положительный заряд, ПАА «Праестол 2510» и ПАА «Праестол 2530» - отрицательный.

Бактериальные штаммы. В качестве тест-объектов использовали культуры штаммов: Escherichia coli АТСС®25922, Klebsiella pneumoniaе АТСС®700603, Pseudomonas aeruginosa АТСС®27853, Staphylococcus aureus АТСС®25923 (получены из Государственной коллекции патогенных микроорганизмов ГИСК им. Л.А. Тарасевича (сейчас ФГБУ НЦЭСМП Минздрава России, г. Москва).

Использование ПАА в качестве ростового субстрата. Способность использовать бактериями ПАА в качестве единственного ростового субстрата изучали в жидкой и на агаризованной средах, а также на абиотических поверхностях. В первом вари-

анте в пенициллиновые флаконы с 2 мл безазотистой минеральной среды (Ы) состава (г/л): КН2Р04 -1,0; К2НР04 ■ 3Н20 - 1,6; Naa - 0,5; MgS04 ■ 7Н20 -0,5, СаС12 - 0,005; FeS04 ■ 7Н20 - 0,01; СоС12 ■ 6Н20 -0,01 (рН 7,2 ± 0,2) вносили 100 мкл суспензии (106 клеток/мл) каждого вида бактерий и ПАА до концентрации 0,075 %. Контролем служили варианты со средой N без добавления ПАА (отрицательный контроль) и со средой Луриа - Бертани (ЬВ-среда, положительный контроль). Культуры инкубировали при 37 °С без перемешивания и на качалке со скоростью перемешивания 120 об./мин в течение 7 сут. На агаризованной среде N (2-й вариант) из 1 мл формировали пленку каждого типа ПАА, ее высушивали и шпателем наносили на поверхность суспензию бактерий (100 мкл, 106 клеток/мл). Контролем служили ^агар без добавления ПАА (отрицательный контроль) и ЬВ-агар (положительный контроль). В качестве абиотических поверхностей использовали стеклянные и пластиковые чашки Петри, на дне которых из 1 мл раствора формировали ПАА-пленку каждого типа, суспензию бактерий наносили, как описано выше. Контролем служила поверхность без предварительной обработки ПАА.

Способность использовать ПАА в качестве источника углерода или азота изучали в иммунологических плоскодонных планшетах, для чего в лунки с 200 мкл безазотистой минеральной среды N вносили хлорид аммония до конечной концентрации 5 мМ либо глюкозу до конечной концентрации 0,1 %, а также ПАА различных типов до концентрации 0,075 % в качестве источника углерода или азота соответственно. Затем в лунки инокулировали 10 мкл суспензии (106 клеток/мл) каждого вида бактерий. Контролем служили лунки с добавлением только ПАА (ПАА как единственный источник питания, аналогично первому эксперименту), без добавления ПАА (отрицательный контроль) и со средой ЬВ (положительный контроль). Планшеты инкубировали при 37 °С без перемешивания и на качалке со скоростью перемешивания 120 об./мин в течение недели. Рост бактерий оценивали по величине оптической плотности (ОП) клеточной суспензии, измеряемой на микропланшетном ридере PowerWаve X (В^ек, США) при 1 = 600 нм.

Оценку действия солей металлов на бактерии осуществляли методами диффузии в агаре и двукратных серийных разведений в микропланшетах с определением показателей МПК (минимальная подавляющая концентрация) и МБК (минимальная бактерицидная концентрация) согласно [13, 14].

Оценка антимикробной активности растворов и композиций на плотной среде (диско-диффузионный метод и метод гель-диффузии). Бактериальные культуры выращивали в жидкой питательной среде ЬВ в течение 18-24 ч и стандартизовали до 106 клеток/мл. Подготовленную суспензию бактерий засевали «сплошным» газоном на ЬВ-агар в чашки Петри. Стерильные бумажные дис-

ки (d = 6 мм) накладывали на поверхность агара и пропитывали вышеперечисленными растворами и композициями (10 мкл), а также наносили капли аналогичного объема без диска. Далее посевы культивировали при 37 °С в течение 24 ч и оценивали антимикробный эффект по диаметру зоны ингиби-рования роста в мм.

Оценка антимикробной активности растворов и композиций в жидкой среде. Бактериальные культуры выращивали аналогично предыдущему методу. Бактериостатическое (минимальную подавляющую концентрацию, МПК) и бактерицидное (минимальную бактерицидную концентрацию, МБК) действие растворов солей металлов с добавлением ПАА и без такового изучали в лунках полистиролового иммунологического планшета традиционным методом, оценивая ОП600 культур и их рост после высева на LB агар из лунок с отсутствием видимого роста бактерий. Диапазон концентраций растворов солей металлов в моноварианте и в композициях составил 0,01-5 %.

Статистика. Эксперименты проводили не менее чем в трех повторностях, рассчитывали среднее арифметическое значение и стандартное отклонение. О достоверности различий между выборками судили по результатам /-теста (разница статистически достоверна при р < 0,05). Обработку данных проводили с использованием стандартных пакетов компьютерных программ Microsoft Office XP Excel и Statistica 10.0.

Результаты и их обсуждение. Способность бактерий использовать ПАА в качестве ростового субстрата. Все исследованные референс-культуры бактерий не росли ни в одном из вариантов опыта (отсутствие видимого роста) в течение их недельной инкубации в жидкой среде N с добавлением ПАА (табл. 1). Это свидетельствует, что данные микроорганизмы не использовали ПАА в качестве единственного источника питания. Тем не менее в этих условиях бактериальные клетки сохраняли жизнеспособность в растворах ПАА вплоть до седьмых суток. Как следствие, при высеве на LBA наблюдали формирование колоний (данные не представлены). Рост культур зафиксирован на ПАА-пленках, сформированных на агаризованной среде N, но только на седьмые сутки экспозиции. Видимого роста на ПАА-пленках, сформированных на стекле и пластике, не обнаружено. Кроме того, клетки грамотрицательных бактерий не сохраняли жизнеспособность в этих условиях, в отличие от S. aureus (кроме ПАА «Праестол 2530»).

С целью детализации изучения возможности использования бактериями различных типов ПАА в качестве источника углеродного или азотного питания тест-культуры культивировали в лунках полистиролового планшета на жидкой среде N с ПАА и 0,1%-ной глюкозой как источником углерода, либо с 5 мМ хлоридом аммония как источником азота, а также с глюкозой и аммонием в качестве контроля. Аналогично предыдущему эксперименту рост бактерий не был

П р и м е ч а н и е : представлены результаты 3/7 дня эксперимента: «-» - отсутствие видимого роста, «+» - видимый рост; * - экспозиция один день, учет жизнеспособности на LBA после смыва с поверхности; ** - экспозиция 1/7 дней, учет на LBA после смыва с поверхности.

