vitold@bakhir.ru
+7 (495) 774-6226, +7 (495) 774-8668
Электрохимические системы и технологии Витольда Бахира

Эффективность и безопасность химических средств для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации

УДК: 621.357

В.М.Бахир1), В.И.Вторенко2), Б.И.Леонов1),
С.А.Паничева3), В.И.Прилуцкий1), Н.Ю.Шомовская1)

1)Всероссийский
Научно-Исследовательский и Испытательный Институт Медицинской
Техники (ВНИИИМТ МЗ РФ), г. Москва, 2)Городская Клиническая
Больница № 52 (ГКБ №52), г. Москва, 3)Electrochemical
Technologies Ltd. (ECT, Ltd.), St.Louis, USA.

Предложена концепция оценки
эффективности и безопасности химических антимикробных средств,
рассмотрены перспективные направления развития
дезинфекционного дела.

Ассортимент антимикробных препаратов для
дезинфекции в последние годы существенно расширился. В России
разрешено применение и практически используется более 400
препаратов для дезинфекции, предстерилизационной очистки и
стерилизации. Однако, оценивая по научным публикациям
последнего десятилетия результаты борьбы человека с миром
микробов, несложно убедиться, что «перевес» не на стороне
человека. Возрастает количество штаммов микроорганизмов,
устойчивых к целым классам химических соединений.
Периодические плановые замены одних антимикробных средств на
другие в общем комплексе дезинфекционных мероприятий ЛПУ не
решают проблему внутрибольничных инфекций, они лишь сдерживают
их натиск и обеспечивают весьма шаткий баланс, часто
нарушаемый случайными факторами.

Официальные программные документы,
определяющие стратегию борьбы с внутрибольничными инфекциями и
пути развития дезинфекционного дела, базируются на результатах
анализа статистических данных по применению тех или иных
антимикробных средств и по существу лишь отражают предложения
рынка химических препаратов, практически не оказывая
инициативного влияния на его формирование.

Отсутствие единой научной
концепции борьбы с микробами, базирующейся на фундаментальных
законах биологии, современных достижениях физики, химии,
других наук, не оставляет надежды на сколько-нибудь серьезные
успехи в санитарно-эпидемиологической защите населения, по
крайней мере в настоящем.

Несколько примеров в подтверждение
сказанного. В концепции профилактики внутрибольничных
инфекций, утвержденной в 1999 году Первым заместителем
Министра здравоохранения РФ [1], постулируется, что наиболее
перспективной группой соединений для обеззараживания
различного рода поверхностей в помещениях и других объектов в
ЛПУ являются катионные поверхностно-активные вещества (КПАВ) —
четвертичные аммониевые соединения (ЧАС) и некоторые другие
органические соединения. Утверждается, что поскольку эти
соединения неопасны, они могут применяться у постели больного.
Для обеззараживания и предстерилизационной очистки изделий
медицинского назначения кроме КПАВ рекомендуется использовать
также альдегиды и спирты.

Спустя три года в докладе [2], посвященном
основным направлениям повышения эффективности дезинфицирующих
средств, подчеркивается, что анализ практики применения всех
дезинфицирующих средств выявил их несоответствие современным
требованиям к специфической эффективности и гигиенической
безопасности. В частности, отмечается, что КПАВ, обладая
стабильностью, хорошими моющими свойствами, вместе с тем не
активны, либо малоактивны в отношении устойчивых видов и форм
микроорганизмов — микобактерий туберкулеза, грибов, спор
бацилл. Неблагоприятными свойствами КПАВ являются быстрое и
частое формирование устойчивости микроорганизмов к их
воздействию. Жидкие концентраты КПАВ с высоким содержанием
действующих веществ обладают выраженным резорбтивным и
раздражающим действием на кожу и слизистые оболочки глаз,
часто являются аллергенами. В том же докладе указано, что
наличие у альдегидов высокой токсичности и сорбционной
способности не позволяет широко рекомендовать их для обработки
поверхностей, белья и посуды.

Высокая токсичность глутарового альдегида
общеизвестна [3]. Именно поэтому его применение законодательно
запрещено в Англии с мая 2002 года [4]. Однако, в России
продолжается реклама и продажа препаратов на его основе.

В программном докладе [5], посвященном
методологическим проблемам современной дезинфектологии,
утверждается, что идеальные (а следовательно, и перспективные)
химические средства для обеззараживания медицинских изделий
наряду с высокой микробоцидной активностью и некоторыми
другими свойствами, должны обладать длительными сроками
хранения, но в то же время быть готовыми к употреблению без
предварительной активации или смешивания с другими
компонентами, также должны отличаться простотой утилизации
отработанного раствора.

