Несмотря на свое довольно древнее происхождение, микробная теория болезней, утверждающая, что многие заболевания являются результатом деятельности разнообразных микроорганизмов, претерпела немало изменений в ходе истории человека. В свое время (относительно недавно, на самом деле) ее считали глупостью, и многие ученые отвергали ее. Однако сейчас мы прекрасно знаем, что эта теория является верной и к ней необходимо прислушиваться. Потому и появились различные дезинфицирующие средства, направленные на борьбу с бактериями, вируса и грибками. Одним из самых распространенных таких средств является хлороксиленол. Он эффективен, однако крайне неэкологичен ввиду своей сильной химической стабильности и массовости потребления. Ученые из Гонконгского университета науки и технологии провели исследования, в ходе которого им удалось найти еще более эффективный дезинфектор, который при этом не вредит экологии. Из чего состоит данное чудо-средство, каковы его свойства, и сможет ли оно заменить доминирующий на рынке хлороксиленол? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Естественно, принятие микробной теории болезней радикальным образом поменяло подход человека к, грубо говоря, чистоте, особенно в стенах медицинских учреждений. Среди недавних событий пандемия COVID-19 стала еще одним толчком к переосмыслению и даже ужесточению мер личной и экологической дезинфекции для предотвращения передачи заболеваний. К примеру, по данным компании Reckitt Benckiser (производитель бытовой химии), продажи дезинфекторов выросли практически на 50% с показателями до начала пандемии, составив в результате 5.45 миллиарда долларов в год.
Поскольку химические дезинфицирующие средства могут попадать в естественную водную среду через сточные воды и поверхностный сток, высказываются опасения, что интенсивная дезинфекция может спровоцировать экологические проблемы в водных экосистемах. Поэтому срочно необходимы экологически чистые, но при этом такие же эффективные дезинфицирующие средства.
Хлороксиленол, также известный как пара-хлор-мета-ксиленол (PCMX от para-chloro-meta-xylenol), является галогензамещенным фенольным дезинфицирующим средством. Как и в случае с фенолом, механизмы фенольных дезинфицирующих средств для инактивации патогенов включают разрушение клеточной мембраны и нарушение микробных ферментных систем, в то время как галогенированные производные фенола, как правило, обладают лучшей антимикробной активностью, чем фенол. С момента своего появления в 1920-х годах PCMX широко использовался в качестве антимикробного средства широкого спектра действия. Использование PCMX еще больше возросло в последние годы. PCMX был обнаружен в 16.9% антисептических моющих средств только в США, в 20.7% бытовых чистящих средств в Великобритании и 56.3% бытовых дезинфицирующих средств и 33.9% дезинфицирующих средств для рук в Китае.
Изображение №1
Из-за его широкого применения и относительно высокой химической стабильности PCMX часто обнаруживался в водной среде, например, в концентрации 0.1–1.2 мкг/л в индонезийской речной воде, 0.2–10.6 мкг/л в речной воде Гонконга, 1.62–9.57 мкг/л в речной воде Китая (материковая часть) и 0.06–0.79 мкг/л в морской воде Кувейта. Хотя PCMX в целом считается безопасным для человека, Агентство по охране окружающей среды США (USEPA) указало, что PCMX умеренно токсичен для водных беспозвоночных и высокотоксичен для пресноводных рыб. Токсикологические исследования сообщили о неблагоприятных эффектах PCMX на водные организмы, включая эндокринные нарушения, эмбриональную смертность и пороки развития. Хроническое воздействие PCMX в концентрациях в окружающей среде (~4.2 мкг/л) может вызывать генную регуляцию и морфологические изменения у радужной форели. Недавно было обнаружено и идентифицировано ~120 галогенированных побочных продуктов дезинфекции (DBP от disinfection byproduct) в дезинфицированной питьевой воде и сточных водах. Ученые заметили, что большинство недавно идентифицированных DBP представляют собой галогенфенольные соединения, которые структурно похожи на PCMX, такие как галогенфенолы, галогенонитрофенолы, галогенгидрохиноны, галогенгидроксибензальдегиды, галогенгидроксибензойные кислоты и галогенсалициловые кислоты (изображение №1).