Таблица 1

Рост и жизнеспособность* бактерий на ПАА как единственном источнике питания в различных

модельных системах

Вариант эксперимента Штамм

E. coli | K. pneumoniae | P. aeruginosa | S. aureus

ПАА «Праестол 806»

Жидкая среда N с аэрацией -/- -/- -/- -/-

Жидкая среда N без аэрации -/- -/- -/- -/-

Агар N -/+ -/+ -/+ -/+

Стекло * - - - 33 КОЕ/чашку

Пластик* - - - 7 КОЕ/чашку

ПАА «Праестол 857»

Жидкая среда N с аэрацией -/- -/- -/- -/-

Жидкая среда N без аэрации -/- -/- -/- -/-

Агар N -/+ -/+ -/+ -/+

Стекло - - - 12 КОЕ/чашку

Пластик - - - Без счета

ПАА «Праестол 2510»

Жидкая среда N с аэрацией -/- -/- -/- -/-

Жидкая среда N без аэрации -/- -/- -/- -/-

Агар N -/+ -/+ -/+ -/+

Стекло - - - 3 КОЕ/чашку

Пластик - - - 54 КОЕ/чашку

ПАА «Праестол 2530»

Жидкая среда N с аэрацией -/- -/- -/- -/-

Жидкая среда N без аэрации -/- -/- -/- -/-

Агар N -/+ -/+ -/+ -/+

Стекло - - - -

Пластик - - - -

Контроль (без добавления ПАА)

Жидкая среда N -/- -/- -/- -/-

Агар N -/+ -/+ -/+ -/+

Стекло * * +/- +/- +/- +/+

Пластик** -/- -/- +/- +/-

зафиксирован ни в одном из вариантов в жидкой минеральной среде с ПАА без дополнительных источников питания (рис. 1). Чаще бактерии росли на среде с ПАА и глюкозой, и в меньшем проценте случаев - на среде с добавлением хлорида аммония, это свидетельствует, что изученные акриловые полимеры могут быть использованы либо только как источники азота, либо как источники углерода. Статистический анализ полученных данных представлен в табл. 2.

Независимо от того, где применяются ПАА -в медицине или сельском хозяйстве, эти полимеры могут контактировать с различными микроорганизмами и подвергаться биодеградации. Большинство исследований по разложению ПАА, в которых подтверждается возможность использования этого полимера бактериями, проведены либо в почвенной среде, либо с почвенными штаммами микроорганизмов. Показано, что, несмотря на устойчивость полиакриламида к микробной деградации, он может использоваться бактериями в качестве источника энергии или азотного питания, что связано с

наличием у них амидазной активности [15-19]. Только в единичных работах указывается на возможность микробной деградации ПАА без дополнительных источников питания / энергии [20, 21]. Shanker et al. (1990) регистрировали, что добавление сульфата аммония в качестве дополнительного источника азота увеличивает способность к разложению акриламида [22]. Установлено, что в присутствии глюкозы этот процесс идет более активно. Предполагается, что бактерии, разлагающие ПАА, в большей мере гидролизуют боковые амид-ные группы полимера и в меньшей - расщепляют основную углеродную цепь [ 11]. Следует отметить, что микробные амидазы (например, ациламидогид-ролаза (КФ 3.5.1.4)) дезаминируют алифатические амиды до их карбоновых кислот и аммиака, и эта реакция является субстрат-специфической. Продукция амидазы рассматривается как видовой признак псевдомонад, а ацетамид входит в состав селективных сред для выделения и контроля чистоты культуры P. aeruginosa в клинической практике,

ОПбоо 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

IullWUL

NH4C1 Глюкоза Без

добавок

NH4C1 Глюкоза Без

добавок

NH4C1 Глюкоза Без NH4C1 Глюкоза Без

добавок

добавок

Е. coli К. pneumoniae Р. aeruginosa S. aureus

Контроль ПАА «Праестол 806» ПАА «Праестол 857» ПАА «Праестол 2510» В ПАА «Праестол 2530»

Рис. 1. Рост бактерий на ПАА как единственном субстрате либо источнике углеродного или азотного питания (без аэрации)

Таблица 2

Рост бактерий на ПАА как единственном субстрате либо источнике углеродного или азотного питания

Вариант Оптическая плотность, ед. (X = 600)

эксперимента А E. coli В K. pneumoniae C P. aeruginosa D S. aureus

ПАА «Праестол 806»

NH4Cl 1 0,201 ± 0,011 p3,19,25,C,D 1 0,248 ± 0,116 p25-D 1 0,364 ± 0,026 p3,7,25,A 1 0,439 ± 0,045 p3AB

N с аэрацией глюкоза 2 0,429 ± 0,201 P3 2 0,439 ± 0,286 2 0,262 ± 0,130 p25 2 0,375 ± 0,065 p3

без добавок 3 0,054 ± 0,017 p1,2,15,25,C 3 0,052 ± 0,026 p21 3 0,091 ± 0,002 p1,15,25,A 3 0,088 ± 0,005 pU

NH4Cl 4 0,147 ± 0,056 p5,6,26,D 4 0,285 ± 0,236 p26 4 0,346 ± 0,213 4 0,362 ± 0,016 p5,6,16,22,A

N без аэрации глюкоза 5 0,300 ± 0,096 p4,6,11,26,D 5 0,355 ± 0,266 5 0,341 ± 0,247 5 0,480 ± 0,017 p4,6,11,17,26,A

без добавок 6 0,063 ± 0,025 p4,5,12,24,26 6 0,058 ± 0,029 p18,24,26 6 0,078 ± 0,001 p12,26,D 6 0,074 ± 0,001 p4,5,18,26,C

ПАА «Праестол 857»

NH4Cl 7 0,173 ± 0,042 p9,25,D 7 0,109 ± ,062 p25,C,D 7 0,227 ± 0,049 p1,9,25,B,D 7 0,379 ± 0,059 p9,A,B,C

N с аэрацией глюкоза 8 0,296 ± 0,226 p25 8 0,246 ± 0,131 p25 8 0,261 ± 0,167 8 0,394 ± 0,027 p9

без добавок 9 0,082 ± 0,025 p7,12,25 9 0,063 ± 0,002 p12,25,C,D 9 0,093 ± 0,005 p7,12,25,B 9 0,092 ± 0,016 p7,8,12,25,B

NH4Cl 10 0,152 ± 0,032 p26'D 10 0,0178 ± 0,072 p26-D 10 0,333 ± 0,180 10 0,412 ± 0,036 p11,12,A,B

N без аэрации глюкоза 11 0,143 ± 0,016 p5,26,D 11 0,187 ± 0,060 p26,D 11 0,491 ± 0,211 11 0,593 ± 0,020 p5,10,26,A,B

без добавок 12 0,207 ± 0,055 p6,9,26,D 12 0,133 ± 0,063 p9,26 12 0,164 ± 0,034 p6,9,26,D 12 0,110 ± 0,026 p9,10,11,26,A,C

ПАА «Праестол 2510»