Длительное хранение химического средства
осуществимо при высокой химической стабильности действующих
веществ, однако, утилизация стабильного вещества после
использования нуждается в эквивалентных затратах других
веществ или энергии. Таким образом, сочетание требований
стабильности с простотой утилизации невозможно
принципиально.

Что касается требования по исключению
предварительной активации перед употреблением «идеального»
химического средства, то следует учесть, что все многообразие
торговых марок антимикробных химических средств построено на
использовании всего нескольких классов химических соединений,
известных много десятков лет. Появление нового класса
соединений, соответствующих указанному требованию,
маловероятно. Общая тенденция в развитии химических
дезинфектантов в последние годы состоит не в создании новых
дезинфектантов, а в поиске способов активации уже известных
дезинфицирующих средств, в том числе, химическими добавками.
Например, если до недавнего времени для целей стерилизации и
дезинфекции высшего уровня в США традиционно применялся
пероксид водорода в виде 6% раствора, то с целью уменьшения
его корродирующей способности при одновременном повышении
антимикробной активности, в настоящее время созданы технологии
стерилизации плазмой пара этого соединения [6]. Таким образом,
активация химических дезинфектантов направлена на разработку
режимов, при которых минимальная концентрация активных
действующих веществ обеспечивает высокий бактерицидный эффект,
а коррозионная или деструктивная активность по отношению к
материалам изделия, а также токсическое воздействие на
человека становятся минимальными. Время воздействия,
концентрация, температура и условия применения действующих
веществ при этом являются важнейшими характеристиками процесса
дезинфекционной обработки изделия медицинского назначения и
являются основными параметрами любой практической
методики.

Как следует из упомянутого выше доклада
[2], в России также одним из главных направлений повышения
эффективности дезинфицирующих средств считается добавление в
рецептуру активаторов, синергистов, использование
дополнительных физических воздействий, т.е. создание условий
при которых действующие вещества в момент применения
дезинфицирующего средства находились бы в метастабильном
состоянии, например, в стадии пролонгированной химической
реакции с активаторами.

Рассмотрим более подробно процессы,
сопровождающие применение раствора стабильного органического
вещества для дезинфекционной уборки помещения на примере
соединений, обладающих мембраноатакующим механизмом подавления
микроорганизмов. К таким веществам относятся КПАВ, фенолы,
йодофоры и ряд других.

В связи со сложностью строения и
многофункциональностью мембранного аппарата микроорганизмов,
конкретные механизмы взаимодействия указанных выше веществ с
биополимерами мембраны изучены крайне слабо.

Цитоплазматическая мембрана является
исключительно жизненно важной структурой любых клеток, в том
числе микробных. Входящие в ее состав органические соединения
имеют много реакционноспособных групп, что обсловливает
высокую чувствительность мембраны к повреждающим факторам
различной природы. Известно, что мембраноатакующие препараты
при больших концентрациях разрушают входящие в состав мембраны
биополимеры. В результате происходит лизис микробной клетки.
Те же препараты в малых дозах нарушают функции мембраны
(изменяют осмотическое давление, проницаемость, процессы
переноса через мембрану молекул и ионов, ингибируют
метаболические процессы и биологическое окисление, вызывают
торможение деления клеток).

Катионные поверхностно-активные вещества
(четвертичные аммониевые соединения) концентрируются на
мембране и связываются с фосфатидными группами составляющих ее
липидов; анионные поверхностно-активные вещества (ПАВ), к
которым относятся щелочные мыла, алкил- и арилсульфоны,
йодофоры, взаимодействуют с реакционноспособными группами
белков мембран. Фенолы и спирты растворяют липидные фрагменты
мембраны.

После окончания дезинфекции влажные
поверхности подсыхают, органические вещества концентрируются в
объеме пористых материалов и на гладких поверхностях,
превращаются в тончайшую, невидимую глазом пленку и с гораздо
меньшей интенсивностью, чем при испарении во время влажной
уборки, выделяют свои молекулы в воздух помещения за счет
процесса сублимации. Формирующийся при этом аэрозоль
дезинфектанта часто не обладает запахом, что создает иллюзию
его безвредности. Однако, следует иметь в виду, что в
соответствие с известными законами физики, каждый литр воздуха
в помещении, как правило, содержит несколько миллиардов
молекул испаряющегося естественным образом, либо за счет
сублимации, вещества, даже если его концентрация не
фиксируется табельными приборами и не превышает сотых и
тысячных долей ПДК. В процессе дыхания, а также через кожу и
слизистые оболочки эти молекулы попадают в организм человека
(пациентов, персонала) и каждая из них продолжает выполнять
свою главную рабочую функцию – подавление жизнедеятельности
клеток, но уже в организме человека. Химическая стабильность
дезинфектантов создает предпосылки для их кумуляции в
организме с последующей миграцией по пищевым цепям.