Исследовательские группы также идентифицировали некоторые новые галогенфенольные DBP, включая галогенбензолтриолы и галогенгидроксибензонитрилы. Структурные свойства галогенфенольных DBP, по-видимому, обеспечивают их антимикробную активность в качестве дезинфицирующих средств. Кроме того, исследования по трансформации недавно идентифицированных DBP показали, что некоторые галофенольные DBP могут быть детоксифицированы солнечным фотолизом через дегалогенирование и дальнейшее расщепление кольца до алифатических соединений в морской воде. Это подразумевает, что использование галофенольных DBP в качестве дезинфицирующих средств может смягчить экологические проблемы, вызванные дезинфицирующими средствами. Однако эффективность галофенольных DBP в инактивации патогенов, разлагаемость галофенольных DBP в водной среде без солнечного света и связанная с этим вариация токсичности остаются неизвестными.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые рассмотрели эффективность различных DBP против типичных патогенных микроорганизмов в сравнении с PCMX. Соединив эффективность дезинфекции с кинетикой разложения и детоксикации в морской воде, из этих DBP был выбран потенциальный дезинфицирующий агент. Ученые обнаружили, что выбранный DBP продемонстрировал значительно более высокую антимикробную эффективность, чем PCMX, и что его концентрация и связанная с ним токсичность при наличии морской воды быстро снижались, даже в темноте. Результаты исследования демонстрируют потенциал этого DBP как эффективного дезинфицирующего средства широкого спектра действия, которое быстро разлагается и детоксифицируется в морской воде.
Результаты исследования
Антимикробные свойства DBP
Изначально ученые проверили галофенольные DBP на предмет потенциальных дезинфицирующих средств, в первую очередь, на основе их острой токсичности и разлагаемости. Азотистые DBP, такие как галонитрофенолы и галогидроксибензонитрилы, были исключены, поскольку они, как правило, обладают более высокой токсичностью и более высокой стабильностью, чем углеродистые DBP. Среди недавно идентифицированных галофенольных DBP 5-бромсалициловая кислота и 2,5-дибромгидрохинон показали самые короткие периоды полураспада при солнечном облучении. 2,4-дигалогенфенолы показали относительно высокие константы скорости фотодеградации и низкую токсичность среди галофенолов. Недавние достижения в исследованиях DBP показали, что йодированные DBP, как правило, более токсичны, но менее стабильны, чем их бромированные и хлорированные аналоги. Поэтому были включены хлорированные, бромированные и йодированные виды трех групп DBP (т. е. 2,4-дигалогенфенолы, 2,5-дигалогенгидрохиноны и 5-галогенсалициловые кислоты).
Изображение №2
Первым делом ученые изучили антимикробную активность выбранных DBP и PCMX против Escherichia coli (грамотрицательные бактерии), которая является общепринятым индикатором патогенного заражения и была идентифицирована как движущий фактор колоректального рака. Следуя рекомендуемому USEPA временному диапазону 0.25–10 минут для дезинфекции поверхности, было выбрано время контакта 5 минут. Эффективность дезинфекции против E. coli была в порядке убывания: 2,4-дигалофенолы > 2,5-дигалогидрохиноны > 5-галогенсалициловые кислоты (pH 7.2; 2a).
Кривые выживания E. coli следовали отсроченному закону Чика-Уотсона, при этом 2,4-дииодфенол (0.79 л/мг/ч) имел более высокую константу скорости инактивации, чем PCMX (0.66 л/мг/ч), который, в свою очередь, имел более высокую константу скорости инактивации, чем другие DBP.