NH4Cl 13 0,166 ± 0,064 p25'D 13 0,144 ± 0,082 p25,C,D 13 0,251 ± 0,091 p25,B 13 0,381 ± 0,076 p15AB

N с аэрацией глюкоза 14 0,453 ± 0,203 p15'17 14 0,578 ± 0,213 p15,17,25 14 0,275 ± 0,109 p17,25,D 14 0,486 ± 0,037 p15,17,25,C

без добавок 15 0,099 ± 0,006 p3,H25 15 0,093 ± 0,007 p14,25,C 15 0,103 ± 0,006 p3,25,B,D 15 0,097 ± 0,007 p13,14,25,C

NH4Cl 16 0,150 ± 0,029 p26,B,D 16 0,282 ± 0,025 p18,25,A,D 16 0,260 ± 0,203 p26 16 0,435 ± 0,017 p4,26,A,B

N без аэрации глюкоза 17 0,206 ± 0,077 p14,26,D 17 0,238 ± 0,071 p14,18,26,D 17 0,389 ± 0,255 p14 17 0,622 ± 0,078 p5,14,16,18,26,A,B

без добавок 18 0,106 ± 0,037 p26 18 0,093 ± 0,037 p6,16,17,26 18 0,095 ± 0,014 p26 18 0,095 ± 0,006 p6,16,17,26

ПАА «Праестол 2530»

NHCl 19 0,124 ± 0,034 pl,25,D 19 0,211 ± 0,094 p25,D 19 0,228 ± 0,114 p25 19 0,380 ± 0,028 p21-A-B

N с аэрацией глюкоза 20 0,310 ± 0,265 20 0,374 ± 0,225 20 0,340 ± 0,135 20 0,392 ± 0,023 p21

без добавок 21 0,100 ± 0,041 p25 21 0,104 ± 0,003 p325 21 0,172 ± 0,061 p25 21 0,108 ± 0,007 p19,20,25

NH4Cl 22 0,206 ± 0,135 p26 22 0,202 ± 0,016 p24,26,C,D 22 0,326 ± 0,023 p24,26,B,D 22 0,400 ± 0,008 p4,23,24,B,C

N без аэрации глюкоза 23 0,247 ± 0,166 p26 23 0,352 ± 0,097 23 0,463 ± 0,138 p24 23 0,456 ± 0,016 p22,24

без добавок 24 0,123 ± 0,011 p6,26,B,D 24 0,236 ± 0,018 p6,22,26,A,C,D 24 0,116 ± 0,021 p6,22,23,26,B,D 24 0,075 ± 0,001 p22,23,26,A,B,C

Контроль

N с аэрацией глюкоза, NH4Cl 25 0,391 ± 0,008 p1,3,7,8,9,13,15,19,21 25 0,462 ± 0,012 p1,3,7,8,9,13,15,19,21 25 0,452 ± 0,015 p1,3,7,9,13,14,15,19,21,D 25 0,411 + 0,051 p9,14,15,21,D

N без аэрации глюкоза, NH4Cl 26 0,272 ± 0,027 p4,5,6,10,11,12,16,17, 18,22,23,24,B,C,D 26 0,576 ± 0,032 p4,6,10,11,12,16,17, 18,22,24,A,C,D 26 0,493 ± 0,087 p6,12,18,22,24,A,B,D 26 0,445 + 0,034 p5,6,11,12,16,17, 18,24,A,B,C

П р и м е ч а н и е : рп - показатель достоверно отличается от варианта n (t-test).

а также при исследовании объектов окружающей среды в США (инструкция APHA по исследованию воды, 1995, Washington, DC). Среди продуцентов амидазы есть и другие виды бактерий, в том числе колонизирующие организм человека - E. coli, K. pneumoniae, S. aureus, Enterococcus faecalis и Helicobacter pylori [23-25]. Однако субстратная специфичность их амидаз и возможность реакции с ак-риламидом и ПАА не подтверждены, так как в

большинстве случаев эти бактерии продуцируют только ферменты, гидролизующие амидную связь между остатком N-ацетилмурамовой кислоты в гликановой цепи и L-аланином пептидной части пептидогликана клеточной стенки, например, N-аце-тилмурамоил^-аланин амидаза [24]. Хотя некоторые из них являются конститутивными, синтез амидазы P. aeruginosa индуцируется амидами через регуляторный белок, кодируемый amiR, тогда как

Рис. 2. Фото чашек с результатами одного из экспериментов по определению антибактериального действия растворов диско-диффузионным методом (верх) и с капельным нанесением (низ): 1 - 5%-ный раствор CuSO4, 2 - 5%-ный раствор ZnSO4, 3 - 0,075%-ный ПАА «Праестол 857»; 4 - 0,075%-ный ПАА «Праестол 2530», 5 - композиция М04 + ПАА «Праестол 857»; 6 - композиция ZnSO4 + ПАА «Праестол 857»; 7 - ZnSO4 + ПАА «Праестол 2530»

Рис. 3. Антимикробная активность растворов солей Cu и Zn в комбинации с ПАА и без их добавления (диаметр ЗИР - диаметр зон подавления роста, капельный метод)

amiC отрицательно регулирует экспрессию этого фермента [ 26]. Клеточный механизм индукции амидазы полиакриламидами не ясен, так как полимер слишком велик, чтобы проникать в бактериальные клетки и действовать как прямой индуктор. Можно полагать, что более высокие ростовые показатели в вариантах с ПАА и дополнительным источником углерода / азота связаны с высвобождением углерода / азота из боковых амидных (ка-тионные ПАА) и карбоксильных групп (анионные ПАА). Интересно, что ПАА были предложены H.H. Tuson et al. (2012) как альтернатива агар-агару

для изучения роста бактерий на плотных питательных средах. Так, большинство грамотрицательных (E. coli, Proteus mirabilis, P. aeruginosa, Salmonella enterica serovar Typhimurium и Serratia marce-scens ATCC) и грамположительных (B. subtilis, S. epidermidis) штаммов бактерий росли на ПАА-гелях, сополимеризованных с акриловой кислотой, но показатель оптической плотности культур (ОП595) не превышал 0,3 ОЕ [27]. Данные, свидетельствующие, что представители клинически значимых микроорганизмов не используют ПАА в качестве единственного источника питания, а также медленные темпы их роста на среде с добавлением других субстратов, позволили перейти к следующему этапу исследования - оценке антимикробной активности полимерных металокомпозиций.

Оценка антимикробной активности метал-локомпозиций диско-диффузионным методом и методом гель-диффузии. Определена антибактериальная активность 5%-ных растворов сульфатов Cu и Zn в комбинации с ПАА «Праестол 857» и ПАА «Праестол 2530» в отношении тест-культур. Как и следовало ожидать, растворы полиакриламидов не оказывали влияния на бактерии, тогда как растворы сульфата Cu и Zn подавляли рост представителей всех исследованных видов с более выраженным действием 5%-ного раствора ZnSO4 (t-test; р = 0,019) (рис. 2, 3).

