Патогенные микроорганизмы. Озон как эффективный способ дезинфекции

(обзор научных публикаций)

Полякова В.О, д.б.н., руководитель лаборатории клеточной биологии НИИ акушерства и гинекологии им.Д.О.Отта
Дробинцева А.О., к.б.н., доцент кафедры медицинской биологии Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета
Зубарева Т.С., к.б.н., ООО «Вирибус».

   

Основная проблема, возникающая при проведении дезинфекции – способность бактерий приспосабливаться к любым условиям. Это заставляет придумывать все новые и новые методы борьбы с ними. В последнее время для очистки воздуха и воды от микроорганизмов все чаще используется озон.

Озон – газ, который образуется от электрического разряда или под воздействием ультрафиолетовых лучей на кислород. Получаемый в результате газ очень реактивен и быстро превращается обратно в кислород. Применение озона увеличивается с каждым годом по следующим причинам:

• возрастающая обеспокоенность о последствиях применения вредных химических и
  дезинфицирующих веществ;
• высокая окислительная и дезинфицирующая способность озона;
• бактерицидное и дезодорирующее действие озона.

Именно благодаря такой окислительной и дезинфицирующей способности, этот газ получил повсеместное применение: в системах очистки воды, воздуха и в борьбе с нежелательными запахами. И использование озона постепенно оценили по достоинству в технологиях, ведущих к благополучию человека, благосостоянию растительного и животного мира.

И действительно, обработка озоном выгодно отличается от других методов дезинфекции. Она эффективнее хлора, убивая патогенные микроорганизмы в 3500 раз быстрее, при этом одна молекула озона заменяет от трех тысяч до 10 тысяч молекул хлора. Такая обработка малыми дозами не обнаруживает побочных эффектов. В силу того, что озон очень эффективен при использовании его в качестве стерилизующего и дезинфицирующего средства, его применение позволит сократить количество традиционно используемых химических веществ. А отсутствие побочных эффектов значительно расширяет сферу его применения. Так, озон можно использовать на всех стадиях производства в пищевой промышленности: санитарной обработке продуктов, материалов, поверхностей, инструментов, оборудования, трубопроводов, контейнеров и т.д.

Благодаря своей исключительной дезинфицирующей способности, озон получил широкое применение в технологиях, где необходимо уничтожение микроорганизмов (многие из которых – патогенные) из воды и воздуха. Как известно, основная проблема дезинфекции – это возможность бактерий приспосабливаться к любым условиям, в том числе к веществам для дезинфекции. Это создает определенные трудности, в частности, в медицине, где многие заболевания – результат взаимодействия с патогенными штаммами микроорганизмов.

Бактерии – это одноклеточные микроорганизмы. Их структура достаточно проста. Клетка бактерии находится внутри оболочки, состоящей из клеточной стенки, периплазмы и плазматической мембраны. В состав клеточной стенки входит поверхностный слой, который непосредственно граничит с окружающей средой, наружная мембрана (только у грамотрицательных бактерий) и пептидогликановый слой, отвечающий за поддержание формы клетки и ее целостность. Периплазма, находящаяся между наружной и плазматической мембранами, имеет в своем составе множество белков.

Механизм действия озона следующий: озон вступает в реакцию окисления с липидами и липопротеинами, из которых состоит стенка бактерий. Эти элементы имеют множественные химические связи между атомами, а вследствие окисления происходит формирование новых угловых конфигураций, не совместимых с жизнеспособностью клеток.

Взаимодействие озона с белками было доказано в ходе исследования. При изучении влияния озона на E.coli был установлен факт его проникновения через клеточную мембрану, реакция с содержимым цитоплазмы, разрушение кольцевой плазмиды ДНК, что делало невозможным деление клетки. Почему же тогда озон применяется в лечении различных болезней и не разрушает ДНК человека? Дело в том, что у высших организмов существует система защиты ДНК и РНК от пагубного воздействия озона. Отчасти поэтому клиническое использование озона в рекомендуемых дозах не представляет опасности для пациента.

Как же происходит уничтожение бактерий озоном?
Рассмотрим подробнее схему взаимодействия.