Учитывая, что дезинфицирующие средства обычно разбавляются обычной бытовой водой (pH 6.5–8.5) перед использованием, инактивация E. Coli DBP была исследована при различных условиях pH. С увеличением pH эффективность дезинфекции 2,4-дигалогенфенолов оставалась прежней, в то время как эффективность 2,5-дигалогенгидрохинонов значительно увеличивалась в 1.8–3.2 раза (2b). Поскольку было обнаружено, что 5-галогенсалициловые кислоты неэффективны в инактивации E. coli при тестируемых концентрациях и значениях pH (2a, 2b), они были исключены из дальнейшего тестирования. Чтобы проверить широкий спектр антимикробного потенциала DBP, ученые изучили их эффективность в инактивации Staphylococcus aureus (грамположительные бактерии), Candida albicans (грибы) и бактериофага MS2 (вирусы) при pH 7.2 и времени контакта 5 минут. Порядок ранжирования эффективности PCMX и DBP в инактивации S. aureus, C. albicans или MS2 был в основном таким же, как и в инактивации E. coli, при этом 2,4-дииодофенол показал наибольший антимикробный эффект в той же дозе (2c).
Токсичность DBP
Морская вода является непосредственным или конечным водоемом для муниципальных сточных вод и городских стоков. Городские сточные воды наносят ущерб морским экосистемам на протяжении десятилетий. Platynereis dumerilii — это повсеместно распространенная морская полихета в прибрежных водах, где она питается морскими водорослями и играет жизненно важную роль в основании трофической пирамиды в морских экосистемах. Она широко использовалась в качестве модельного организма для оценки морской экотоксичности. Чтобы оценить риск использования DBP в качестве дезинфицирующих средств для эмбрионального развития P. dumerilii, ученые рассмотрели как сценарий использования, так и токсичность PCMX и DBP. Принимая дозу для 3-log (99.9%) снижения E. coli в качестве используемой концентрации, ученые определили фактор разбавления (DF от dilution factor) этой концентрации, при которой 50% эмбрионов развивались нормально по сравнению с контрольным образцом (EC50,DF; 2d).
Дезинфицирующее средство с более высоким EC50,DF требует большего фактора разбавления для ослабления его токсичности, что указывает на более высокий риск. EC50,DF был в порядке убывания 2,5-дигалогидрохиноны > 2,4-дигалофенолы > PCMX. При наличии морской воды PCMX и DBP разлагались в соответствии с кинетикой псевдопервого порядка под воздействием солнечного света или в темноте.
Солнечный фотолиз 2,4-дигалофенолов (период полураспада 35–83 часа; 2e) был быстрее, чем у PCMX (период полураспада 257 часов). В отсутствие солнечного света как 2,4-дигалофенолы, так и PCMX разлагались незначительно (менее 5% за 120 часов; 2f). 2,4-дигалофенолы показали в 1.9–2.1 раза более высокое значение EC50,DF и в 3.1–7.3 раза большую константу солнечного распада, чем PCMX. Это позволяет предположить, что 2,4-дигалофенолы могут быть потенциальными дезинфицирующими средствами.
Учитывая, что УФ-компонент солнечного света может проникать только в самые верхние метры морской воды, а разложение 2,4-дигалофенолов происходит в основном посредством солнечного фотолиза в поверхностной фракции морской воды в солнечное дневное время, 2,4-дигалофенолы все еще недостаточно идеальны для использования в качестве дезинфицирующих средств. Для сравнения, 2,5-дигалогенгидрохиноны чрезвычайно быстро разлагались в условиях света и темноты (2e, 2f) с периодами полураспада 0.12–0.16 часов. Из-за быстрого разложения значения EC50,DF хлорированных, бромированных и йодированных 2,5-дигалогенгидрохинонов были рассчитаны как более низкие, чем у PCMX после 0.92, 0.94 и 0.71 часов соответственно в морской воде в темноте. Однако чрезвычайно высокая нестабильность в воде (pH 6.2–8.2) и высокие концентрации при использовании в дезинфекции сделали 2,5-дигалогенгидрохиноны непригодными в качестве дезинфицирующих средств.
Тем не менее ученые отмечают, что с ростом pH эффективность дезинфекции 2,5-дигалогидрохинонов резко возросла (2b). Гидрохинон подвержен окислению в щелочных растворах. Это натолкнуло ученых на гипотезу, что дигалобензохиноны (продукты окисления дигалогидрохинонов) могут быть более эффективными в инактивации патогенов.