Следует отметить, что добавление полимеров к раствору ZnSO4 достоверно увеличивало зону подавления роста бактерий (t-test; р = 0,030 и р = 0,025 для ПАА «Праестол 857» и ПАА «Праестол 2530» соответственно). По-видимому, увеличение зон ин-гибирования роста бактерий в вариантах «соль металла + ПАА» связано с расширением площади по-

крытия поверхности агара металлическим композитом при обоих типах его нанесения. При этом следует отметить, что антибактериальный эффект композиции ZnSO4 с ПАА «Праестол 2530» был несколько более выражен, чем с ПАА «Праестол 857», хотя и различия статистически не значимы.

Оценка антимикробной активности в жидкой среде. Для оценки влияния полимеров на антибактериальную активность солей, увеличение которой выявлено на агаризованной среде, проведено определение МПК и МБК растворов солей металлов и четырех металлокомпозиций на жидкой питательной среде (табл. 3). Как и следовало ожидать, соли обоих металлов ингибировали рост и жизнеспособность всех изученных микроорганизмов, при этом и МПК, и МБК сульфата цинка в большинстве случаев были на 1-2 разведения меньше, чем у сульфата меди. Показатели МПК солей металлов во всех вариантах составили не более 0,16 %. Жизнеспособность бактерий в основном подавлялась при концентрации солей на одно или два разведения (для P. aeruginosa), превышающие МПК. Следует отметить и выраженную бактерицидную активность (МБК/МПК = 1) сульфата меди в отношении E. coli и K. pneumoniae. Добавление в среду ПАА в основном не влияло на антибактериальное действие солей металлов. Отмечено увеличение показателей МПК и МБК для ряда культур, но только в варианте с добавлением ZnSO4. Что касается зависимости антибактериального действия от типа полимера в данных условиях, то показатели МПК и МБК были выше при добавлении в среду ПАА «Праестол 2530». В ряде случаев зарегистрирована индукция антибактериального действия для солей меди.

Известно, что микроорганизмы чувствительны к воздействию солей тяжелых металлов, и поэтому последние активно используются для лечения некоторых инфекционных заболеваний человека и животных. Ингибирование роста бактерий ионами металлов связано с различными метаболическими процессами в прокариотических клетках, в том числе: с нарушением функции белков, продукцией активных форм кислорода и истощением антиоксидантов, а также с повреждением мембраны и генотоксично-

стью [28]. Механизмы и уровни токсичности металла варьируются у представителей различных таксонов. Так, в работе A. Singh et al. (2015) продемонстрирована высокая чувствительность E. coli, S. aureus и K. pneumoniae к солям цинка, при этом первые два представителя были более чувствительны по сравнению с K. pneumoniae, к тому же сульфат Zn в концентрации 10 мМ полностью подавлял рост трех штаммов бактерий [13]. Эти данные согласуются c наблюдениями D. Chudobova et al. (2015) [29] и с нашими исследованиями: показатели МПК ZnSO4 для всех изученных штаммов не превышали 0,08 % (соответствует 5 мМ). В большинстве работ показано, что соли Cu менее губительны для бактерий, чем соли Zn, хотя описаны также одинаково толерантные штаммы. Так, С.Б. Чекнев и соавт. (2015) выявили, что ингибирующее действие сульфата цинка в отношении бактерий S. aureus в 1,3-1,6 раза превосходило эффекты сульфата меди, тогда как в культуре P. aeruginosa антибактериальное действие сульфата меди сопоставимо с эффектами сульфата цинка [7]. В отношении стафилококков сходные данные показаны и в исследованиях H. Xue et al. (2015) - МПК солей Zn и Си для штаммов, изолированных от животных, отличались в 2 раза и составили 2 и 4 мМ соответственно [30].

Исследователи сходятся во мнении, что тщательная очистка и дезинфекция поверхностей внут-рибольничной среды в значительной мере снижают риски возникновения инфекции и являются важными элементами эффективных программ профилактики. Однако традиционная дезинфекция в стационарах не всегда оптимальна, этот процесс требует оптимизации, в том числе и за счет новых методов обработки, позволяющих пролонгировать действие биоцидов [31]. Одним из таких подходов может быть использование пленочных дезинфектантов, представляющих собой композиции из традиционных антибактериальных веществ и полимера, обеспечивающего длительную сохранность биоцида на поверхности. Учитывая, что добавление в среду ПАА существенно не влияло на бактериостатиче-ское и бактерицидное действие солей металлов (зафиксированное в единичных случаях некоторое

Таблица 3

Показатели МПК и МБК растворов Си804, ZnSO4 и их композиций с ПАА в отношении исследуемых

штаммов микроорганизмов

Вариант Штамм

E. coli K. pneumoniae P. aeruginosa S. aureus

МПК МБК МПК МБК МПК МБК МПК МБК

CuSO4 0,08 0,16 0,16 0,16 0,16 0,31 0,08 0,16

ZnSO4 0,02 0,04 0,04 0,08 0,08 0,31 0,02 0,08

CuSO4, ПАА* «Праестол 857» 0,08 0,16 0,08 0,16 0,16 0,63 0,08 0,16

CuSO4, ПАА «Праестол 2530» 0,08 0,16 0,08 0,16 0,16 0,63 0,08 0,16

ZnSO4, ПАА «Праестол 857» 0,02 0,08 0,08 0,16 0,08 0,31 0,02 0,04

ZnSO4, ПАА «Праестол 2530» 0,04 0,16 0,04 0,16 0,08 0,31 0,04 0,31

П р и м е ч а н и е : ПАА во всех вариантах в концентрации 0,075 %. Представлены результаты четырех сходных по показателям экспериментов из шести.

снижение может быть обусловлено погрешностями при подготовке разведений в густой среде ПАА), а при его нанесении на поверхность агара выявлено достоверное увеличение зоны ингибирования, можно сделать вывод, что представленная стратегия представляется перспективной.

Выводы. Обеспечение своевременных и эффективных санитарных и противоэпидемических мероприятий в медицинских учреждениях является важнейшей задачей по охране здоровья населения. Разработка и апробация новых дезинфицирующих средств пролонгированного действия в отношении возбудителей инфекционных заболеваний представляется насущной проблемой. Не случайно это направление научной деятельности - «Медицина и технологии живых систем, создание новых лекарственных препаратов, биомедицинские технологии жизнеобеспечения и защиты человека» - отражено в указе губернатора Пермского края от 1 ноября 2010 г. № 83 «Об основных направлениях научной и научно-технической политики Пермского края».