Этап 1. Молекула озона, вступая в контакт с клеточной стенкой бактерии (отвечающей за ее форму), вызывает ее разрыв, так как происходит окисление фосфолипидов и липопротеинов и образование пероксидов. Такая реакция носит название окислительного взрыва.
Этап 2. Образовавшиеся таким образом пробоины в клеточной стенке приводят к стрессу клетку бактерии, и она постепенно начинает терять свою форму. А молекулы озона продолжают тем временем дальше разрушать ее клеточную стенку.
Этап 3. Если воздействие озона продолжается, то через несколько секунд клеточная стенка бактерии полностью теряет способность поддерживать форму, и клетка погибает.

Озон также эффективен против штаммов микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам. Было проведено исследование 107 пациентов, страдающих диабетическими язвами (следствие язв – плохое кровообращение и нейропатия). В ходе исследования была выявлена причина – развитие бактериальных культур E.coli, Klebsiella, Pseudomonas, Proteus, Enterobacter, Clostridium perfringens, Bacteroides, Prevotella и Peptostreptococcus. Сложность лечения антибиотиками в том, что антибиотики не всегда могут проникнуть глубоко в рану и нередко сами являются причиной вторичных дерматитов. Более того, антибиотик не может эффективно уничтожить все инфекционные микроорганизмы, так как происходит формирование резистентных штаммов, например, метициллин-резистентный золотистый стафилококк.

Озон способен оказывать положительное влияние на клеточный и гуморальный иммунитет человека. Он стимулирует пролиферацию иммунокомпетентных клеток и синтез иммуноглобулинов, активирует макрофагов и увеличивает чувствительность микроорганизмов к фагоцитозу. Болезнетворные микроорганизмы, живущие в человеческом организме, в основном, анаэробы. Озон же приводит к росту давления кислорода в тканях и улучшает его транспортировку в крови. Вследствие этого происходит изменение клеточного метаболизма – активируются аэробные процессы (гликолиз, цикл Кребса, окисление жирных кислот), что в свою очередь приводит к гибели анаэробных микроорганизмов.

Кожа человека населена многочисленными патогенными микроорганизмами. И при ее нормальном состоянии они не представляют угрозы. Но в случае повреждения ткани, попадая в глубокие слои дермы, эти анаэробные микроорганизмы (такие как Bacteroides, Clostridium) могут стать причиной нагноения, так как оказываются на удалении от антимикробного действия кислорода, присутствующего в воздухе. Аэробные микроорганизмы (Staphylococcus epidermis, Corynebacteria, Propionobacteria), также присутствующие на коже человека, способны проявлять свою патогенность в случае ее повреждения.

Надо сказать, что к озону чувствительны практически все виды бактерий при правильном подборе концентрации и времени воздействия. Исключение составит, пожалуй, только Deinococcus radiodurans. Озон успешно уничтожает бактерии семейства Enterobacteriaceae: Escherichia coli, Salmonella, Enterobacter, Shigella, Klebsiella, Serratia. Эти грамотрицательные микроорганизмы

• естественные обитатели желудочно-кишечного тракта человека. Следующая большая группа бактерий, чувствительных к озону
• стрептококки, стафилококки, Legionella, Pseudomonas, Yersinia, Campylobacteri, Mycobacteria.

Воздействие озона на патогенные микроорганизмы изучала группа индийских ученых. Объектом исследования стали Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens, Salmonella typhi и Klebsiella pneumoniae. В процессе исследования производился высев микроорганизмов на скошенный агар и уколом, затем в течение 18-24 часов происходила их инкубация при 37 градусах. Далее следовали биохимические тесты: утилизация цитрата, на индол, уреазный, утилизацию трех сахаров, на образование ацетоина, определялась подвижность и грам- принадлежность. Производили измерение оптической плотности полученной культуры при помощи спектрофотометра и затем подвергали ее воздействию озона через неравные временные интервалы с последующим высевом на среды. В результате обнаружилось, что после таких манипуляций оптическая плотность исследуемой культуры постепенно уменьшалась. Также были сделаны выводы, что наиболее чувствителен к воздействию озона штамм E.coli, а рост кишечной палочки и Pseudomonas fluorescens полностью прекращается под действием озона.