Сообщество микроорганизмов, немедленно
возникающее на высохшем и утратившем микробоцидную активность
органическом веществе, которое недавно было действующим,
использует его как питательную среду, попутно вырабатывая
резистентность к данному виду дезинфектанта. Процессы,
подобные описанному в данном примере, не очень давно стали
предметом внимания исследователей и находятся в стадии
изучения [7,8].

Вполне очевидно, что
разрабатывая все новые и новые химические средства
для борьбы с микробами, к которым те через некоторое время
приспосабливаются, человек создает условия для
совершенствования механизма изменчивости микробов, инициирует
своими действиями появление новых устойчивых к дезинфицирующим
средствам штаммов микроорганизмов.
Это тем более
опасно в связи с тем, что в ЛПУ крайне редко проводятся
целенаправленные и систематические исследования в этой
области, поэтому в подавляющем большинстве случаев не
представляется возможным определить, в течение какого именно
времени после начала применения конкретного дезинфекционного
средства микроорганизмы обрели устойчивость и выработали
адаптивные реакции.

В настоящее время под эффективностью
дезинфицирующего средства понимают, в основном, спектр его
антимикробной активности. Также к определению эффективности
относят время экспозиции, необходимое для проявления
обеззараживающего эффекта. Однако, с более широких позиций,
изложенных выше, эффективным дезинфицирующее
химическое средство может считаться только в том случае, если,
обладая определенным спектром антимикробной активности, оно не
вызывает привыкания к нему микроорганизмов при длительном
применении.
Иными словами, эффективное
дезинфицирующее средство можно и нужно применять годами и
десятилетиями, будучи уверенными в том, что по отношению к
нему микроорганизмы не смогут выработать резистентность по
принципиальным причинам.

Известны и довольно широко используются
различные способы и технологии обеззараживания,
соответствующие данному выше определению эффективности. К
таким способам и технологиям следует отнести воздействие
проникающим электромагнитным излучением (рентгеновским,
гамма-лучами), ультрафиолетовое облучение, обработку
ионизированной плазмой, наконец, термические методы
уничтожения микроорганизмов. Во всех указанных случаях при
холодной дезинфекции и стерилизации в жидкой среде
микробоцидная активность обусловлена метастабильным состоянием
растворенного дезинфектанта.

Рассмотрим механизм антибактериальной
защиты, созданный природой и функционирующий во внутренней
среде животных организмов – от одноклеточных до человека, на
протяжении миллионов лет без каких-либо сбоев.

В настоящее время неоспоримо доказано [9],
что ведущая роль в бактерицидном действии нейтрофилов
принадлежит хлорноватистой кислоте (HClO) вырабатываемой
фагоцитирующими клетками. При респираторном взрыве до 28% от
общего количества кислорода, потребляемого нейтрофилами,
расходуется на образование HClO. Образование HClO в
нейтрофилах происходит из перекиси водорода и хлорид-ионов.
Катализатором в этой реакции выступает миелопероксидаза
(МПО):

H2O2 + Cl [Cat
(МПО)] HClO +
OH [9, 10].

Хлорноватистая кислота диссоциирует в
водной среде с образованием гипохлорит-аниона и иона
водорода:

HClO ClO + Н+.

При значениях рН, близких к нейтральному,
концентрации HClO и гипохлорит-анионов ClO
приблизительно равны. Понижение рН приводит к сдвигу
равновесия этой реакции в сторону увеличения концентрации
HClO, увеличение – в сторону повышения концентрации
гипохлорит-анионов.

Образование H2O2 и
HClO в короткий период времени (доли секунды) в малом объеме
водной среды (доли микролитра) – т.е. в объеме активной зоны
фагоцитоза неизбежно должно сопровождаться реакциями
спонтанного распада и взаимодействия продуктов превращений
этих соединений с образованием активных частиц, аналогичных
тем, которые образуются при радиолизе или электролизе
воды.

Самопроизвольный распад перекиси водорода
в водной среде сопровождается образованием соединений,
обладающих очень высокой антимикробной активностью (в скобках
приведены соответствующие химические реакции):

HO2 – анион
гидропероксида (H2O2 + OH
HO2 +
H2O);

О22
пероксид-анион (OH +
HO2 O22 +
H2O);

О2
супероксид-анион (O22 +
H2O2
O2 +
OH + OH );

НО2
радикал пероксида водорода (НO +
H2O2
H2O + HO2);

HO2 – супероксид водорода
(O2 +
H2O
HO2 + OH).