Нами выявлена антибактериальная активность растворов сульфатов Си и 2п в комбинации с ПАА в отношении референс-штаммов наиболее распространенных возбудителей инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи. Все культуры бактерий не использовали ПАА в качестве единственного источника питания при росте в жидкой минеральной среде и на ПАА-пленках, сформированных на стекле и пластике. Вероятно, одной из причин является высокая токсичность ПАА и продуктов их биотрансформации, а также отсутствие механизма утилизации высокомолекулярных соединений у изученных клинически значимых штаммов бактерий. В большинстве случаев культуры могли расти на данных субстратах только при добавлении в среду глюкозы. Выявлено, что на микроорганизмы, культивируемые на твердых и жидких питательных средах, более выраженное ингиби-рующее действие оказывал 5%-ный раствор 2^04.

Добавление полимеров ПАА «Праестол 857» и ПАА «Праестол 2530» к растворам металлов достоверно увеличивало диаметр зоны подавления роста бактерий на агаризованной среде. Данный эффект может быть связан с увеличением площади покрытия поверхности металлическим композитом, что подтверждает перспективность использования изученных композиций для дезинфекции. В жидкой среде соли обоих металлов ингибировали рост и жизнеспособность всех изученных микроорганизмов уже в концентрации 0,16 % и меньше. Добавление в среду ПАА «Праестол 2530» несколько снижало антибактериальное действие солей металлов, при этом ПАА «Праестол 857» практически не влиял на бактериостатическое и бактерицидное действие солей металлов.

Таким образом, полученные композитные растворы, где в качестве антибактериального компонента выступают С^04 или 2^04, иммобилизованные на матрице ПАА, потенциально могут быть использованы для дезинфекции объектов внутри-больничной среды и существенно снижать риски возникновения инфекции, связанной с оказанием медицинской помощи. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение эффективности созданных дезинфицирующих композиций в отношении клинически значимых видов бактерий с использованием различных типов абиотических поверхностей, имитирующих поверхности медицинского оборудования, мебели и т.д., для определения возможности их применения для снижения риска развития нозокомиальных инфекций.

Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках научного проекта № С-26/542 от 18.03.2021 г. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Исследования материалов и веществ» ПФИЦ УрО РАН.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Thakali А., MacRae J.D. A review of chemical and microbial contamination in food: What are the threats to a circular food system? // Environ. Res. - 2021. - Vol. 194. - Р. 110635. DOI: 10.1016/j.envres.2020.110635

2. Khan H.A., Baig F.K., Mehboob R. Nosocomial infections: Epidemiology, prevention, control and surveillance // Asian Pac. J. Trop. Biomed. - 2017. - Vol. 7, № 5. - Р. 478-482. DOI: 10.1016/j.apjtb.2017.01.019

3. Evidence that contaminated surfaces contribute to the transmission of hospital pathogens and an overview of strategies to address contaminated surfaces in hospital settings / J.A. Otter, S. Yezli, J.A.G. Salkeld, G.L. French // Am. J. Infect. Control. - 2013. - Vol. 41, № 5. - Р. S6-S11. DOI: 10.1016/j.ajic.2012.12.004

4. Prevention of hospital-acquired infections: a practical guide, 2nd ed. / ed. by G. Ducel, J. Fabry, L. Nicolle [Электронный ресурс]. - Geneva: WHO, 2002. - 64 p. - URL: https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/67350/WHO_CDS_ CSR_EPH_2002.12.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 07.12.2022).

5. Patient safety related to microbiological contamination of the environment of a multi-profile clinical hospital / M. Robakowska, M. Bronk, A. Tyranska-Fobke, D. Sl^zak, J. Kraszewski, L. Balwicki // Int. J. Environ. Res. Public Health. -2021. - Vol. 18, № 7. - Р. 3844. DOI: 10.3390/ijerph18073844

6. Reduced susceptibility and increased resistance of bacteria against disinfectants: a systematic review / U. Rozman, M. Pusnik, S. Kmetec, D. Duh, S. Sostar Turk // Microorganisms. - 2021. - Vol. 9, № 12. - Р. 2550. DOI: 10.3390/microorganisms9122550

7. Торможение роста бактерий в культурах Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa в присутствии катионов меди и цинка / С.Б. Чекнев, Е.И. Вострова, М.А. Апресова, Л.С. Писковская, А.В. Востров // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. - 2015. - № 2. - С. 9-17.

8. Concentration ranges of antibacterial cations for showing the highest antibacterial efficacy but the least cytotoxicity against mammalian cells: implications for a new antibacterial mechanism / C. Ning, X. Wang, L. Li, Y. Zhu, M. Li, P. Yu, L. Zhou, Z. Zhou [et al.] // Chem. Res. Toxicol. - 2015. - Vol. 28, № 9. - Р. 1815-1822. DOI: 10.1021/acs.chemrestox.5b00258

9. Role of copper in reducing hospital environment contamination / A.L. Casey, D. Adams, T.J. Karpanen, P.A. Lambert, B.D. Cookson, P. Nightingale, L. Miruszenko, R. Shillam [et al.] // J. Hosp. Infect. - 2010. - Vol. 74, № 1. - Р. 72-77. DOI: 10.1016/j..jhin.2009.08.018

10. Jaiswal S., McHale P., Duffy B. Preparation and rapid analysis of antibacterial silver, copper and zinc doped sol-gel surfaces // Colloids Surf. B. Biointerfaces. - 2012. - Vol. 94. - Р. 170-176. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.01.035

11. Transfer and degradation of polyacrylamide-based flocculants in hydrosystems: a review / A.-G. Guezennec, C. Michel, K. Bru, S. Touze, N. Desroche, I. Mnif, M. Motelica-Heino // Environ. Sci. Pollut. Res. - 2015. - Vol. 22, № 9. - Р. 6390-6406. DOI: 10.1007/s11356-014-3556-6

12. Fahmy A., Jacome L.A., Schönhals A. Effect of silver nanoparticles on the dielectric properties and the homogeneity of plasma poly (acrylic acid) thin films // J. Phys. Chem. C. - 2020. - Vol. 124, № 41. - Р. 22817-22826. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c06712

13. Resistance of heavy metals on some pathogenic bacterial species / A. Singh, M. Mishra, P. Tripathi, S. Sachan // Afr. J. Microbiol. Res. - 2015. - Vol. 9, № 16. - Р. 1162-1164. DOI: 10.5897/AJMR2014.7344

14. Alsaadi L.A.S. Heavy metals tolerance and antibiotics susceptibility profiles of Staphylococcus aureus strains isolated from clinical sources in Baquba city // Diyala Journal for Pure Science. - 2017. - Vol. 13, № 1. - Р. 130-144. DOI: 10.24237/djps.1301.136A

15. Polyacrylamide as an organic nitrogen source for soil microorganisms with potential effects on inorganic soil nitrogen in agricultural soil / J.L. Kay-Shoemake, M.E. Watwood, R.D. Lentz, R.E. Sojka // Soil Biol. Biochem. - 1998. - Vol. 30, № 8/9. - Р. 1045-1052.

16. Polyacrylamide as a substrate for microbial amidase in culture and soil / J.L. Kay-Shoemake, M.E. Watwood, R.E. Sojka, R.D. Lentz // Soil Biol. Biochem. - 1998. - Vol. 30, № 13. - Р. 1647-1654.

