Влияние химических и биологических веществ на формирование бактериальных пленок

Статья посвящена определению влияния различных химических и биологических веществ, доступных для бытового пользования, на формирование бактериальных пленок. На основании полученных результатов исследования даны рекомендации по использованию определенных веществ для сокращения роста биопленок в бытовых приборах. Авторы рассматривают возможность применения различных веществ с целью воздействия на рост биопленок в бытовых приборах и обеспечения большей безопасности для своего здоровья при их использовании.

Ключевые слова: бактериальные пленки, вода, колонии, грампринадлежность, ингибирование, матрикс.

Бактериальные пленки — это сообщества микроорганизмов, которые способны фиксироваться на различных поверхностях, так как скреплены внеклеточным матриксом. Данный внеклеточный матрикс является «защитной оболочкой» для бактерий, поэтому микроорганизмы в составе биопленок менее подвержены воздействию окружающей среды, обладают устойчивостью к действию антибиотиков, различных химических веществ, а также защищены от агрессивного воздействия иммунной системы человека. Кроме того, внутри бактериального комплекса возникают связи, при помощи которых они могут обмениваться генами устойчивости и продуктами метаболизма. [1]

Существование бактерий в виде биопленки вызывают в науке огромный интерес (до сих пор не найдено такого вещества, которое позволило бы полностью ингибировать их рост), потому что эта агломерация бактерий чрезвычайно устойчива во внешней среде, что создает большие проблемы в медицине и пищевой промышленности. Микроорганизмы колонизируют производственные линии, рабочие поверхности, бытовые приборы, что приводит к поломке машин, загрязнению сырья и продуктов. В медицине биопленки вызывают колонизацию медицинских приборов — катетеров, линз, клапанов и являются источником инфекции. [2]

Биопленки образуются на границе фаз твердое-жидкое. Поэтому мы предположили, что они могут также колонизировать и бытовые приборы — например, стиральную машину, где постоянно присутствует контакт жидкости и твердой фазы. Так как биопленки могут содержать в себе инфекции, опасные для организма человека, их нахождение в бытовых приборах создает риск для здоровья человека. Поэтому мы решили убедиться, что биопленки действительно находятся в стиральной машине, найти доступные обычным людям антибактериальные вещества и выявить из них самое эффективное, которое позволит сократить рост биопленок и обезопасить людей.

Чтобы убедиться в наличии на бытовых приборах бактерий, мы использовали каталазный экспресс-тест. Он основан на реакции пероксида водорода с каталазой — ферментом системы антиоксидантной защиты бактерий. Происходит ферментативное расщепление перекиси водорода до кислорода и воды. При помощи него мы обнаружили бактерии в бытовом приборе — стиральной машине. Локализация эксперимента в стиральной машине проходила на резиновом ободке барабана и на фильтре. При помощи распылителя индикатор проникал на исследуемую поверхность и наблюдалось образование пузырьков (выделение кислорода). (Рис. 1)

Рис. 1. Обнаружение биопленок каталазным экспресс-тестом

Убедившись в наличии бактерий в бытовом приборе, мы взяли первичную пробу воды из данной стиральной машины. При открытии и очистке фильтра из стиральной машины выходит оставшаяся вода, которая является составляющей частью фазы твердое-жидкое. Для контроля исследования мы также взяли холодную проточную воду. Предположительно, в ней тоже должна образоваться биопленка, но в меньшем количестве из-за границы фаз твердое-жидкое в водопроводе и отсутствия застоя воды, в отличие от стиральной машины. Помимо первичной пробы и контроля, мы взяли кипяченую воду, в которой отсутствуют какие-либо микроорганизмы, чтобы посмотреть, образуются ли биопленки в ней.

Рис. 2. Закладывание стекол в смесь Темпера

Каждая проба выдерживалась в сухом теплом проветриваемом помещении с доступом кислорода 1 неделю (примерно за это время происходит образование биопленок).

Чтобы узнать, какие вещества являются ингибиторами биопленок, мы использовали:

— лимонную кислоту (широко используется как средство для борьбы с микроорганизмами в бытовых приборах, взяли для проверки ее эффективности);

— пероксид водорода (т. к. разрушает внеклеточный матрикс);

— раствор ромашки (т. к. обладает бактерицидными свойствами);

— порошок «Calgon» (заявлен как средство против неприятного запаха, а его причиной как раз являются бактерии).

Концентрации добавляемых веществ высчитывались в соответствии с инструкцией, данной на упаковке. При ее отсутствии мы предполагали примерную концентрацию, и уже с ней проводили эксперимент. (См. табл. 1)

Концентрация веществ, используемых в эксперименте

Предметные стекла были разделены маркером на 4 одинаковых сектора (10х20мм), в центр каждого сектора наносились несколько капель иммерсионного масла и с помощью иммерсионного микроскопа производился подсчет колоний. Далее мы суммировали количество колоний в каждом секторе и получали общую сумму колоний во всех 4 секторах. (см. рис. 3).

Рис. 3. Подсчет образовавшихся колоний

После проведения подсчета образовавшихся колоний, мы получили следующий результат. (Табл. 2)

Таблица 2

Количество образовавшихся колоний после применения различных веществ

В результате работы было выявлено, что наиболее эффективным ингибитором биопленок является пероксид водорода (далее по эффективности — раствор ромашки, лимонная кислота, «Calgon»). Лимонная кислота и раствор ромашки показали хорошие результаты. Соответственно, их можно рекомендовать для использования в бытовых условиях, чтобы сократить рост биопленок в стиральной машине и обезопасить себя.

В соответствии с поставленной в работе целью мы провели микробиологическое исследование по определению влияния некоторых химических и биологических веществ на рост биопленок. Вода для исследования была взята непосредственноиз фильтра стиральной машины. Эксперимент проводился с использованием таких веществ, как лимонная кислота, перекись водорода, раствор ромашки и порошок «Calgon».

В нашем эксперименте мы проверили эффективность применения лишь нескольких веществ в борьбе с биопленками. Несмотря на все принимаемые учеными усилия, сегодня пока не созданы препараты, которые могут полностью блокировать процесс образования биопленок. Таким образом, борьба с биопленками продолжается. Эта проблема требует дальнейших разработок. Необходимо отметить, что получение новых знаний о существовании и развитии микроорганизмов в биопленках должны определять новые подходы к проведению санитарно-гигиенических мероприятий по обслуживанию бытовой техники.

Литература

1. Мелешкин Н. С. Биопленка как форма существования микроорганизмов. Действие факторов именной системы // Международный студенческий научный вестник. — 2017. — № 2; [Электронный доступ]: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=16899
2. Гостев В. В. Бактериальные биопленки и инфекции // Журнал инфектологии. Том 2, № 3–210.
3. Барыкина Р. П. и др. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. — М.: Изд-во МГУ, 2004. — 312 с.
4. Кулишов С. А., Лыков И. Н. Микробные биопленки как объект изучения в научно-исследовательской работе учащихся // Молодой ученый. — 2016. — № 4. — с. 240–245. [Статья]
5. Методы индикации биологических плёнок микроорганизмов на абиотических объектах: Методические рекомендации. —М.: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2020.—20 с.
6. Методы микроэкологического исследования наземных, водных и воздушных экосистем: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Биология» /С. В. Прудникова [и др.]. — Красноярск: СФУ, 2007–152 с.