Чтобы вызвать разрушение микроорганизмов с помощью озона, необходимо различное время воздействия и концентрация (приведены далее).

Примеры действия озона на различные микроорганизмы

Название микроорганизма	Концентрация озона, мг/л	Время воздействия	Примечания
Bacillus anthracis	0,2	30 секунд	Чувствительны к действию озона
Bacillus cereus	0,12	5 минут	Разрушаются 99,9% клеток (реакция в воде)
Bacillus cereus (споры)	2,3	5 минут	Разрушаются 99,9% клеток (реакция в воде)
Bacillus subtilis	0,1	33 минуты	Уменьшение количества клеток на 90%
Clavibaster michiganense	1,1	5 минут	Разрушаются 99,9% клеток
Clostridium sp.	1,2	5 минут	Разрушаются 99,9% клеток
Clostridium botulinum (споры)	0,4 – 0,5	5 минут	Разрушаются 99,9% клеток (реакция в воде)
Escherichia coli (из фекалий)	0,2	30 секунд	Реакция на воздухе
Escherichia coli (из чистой воды)	0,25	1,6 минуты	Разрушаются 99,9% клеток
Escherichia coli (из загрязненной воды)	2,2	19 минут	Разрушаются 99,9% клеток
Mycobacterium avium	0,17	2 минуты	Разрушается 99,9% клеток в воде
Mycobacterium foruitum	0,25	1,6 минуты	Разрушаются 99,9% клеток (реакция в воде)
Pseudomonas sp.	0,2	30 секунд	Разрушаются 99,9% клеток
Salmonella sp.	0,4	30 секунд	Разрушаются 99,9% клеток
Salmonella typhimurium	0,25	1,67 минуты	Разрушаются 99,9% клеток
Staphylococcus sp.	1,5 – 2,0	30 секунд	Разрушаются 99,9% клеток
Streptococcus sp.	0,2	30 секунд	Разрушаются 99,9% клеток
Vibrio cholera	0,5	30 секунд	Разрушаются 99,9% клеток

Примечание. Если воздействие производится озоном концентрацией ниже, чем указано в таблице, эффект практически нулевой. При превышении указанной концентрации происходит уничтожение всех болезнетворных микроорганизмов, то есть «все или ничего».

В последнее время также активно изучается способность озона подавлять действия вирусов в естественных условиях. В ходе длительных исследований было установлено, что в лабораторных условиях озон может инактивировать действия вирусов. Это дало толчок для изучения воздействия озона на вирусы в естественных условиях.

Вирус (лат. virus – яд) – неклеточный инфекционный агент, который способен размножаться только внутри живых клеток организма. Эти мельчайшие частицы, называемые вирионами, состоят из следующих компонентов:

• генетический материал (молекулы ДНК или РНК, некоторые могут содержать оба типа
  молекул, например, мимивирусы);
• белковая оболочка, защищающая эти молекулы (капсид);
• в некоторых случаях дополнительные липидные оболочки.

Наличием капсида вирионы отличаются от вироидов – вирусоподобных инфекционных нуклеиновых кислот.

Вирусы способны инфицировать живые организмы. Это паразиты на генетическом уровне, так как отдельно взятый вирус не способен проявлять признаки жизнедеятельности вне живой клетки инфицированного организма. В зависимости от структуры вируса, типа генома и способа репликации, выделяют различные семейства. Воздействию озона поддаются все вирусы, но чувствительность у них так же, как и у бактерий, разная. Например, в ходе одного из исследований выяснилось, что полиовирус в 40 раз устойчивее к действию озона, чем вирус Коксаки. Для целей данной статьи важно обратить внимание, что вирусы не имеют защиты от окисления на уровне ферментов, как, например, клетки млекопитающих.