17. Biodegradation of polyacrylamide by bacteria isolated from activated sludge and oil-contaminated soil / Q. Wen, Z. Chen, Y. Zhao, H. Zhang, Y. Feng // J. Hazard. Mater. - 2010. - Vol. 175, № 1-3. - Р. 955-959. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.10.102

18. Максимова Ю.Г., Горшкова А.А., Демаков В.А. Биодеградация полиакриламидов почвенной микрофлорой и штаммами амидазосодержащих бактерий // Вестник Пермского университета. Серия: Биология. - 2017. - № 2. - С. 200-204.

19. Выделение и оценка деструктивной активности микроорганизмов, утилизирующих акриловые полимеры / Р.Б. Сипулинов, Ю.В. Карагайчева, Т.Н. Козулина, С.М. Рогачева, М.И. Отраднова // Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского. Серия: Биология, химия. - 2014. - Т. 27 (66), № 2. - С. 150-156.

20. Isolation and characterization of polyacrylamide-degrading bacteria from dewatered sludge / F. Yu, R. Fu, Y. Xie, W. Chen // Int. J. Environ. Res. Public Health. - 2015. - Vol. 12, № 4. - Р. 4214-4230. DOI: 10.3390/ijerph120404214

21. Isolation of polyacrylamide-degrading microorganisms from soil / H. Matsuoka, F. Ishimura, T. Takeda, M. Hikuma // Biotech. Bioproc. Eng. - 2002. - Vol. 7, № 5. - Р. 327-330. DOI: 10.1007/BF02932844

22. Shanker R., Ramakrishna C., Seth P.K. Microbial degradation of acrylamide monomer // Arch. Microbiol. - 1990. -Vol. 154, № 2. - Р. 192-198. DOI: 10.1007/BF00423332

23. Physical, biochemical, and immunological characterization of a thermostable amidase from Klebsiella pneumoniae NCTR 1 / M.S. Nawaz, A.A. Khan, D. Bhattacharayya, P.H. Siitonen, C.E. Cerniglia // J. Bacteriol. - 1996. - Vol. 178, № 8. -Р. 2397-2401. DOI: 10.1128/jb.178.8.2397-2401.1996

24. Petka K., Tarko Т., Duda-Chodak А. Is acrylamide as harmful as we think? A new look at the impact of acrylamide on the viability of beneficial intestinal bacteria of the genus Lactobacillus // Nutrients. - 2020. - Vol. 12, № 4. - Р. 1157. DOI: 10.3390/nu12041157

25. Structure-function analysis of Staphylococcus aureus amidase reveals the determinants of peptidoglycan recognition and cleavage / F.M. Büttner, S. Zoll, M. Nega, F. Götz, T. Stehle // J. Biol. Chem. - 2014. - Vol. 289, № 16. - Р. 11083-11094. DOI: 10.1074/jbc.M114.557306

26. Wilson S.A., Drew R.E. Transcriptional analysis of the amidase operon from Pseudomonas aeruginosa // J. Bacteriol. -1995. - Vol. 177, № 11. - Р. 3052-3057. DOI: 10.1128/jb.177.11.3052-3057.1995

27. Tuson H.H., Renner L.D., Weibel D.B. Polyacrylamide hydrogels as substrates for studying bacteria // Chem. Commun. (Camb.). - 2012. - Vol. 48, № 10. - Р. 1595-1597. DOI: 10.1039/C1CC14705F

28. Yazdankhah S., Skjerve E., Wasteson Y. Antimicrobial resistance due to the content of potentially toxic metals in soil and fertilizing products // Microb. Ecol. Health Dis. - 2018. - Vol. 29, № 1. - Р. 1548248. DOI: 10.1080/16512235.2018.1548248

29. Effect of ampicillin, streptomycin, penicillin and tetracycline on metal resistant and non-resistant Staphylococcus aureus / D. Chudobova, S. Dostalova, I. Blazkova, P. Michalek, B. Ruttkay-Nedecky, M. Sklenar, L. Nejdl, J. Kudr [et al.] // Int. J. Environ. Res. Public Health. - 2014. - Vol. 11, № 3. - Р. 3233-3255. DOI: 10.3390/ijerph110303233

30. Coexistence of heavy metal and antibiotic resistance within a novel composite staphylococcal cassette chromosome in a Staphylococcus haemolyticus isolate from bovine mastitis milk / H. Xue, Z. Wu, L. Li, F. Li, Y. Wang, X. Zhao // Antimicrob. Agents Chemother. - 2015. - Vol. 59, № 9. - Р. 5788-5792. DOI: 10.1128/AAC.04831-14

31. Boyce J.M. Modern technologies for improving cleaning and disinfection of environmental surfaces in hospitals // Antimicrob. Resist. Infect. Control. - 2016. - Vol. 5. - Р. 10. DOI: 10.1186/s13756-016-0111-x

Изучение возможности использования водных композиций полиакриламида с катионами цинка и меди для снижения рисков микробной контаминации объектов внутрибольничной среды / М.В. Кузнецова, Е.В. Афанасьевская, Н.В. Николаева, Э.С. Горовиц, А. С. Аверкина, И.Н. Феклистова, В.А. Вальцифер // Анализ риска здоровью. - 2023. -№ 1. - С. 85-96. БОТ: 10.21668/кеаШ.пзк/2023Л.09

UDC 579.63: 544.032.7

DOI: 10.21668/health.risk/2023.1.09.eng

Read online

Research article

USE OF AQUEOUS COMPOSITIONS OF POLYACRYLAMIDE WITH ZINC AND COPPER CATIONS AS A POSSIBLE WAY TO REDUCE THE RISKS OF MICROBIAL CONTAMINATION IN OBJECTS IN THE HOSPITAL ENVIRONMENT

12 2 2 2 M.V. Kuznetsova, E.V. Afanasievskaya2, N.V. Nikolaeva2, E.S. Gorovitz2,

A.S. Averkina3, I.N. Feklistova4, V.A. Valtsifer3

institute of Ecology and Genetics of Microorganisms of Ural Branch of Russian Academy of Sciences - affiliation of Perm Federal Research Centre of Ural Branch of RAS, 13 Goleva Str., Perm, 614081, Russian Federation 2Perm State Medical University named after Academician E.A. Wagner, 26 Petropavlovskaya Str., Perm, 614990, Russian Federation

3Institute of Technical Chemistry of Ural Branch of Russian Academy of Sciences - affiliation of Perm Federal Research Centre of Ural Branch of RAS, 3 Akademika Koroleva Str., Perm, 613013, Russian Federation 4Belarusian State University, 4 Nezavisimosti Ave., Minsk, 220030, Belarus

Microbial contamination means that infectious agents are identified on objects in the hospital environment. This serious issue is the most significant for healthcare organizations. Covering abiotic surfaces with a thin polymer film can be a promising way to fight against microbial adhesion and colonization. This film acts as a depot of an antibacterial substance.