Антимикробные свойства 2,6-дихлорбензохинона (2,6-DCQ)
Изображение №3
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые исследовали антимикробные свойства 2,6-дихлорбензохинона (2,6-DCQ), который также является недавно идентифицированным DBP и оказался немного более эффективным в инактивации E. coli, чем его изомер 2,5-DCQ. 2,6-DCQ продемонстрировал существенно более высокую эффективность дезинфекции против всех четырех протестированных патогенов, чем PCMX (3a). Были определены константы скорости инактивации 2,6-DCQ и PCMX против E. coli, S. aureus, C. albicans и MS2. При фиксированном времени контакта в 5 минут для достижения 3-log инактивации E. coli, S. Aureus, C. albicans и MS2 (3a) 2,6-DCQ потребовались дозы 12.8, 28.6, 35.4 и 46.1 мг/л соответственно. Соответствующие дозы, необходимые для PCMX, составили 188, 308, 320 и 1010 мг/л, что в 9.0–22 раза выше доз, необходимых для 2,6-DCQ.
Чтобы получить представление о механизме дезинфекции 2,6-DCQ, ученые окрасили E. Coli пропидийиодидом, непроницаемым для мембран красителем, и провели анализ с помощью флуоресцентной микроскопии. Дезинфекция с помощью 2,6-DCQ привела к значительному количеству E. coli, окрашенных йодидом пропидия, что указывает на то, что клетки E. coli потеряли целостность мембраны после воздействия 2,6-DCQ. Более высокая интенсивность флуоресценции указывает на большее количество клеток с поврежденной мембраной. Увеличение интенсивности флуоресценции (в 3.5–59.2 раза по сравнению с контрольным образцом) с увеличением дозы 2,6-DCQ указывает на то, что разрушение клеточной мембраны играет важную роль в дезинфекции с помощью 2,6-DCQ.
Характеристики деградация и детоксикация 2,6-DCQ в морской воде
Чтобы рассмотреть потенциальную экологическую проблему, связанную с использованием предлагаемого дезинфицирующего средства, ученые исследовали деградацию 2,6-DCQ в морской воде (pH 8.2). Она следовала кинетике псевдопервого порядка (3b) с солнечным облучением и без него. Интересно, что скорость деградации 2,6-DCQ в темноте была сопоставима с таковой при солнечном свете. В морской воде период полураспада 2,6-DCQ под солнечным светом (1.33 часа) был в 193 раза короче, чем у PCMX (257 часов), а период полураспада 2,6-DCQ в темноте (1.74 часа) был в 3000 раз короче, чем у PCMX (~240 дней).
Чтобы охарактеризовать быструю деградацию 2,6-DCQ в морской воде, ученые затем исследовали влияние pH на кинетику деградации 2,6-DCQ (3b). При регулировании морской воды до pH 6.2 и 7.2 периоды полураспада 2,6-DCQ под воздействием солнечного излучения составили 4.13 и 3.20 часа соответственно; периоды полураспада 2,6-DCQ в темноте составили 76.2 и 13.4 часа соответственно.
Результаты показывают, что солнечный свет эффективен в содействии деградации 2,6-DCQ, причем эффект более выражен при более низком pH. Усиленная деградация под воздействием солнечного света может быть вызвана фотонуклеофильным замещением и реакциями с образующимися активными формами кислорода (например, гидроксильными радикалами). Кроме того, деградация 2,6-DCQ резко ускорялась с ростом pH, что указывает на важную роль гидролиза в деградации 2,6-DCQ, особенно в темноте.
Ученые также исследовали влияние высокого уровня хлорида в морской воде на деградацию 2,6-DCQ в темноте. Результаты показали, что ионы хлорида не оказали заметного влияния на деградацию 2,6-DCQ. Быстрая деградация 2,6-DCQ в морской воде была связана со слабощелочной природой (pH 8.2) морской воды, где концентрация гидроксида в 15.8 раз выше, чем при pH 7.0, и может происходить усиленный гидролиз 2,6-DCQ.