Особенно чувствительны к воздействию озона вирусы, обладающие липидной оболочкой, любое изменение структуры которой делает ДНК или РНК неспособными к репликации, и тем самым вызывает сбой в жизненном цикле и гибель вируса. К этой группе относятся вирусы следующих семейств:

• Hepadnaviridae (гепатит B);
• Flaviviridae (гепатит C, желтая лихорадка);
• Herpesviridae (ветряная оспа, цитомегаловирус и вирус Эпштейна-Барра);
• Orthomyxoviridae (вирус гриппа);
• Paramyxoviridae (свинка, корь);
• Coronaviridae;
• Rhabdoviridae (вирус бешенства);
• Togaviridae (краснуха, энцефалит);
• Bunyaviridae;
• Poxviridae (оспа);
• Retroviridae (ВИЧ);
• Filoviridae (вирус Эбола).

Вирусы, состоящие только из ДНК или РНК и капсида, так называемые «голые вирусы», более устойчивы к действию озона, нежели их собратья, имеющие липидную оболочку.

К вирусам этой группы относятся следующие семейства:

• Adenoviridae (респираторные инфекции);
• Picornaviridae (полиовирус, вирус Коксаки, гепатит);
• Caliciviridae (гепатит E);
• Papillomaviridae.

В настоящее время есть несколько возможных «путей» воздействия озона на вирусы в организме, основным из которых является кровь:

Разрушение вирионов озоном при прямом контакте. Озон нарушает структуру липидной оболочки и липопротеинов. Это вызывает перестройку связей в липидах, разрывы
оболочки и, как следствие, гибель вириона. При таком контакте также происходит изменение структуры гликопротеиновых выступов вируса – пепломеров. Это ухудшает взаимодействие с клеточными мембранами клетки-хозяина и мешает вирусу проникнуть внутрь.

Озон способен вызвать изменения в структуре вирусной оболочки и, вероятно, генома. Это неизбежно приведет к ослаблению функциональности вируса. Такие дисфункционально циркулирующие в крови вирусы могли бы создать уникальные возможности для лечения людей – носителей множественных мутационных вариантов вирусов, таких как гепатит C и ВИЧ.

Более того, озон играет важную роль в работе иммунной системы: бактерицидное и вирулидное свойство антител основано на их способности стимулировать выработку активных форм кислорода, в том числе озона (Marx, 2002; Wentworth, 2002). Активированные нейтрофилы начинают синтезировать синглетный кислород, который в сочетании с озоном и водой образует гидроксил-радикал и перикись водорода. Вступая в реакцию с перекисью водорода, озон образует еще более активное соединение – пероксон. Его основное назначение – борьба с вирусами и патогенными штаммами микроорганизмов.

Далее в таблице приведены примеры действия озона на некоторые вирусы.

Название вируса	Концентрация озона, мг/л	Время воздействия	Примечания
Бактериофаг f2	0,41	10 секунд	Разрушается 99,9% вирионов
Вирус Коксаки A9	0,035	10 секунд	Разрушается 95% вирионов
Вирус Коксаки B5	0,4	2,5 минуты	Разрушается 99,99% вирионов
Энтеровирус	0,1 – 0,8	30 секунд	Полное разрушение
Вирус гепатита A	0,25	2 секунды	Разрушается 99,5% вирионов (реакция в фосфатном буфере)
Вирус герпеса	0,1 – 0,8	30 секунд	Полное разрушение
Вирус гриппа	0,4 – 0,5	30 секунд	Полное разрушение
Вирус полиомиелита	0,3 – 0,4	3 – 4 минуты	Разрушается 99,99% вирионов
Рабдовирус	0,1 – 0,8	30 секунд	Полное разрушение

Подводя итоги, можно сделать выводы о сильнейшем антимикробном действии озона. Такой вывод основывается на следующих способностях озона:

• воздействие на клеточные мембраны микроорганизмов;
• окисление рецепторов, с помощью которых паразит атакует клетки живого организма.

Важность озона в лечебной деятельности переоценить сложно. Пожалуй, нет другого такого средства, способного эффективно бороться с устойчивыми к антибиотикам штаммами микроорганизмов, например, синегнойной палочкой.

Концентрация озона от 1 до 5 мг/л достаточна для уничтожения 99,9% E.coli, Streptococcus sp., Mycobacterium sp., Klebsiella sp. за время от 4 до 20 минут.

Еще большее значение имеет озон в лечении и профилактике вирусных заболеваний, имеющих высокую контагиозность и небольшой арсенал медикаментозных средств лечения.