In this study, our aim was to investigate antimicrobial effects of new water compositions of polyacrylamides (PAM) with CuSO4 and ZnSO4.

We examined antibacterial activity of 5%-solutions of CuSO4 and ZnSO4 and their compositions with various PAM types in a concentration equal to 0.075 % against such reference cultures as Escherichia coli, Klebsiella pneumoniaе, Pseudomonas aeruginosa, and Staphylococcus aureus. We estimated use of PAM as a growth substrate as well as antimicrobial activity of the analyzed solutions and compositions in agar and liquid nutrient media.

As a result, we established that bacterial cultures did not use PAM as sole nutrition source when growing in a liquid mineral medium and on PAM-films covering glass and plastic surfaces. More apparent inhibitory effects were produced on microorganisms cultivated on solid and liquid nutrient media by 5%-solution of ZnSO4. When PAMPraestol 857 and PAM Praestol were added to solutions of Cu2+ and Zn2+ cations, it resulted in an authentic increase in a diameter of a zone with inhibited bacterial growth in the agar medium. In the liquid medium, salts of both metals inhibited the growth and viability of all the analyzed microorganisms already in a concentration equal to 0.16 % or lower. Adding PAM Praestol 2530 led to a slight decrease in antibacterial efficiency of the examined metal salts whereas PAM Praestol 857 had practically no influence on bacteriostatic and bactericidal effects produced by them.

Therefore, use of the obtained composite solutions where CuSO4 or ZnSO4, immobilized on a PAM matrix act as an antibacterial component seems a promising way to disinfect objects in the hospital environment. This can significantly reduce risks of hospital-acquired infections.

Keywords: risks of microbial contamination, CuSO4, ZnSO4, polyacrylamides (PAM), antimicrobial solutions, antimicrobial activity, hospital environment.

© Kuznetsova M.V., Afanasievskaya E.V., Nikolaeva N.V., Gorovitz E.S., Averkina A.S., Feklistova I.N., Valtsifer V.A., 2023

Marina V. Kuznetsova - Doctor of Medical Sciences, Associate Professor, Leading Researcher of the Laboratory for Molecular Biotechnology; Professor of Microbiology and Virology Department (e-mail: [email protected]; tel.: +7 (342) 212-44-76; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2448-4823).

Elizaveta V. Afanasievskaya - Candidate of Medical Sciences, Associate Professor of Microbiology and Virology Department (e-mail: [email protected]; tel.: +7 (342) 36-44-85; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3498-6459).

Nina V. Nikolaeva - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Microbiology and Virology Department (e-mail: [email protected]; tel.: +7 (342) 36-44-85; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6799-5503).

Eduard S. Gorovitz - Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Microbiology and Virology Department (e-mail: [email protected]; tel.: +7 (342) 36-44-85; ORCID: http://orcid.org/0000-0003-4320-8672).

Anastasiia S. Averkina - Candidate of Technical Sciences, researcher at the Laboratory of Multiphase Disperse Systems (e-mail: [email protected]; tel.: +7 (342) 237-82-81; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6833-2867).

Iryna N. Feklistova - Candidate of Biological Sciences, Head of the Research Laboratory for Molecular Genetics and Biotechnology (e-mail: [email protected]; tel.: +375 (17) 209-58-86; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8669-3666).

Viktor A. Valtsifer - Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director responsible for research work (e-mail: [email protected]; tel.: +7 (342) 237-82-50; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8671-739X).

References

1. Thakali A., MacRae J.D. A review of chemical and microbial contamination in food: What are the threats to a circular food system? Environ. Res., 2021, vol. 194, pp. 110635. DOI: 10.1016/j.envres.2020.110635

2. Khan H.A., Baig F.K., Mehboob R. Nosocomial infections. Epidemiology, prevention, control and surveillance. Asian Pac. J. Trop. Biomed., 2017, vol. 7, no. 5, pp. 478-482. DOI: 10.1016/j.apjtb.2017.01.019

3. Otter J.A., Yezli S., Salkeld J.A.G., French G.L. Evidence that contaminated surfaces contribute to the transmission of hospital pathogens and an overview of strategies to address contaminated surfaces in hospital settings. Am. J. Infect. Control., 2013, vol. 41, no. 5, pp. S6-S11. DOI: 10.1016/j.ajic.2012.12.004

4. Prevention of hospital-acquired infections: a practical guide, 2nd ed. In: G. Ducel, J. Fabry, L. Nicolle eds. Geneva, WHO, 2002, 64 p. Available at: https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/67350/WHO_CDS_CSR_EPH_2002.12.pdf? sequence=1&isAllowed=y (December 07, 2022).

5. Robakowska M., Bronk M., Tyranska-Fobke A., Slçzak D., Kraszewski J., Balwicki L. Patient Safety Related to Microbiological Contamination of the Environment of a Multi-Profile Clinical Hospital. Int. J. Environ. Res. Public Health, 2021, vol. 18, no. 7, pp. 3844. DOI: 10.3390/ijerph18073844

6. Rozman U., Pusnik M., Kmetec S., Duh D., Sostar Turk S. Reduced Susceptibility and Increased Resistance of Bacteria against Disinfectants: A Systematic Review. Microorganisms, 2021, vol. 9, no. 12, pp. 2550. DOI: 10.3390/microorganisms9122550

7. Cheknev S.B., Vostrova E.I., Apresova M.A., Piskovskaya L.S., Vostrov A.V. Deceleration of bacterial growth in Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa cultures in the presence of copper and zinc cations. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii, 2015, no. 2, pp. 9-17 (in Russian).

8. Ning C., Wang X., Li L., Zhu Y., Li M., Yu P., Zhou L., Zhou Z. [et al.]. Concentration ranges of antibacterial cations for showing the highest antibacterial efficacy but the least cytotoxicity against mammalian cells: implications for a new antibacterial mechanism. Chem. Res. Toxicol., 2015, vol. 28, no. 9, pp. 1815-1822. DOI: 10.1021/acs.chemrestox.5b00258

9. Casey A.L., Adams D., Karpanen T.J., Lambert P.A., Cookson B.D., Nightingale P., Miruszenko L., Shillam R. [et al.]. Role of copper in reducing hospital environment contamination. J. Hosp. Infect., 2010, vol. 74, no. 1, pp. 72-77. DOI: 10.1016/j.jhin.2009.08.018

10. Jaiswal S., McHale P., Duffy B. Preparation and rapid analysis of antibacterial silver, copper and zinc doped solgel surfaces. Colloids Surf. B Biointerfaces, 2012, vol. 94, pp. 170-176. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.01.035

11. Guezennec A.-G., Michel C., Bru K., Touzé S., Desroche N. Transfer and degradation of polyacrylamide-based floccu-lants in hydrosystems: a review. Environ. Sci. Pollut. Res, 2015, vol. 22, no. 9, pp. 6390-6406. DOI: 10.1007/s11356-014-3556-6