Далее ученые исследовали путь деградации 2,6-DCQ в морской воде в темноте. Используя высокоэффективную жидкостную хроматографию/электроспрейную ионизацию-тройную квадрупольную масс-спектрометрию (UPLC/ESI-tqMS от ultra-performance liquid chromatography/electrospray ionization-triple quadrupole mass spectrometry), ученые обнаружили три продукта распада 2,6-DCQ в морской воде в темноте. Был синтезирован наиболее значимый продукт распада, 3-гидроксил-2,6-дихлор-1,4-бензохинон (OH-DCQ), и проведена проверка чистоту синтезированного соединения с помощью UPLC/ESI-tqMS. При резкой деградации 2,6-DCQ (3c) быстро образовался OH-DCQ посредством гидролиза 2,6-DCQ. Концентрация OH-DCQ достигла своего максимума через 5.5 часа, что соответствует 41% от начальной молярной концентрации 2,6-DCQ, и затем оставалась стабильной. Молекулярный ион также быстро образовался, и было предложено, что он является димерным продуктом OH-DCQ, связанным с исходным соединением (3d). Продукт связи может подвергаться гидролизу с образованием 3-гидроксил-6-монохлор-1,4-бензохинона и OH-DCQ, и, таким образом, его площадь пика максимизируется при относительно коротком времени деградации (3.75 часа). Гидролиз продукта связи подтверждается стабильной площадью пика OH-DCQ после истощения исходного соединения.
Учитывая дозы, необходимые для 3-log инактивации E. coli, ученые оценили сравнительные риски 2,6-DCQ и PCMX для развития эмбриона P. Dumerilii (3e). В точке выброса в морскую воду (при времени деградации, установленном как 0 часов), 2,6-DCQ показал немного более высокую токсичность, чем PCMX. Однако при быстрой деградации 2,6-DCQ в морской воде в темноте токсичность 2,6-DCQ (по сути, смеси 2,6-DCQ и продуктов его деградации) резко снизилась, при этом значение EC50,DF снизилось с 21.7 до 0.28 за 48 часов. Ученые также оценили токсичность OH-DCQ, основного продукта деградации 2,6-DCQ. Токсичность 2,6-DCQ для эмбрионов P. dumerilii была в 149 раз выше, чем у OH-DCQ. Это указывает на то, что деградация 2,6-DCQ в морской воде представляет собой быстрый процесс детоксикации. Напротив, токсичность PCMX оставалась неизменной от 0 до 48 часов, что согласуется с незначительной деградацией PCMX в темноте. В частности, после 2 часов деградации 2,6-DCQ и PCMX были сопоставимы по токсичности с EC50,DF 8.48 и 8.58 соответственно. По мере увеличения времени деградации значение EC50,DF 2,6-DCQ продолжало снижаться и достигло всего 3.0% от EC50,DF PCMX через 48 часов. Другими словами, 2,6-DCQ был в 31 раз менее токсичным, чем PCMX после 48 часов деградации в темноте.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые попытались найти альтернативу высокоэффективному, но очень неэкологичному дезинфектору PCMX (хлороксиленол). Данное вещество показало высокую эффективность в борьбе с различными бактериями, вирусами и грибками, однако его сильная химическая стабильность и массовость использования вызывают массу экологических проблем в рамках морской экосистемы. Дело в том, что PCMX является крайне токсичным и живучим соединением, которое негативно влияет на развитие множества живых организмов в морской среде, среди которых показательным является морская полихета Platynereis dumerilii, играющая важную роль в основании трофической пирамиды в морских экосистемах.
Разработанный учеными дезинфектор (2,6-DCQ или 2,6-дихлорбензохинон) являться побочным продуктом PCMX, однако его эффективность в рамках борьбы с микробами намного выше, как и его скорость разложения, а токсичность при этом намного ниже. Важную роль в столь положительных характеристиках 2,6-DCQ играет слегка щелочная природа морской воды, сопутствующая снижению токсичности и ускорению разложения.
Как считают авторы разработки, их труд является не только важной вехой на пути к экологичным и высокоэффективным дезинфекторам, но и ярким примером того, что создание экологически чистых промышленных продуктов не только потенциально возможно, но и вполне реально. К примеру, пестициды, фармацевтические препараты и средства личной гигиены могут быть разработаны с учетом полученных в этом исследовании знаний, в результате чего новые их варианты не потеряют в эффективности, но при этом станут намного менее вредными для окружающей среды.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