12. Fahmy A., Jacome L.A., Schönhals A. Effect of Silver Nanoparticles on the Dielectric Properties and the Homogeneity of Plasma Polyacrylic Acid Thin Films. J. Phys. Chem., 2020, vol. 124, no. 41, pp. 22817-22826. DOI: 10.1021/acsjpcc.0c06712

13. Singh A., Mishra M., Tripathi P., Sachan S. Resistance of heavy metals on some pathogenic bacterial species. Afr. J. Microbiol. Res., 2015, vol. 9, no. 16, pp. 1162-1164. DOI: 10.5897/AJMR2014.7344

14. Alsaadi L.A.S. Heavy metals tolerance and antibiotics susceptibility profiles of Staphylococcus aureus strains isolated from clinical sources in Baquba city. Diyala Journal for Pure Science, 2017, vol. 13, no. 1, pp. 130-144. DOI: 10.24237/djps.1301.136A

15. Kay-Shoemake J.L., Watwood M.E., Lentz R.D., Sojka R.E. Polyacrylamide as an organic nitrogen source for soil microorganisms with potential effects on inorganic soil nitrogen in agricultural soil. Soil Biol. Biochem., 1998, vol. 30, no. 8/9, pp. 1045-1052.

16. Kay-Shoemake J.L., Watwood M.E., Sojka R.E., Lentz R.D. Polyacrylamide as a substrate for microbial amidase in culture and soil. Soil Biol. Biochem., 1998, vol. 30, no. 13, pp. 1647-1654.

17. Wen Q., Chen Z., Zhao Y., Zhang H., Feng Y. Biodegradation of polyacrylamide by bacteria isolated from activated sludge and oil-contaminated soil. J. Hazard. Mater., 2010, vol. 175, no. 1-3, pp. 955-959. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.10.102

18. Maksimova Yu.G., Gorshkova A.A., Demakov V.A. Polyacrylamide biodegradation by soil microflora and bacteria containing amidase. VestnikPermskogo universiteta. Seriya: Biologiya, 2017, no. 2, pp. 200-204 (in Russian).

19. Sipulinov R.B., Karagaicheva Yu.V., Kozulina T.N., Rogacheva S.M., Otradnova M.I. Vydelenie i otsenka de-struktivnoi aktivnosti mikroorganizmov, utiliziruyushchikh akrilovye polimery [Isolation and assessment of the destructive activity of microorganisms utilizing acrylic polymers]. Uchenye zapiski Tavricheskogo natsional'nogo universiteta imeni V.I. Vernadskogo. Seriya: Biologiya, khimiya, 2014, vol. 27 (66), no. 2, pp. 150-156 (in Russian).

20. Yu F., Fu R., Xie Y., Chen W. Isolation and characterization of polyacrylamide-degrading bacteria from dewatered sludge. Int. J. Environ. Res. Public Health, 2015, vol. 12, no. 4, pp. 4214-4230. DOI: 10.3390/ijerph120404214

21. Matsuoka H., Ishimura F., Takeda T., Hikuma M. Isolation of polyacrylamide-degrading microorganisms from soil. Biotech. Bioproc. Eng., 2002, vol. 7, no. 5, pp. 327-330. DOI: 10.1007/BF02932844

22. Shanker R., Ramakrishna C., Seth P.K. Microbial degradation of acrylamide monomer. Arch. Microbiol., 1990, vol. 154, no. 2, pp. 192-198. DOI: 10.1007/BF00423332

23. Nawaz M.S., Khan A.A., Bhattacharayya D., Siitonen P.H., Cerniglia C.E. Physical, biochemical, and immu-nological characterization of a thermostable amidase from Klebsiella pneumoniae NCTR 1. J. Bacteriol., 1996, vol. 178, no. 8, pp. 2397-2401. DOI: 10.1128/jb.178.8.2397-2401.1996

24. Petka K., Tarko T., Duda-Chodak A. Is Acrylamide as Harmful as We Think? A New Look at the Impact of Acrylamide on the Viability of Beneficial Intestinal Bacteria of the Genus Lactobacillus. Nutrients, 2020, vol. 12, no. 4, pp. 1157. DOI: 10.3390/nu12041157

25. Büttner F.M., Zoll S., Nega M., Götz F., Stehle T. Structure-function analysis of Staphylococcus aureus amidase reveals the determinants of peptidoglycan recognition and cleavage. J. Biol. Chem., 2014, vol. 289, no. 16, pp. 11083-11094. DOI: 10.1074/jbc.M114.557306

26. Wilson S.A., Drew R.E. Transcriptional analysis of the amidase operon from Pseudomonas aeruginosa. J. Bacte-riol., 1995, vol. 177, no. 11, pp. 3052-3057. DOI: 10.1128/jb.177.11.3052-3057.1995

27. Tuson H.H., Renner L.D., Weibel D.B. Polyacrylamide hydrogels as substrates for studying bacteria. Chem. Commun. (Camb.), 2012, vol. 48, no. 10, pp. 1595-1597. DOI: 10.1039/C1CC14705F

28. Yazdankhah S., Skjerve E., Wasteson Y. Antimicrobial resistance due to the content of potentially toxic metals in soil and fertilizing products. Microb. Ecol. Health Dis., 2018, vol. 29, no. 1, pp. 1548248. DOI: 10.1080/16512235.2018.1548248

29. Chudobova D., Dostalova S., Blazkova I., Michalek P., Ruttkay-Nedecky B., Sklenar M., Nejdl L., Kudr J. [et al.]. Effect of ampicillin, streptomycin, penicillin and tetracycline on metal resistant and non-resistant Staphylococcus aureus. Int. J. Environ. Res. Public Health, 2014, vol. 11, no. 3, pp. 3233-3255. DOI: 10.3390/ijerph110303233

30. Xue H., Wu Z., Li L., Li F., Wang Y., Zhao X. Coexistence of heavy metal and antibiotic resistance within a novel composite staphylococcal cassette chromosome in a Staphylococcus haemolyticus isolate from bovine mastitis milk. Antim-icrob. Agents Chemother., 2015, vol. 59, no. 9, pp. 5788-5792. DOI: 10.1128/AAC.04831-14

31. Boyce J.M. Modern technologies for improving cleaning and disinfection of environmental surfaces in hospitals. Antimicrob. Resist. Infect. Control, 2016, vol. 5, pp. 10. DOI: 10.1186/s13756-016-0111-x

Kuznetsova M. V., Afanasievskaya E. V., Nikolaeva N. V., Gorovitz E.S., Averkina A.S., Feklistova I.N., Valtsifer V.A. Use of aqueous compositions of polyacrylamide with zinc and copper cations as a possible way to reduce the risks of microbial contamination in objects in the hospital environment. Health Risk Analysis, 2023, no. 1, pp. 85-96. DOI: 10.21668/health. risk/2023.1.09. eng

Получена: 30.12.2022 Одобрена: 20.01.2023 Принята к публикации: 10.03.2023