Одновременно возможным является процесс
образования чрезвычайно реакционноспособного синглетного
кислорода 1О2 : (ClO +
H2O2 1О2 + H2O + Cl ).
Экспериментально установлено [10, 11] участие в реакциях
фагоцитоза молекулярного ион-радикала кислорода
О2, одним
из путей образования которого может быть описанный выше.

Известно, что в водной среде в присутствии
НСlО и СlO
возможно образование активных свободных радикалов СlO, Сl, НО:

HClO + ClO
ClO + Cl +
НO.

Также весьма вероятным, с позиций
современой теории каталитических процессов, представляется
образование промежуточного активированного комплекса с
участием в качестве катализатора миелопероксидазы. Распад
этого комплекса сопровождается образованием О,
возвращением катализатора в исходное состояние и подкислением
среды:

HClO + ClO
[HClO Cat
(МПО)
ClO ] 2Сl + 2O +
Н+

Активные гипохлорит-радикалы СlO могут принимать участие в реакциях образования
атомарного кислорода (O) и
радикала гидроксила (НO):

СlO +
СlO + ОН
Сl + 2O +
ОН.

Дальнейшее развитие цепи происходит в
процессе формирования атомарного хлора:

OH +
Cl Cl + OH.

Образующиеся радикалы, атомарный кислород
принимают участие в уничтожении микроорганизмов,
взаимодействуя с биополимерами, способными к окислению,
например, в соответствии с реакциями:

RH2 + OH
RH + H2O;

RH2 + Cl
RH + HCl;

RH2 + O
RH + OH .

Метастабильная смесь соединений,
образующаяся в процессе фагоцитоза, является весьма
эффективным средством уничтожения микроорганизмов, поскольку
обладает множеством спонтанно реализующихся возможностей
изменения (необратимого нарушения) жизненно важных функций
биополимеров микроорганизмов на уровне реакций передачи
электронов. Метастабильные частицы с различными значениями
электрохимического потенциала обладают универсальным спектром
действия, т.е. способны оказывать повреждающее действие на все
крупные систематические группы микроорганизмов (бактерии,
микобактерии, вирусы, грибы, споры), не причиняя вреда клеткам
тканей человека и других высших организмов, т.е. соматическим
животным клеткам в составе многоклеточной системы.

Это обусловлено принципиальными отличиями
в строении и условиях жизни клеток этих форм жизни. Клетки
высших организмов в процессе жизнедеятельности, например, в
оксигеназных реакциях функционирования цитохрома Р-450, во
время фагоцитоза при адгезии и обездвиживании микробных
клеток, продуцируют и используют целый ряд высокоактивных
оксидантов. Эти клетки обладают мощной химической системой
антиоксидантной защиты, предотвращающей токсическое
воздействие подобных веществ на жизненно важные клеточные
структуры. Антиоксидантные свойства соматических клеток
связаны с наличием мощной трехслойной липопротеидной оболочки,
которая содержит обладающие электрондонорными свойствами
диеновые конъюгаты (–С=С–) и сульфгидрильные группы (SH).
Микроорганизмы не имеют мощных систем антиоксидантной защиты с
участием указанных химических групп.

Все соматические клетки животных
организмов являются гетеротрофами: их трофика зависит от
наличия во внеклеточной среде питательных компонентов:
глюкозы, аминокислот, жирных кислот. Биологическое
благополучие соматической клетки зависит от того места,
которое она занимает в процессе распределения трофических
функций всех элементов многоклеточной системы (клетка
поддерживает клетку).

Функции трофики животных клеток
подчиняются закону взаимозаменяемости. Если трофика одной
отдельной клетки нарушена, то это нарушение может быть
скорректировано нейротрофическими регуляциями, эндокринными
регуляциями, функцией соседних клеток, репаративными
процессами, нутритивной функцией крови и т.д.

Все микробные клетки являются аутотрофами
и их питание зависит от их собственной энергетической
активности, т.е. если ферментные процессы внутри микробной
клетки подавлены, то это влечет за собой ее гибель, поскольку
компенсаторные механизмы отсутствуют. Микробная клетка
обеспечивает все свои трофические функции только за счет
ферментных реакций. Взаимодействие между микробными клетками в
среде их обитания не является компенсаторным, т.е. уязвимое
место микробной клетки — это ее автономизм.

Максимальное использование
фундаментальных различий живых существ микро- и
макробиологического мира является идеологической основой
электрохимически активированных антимикробных растворов
[12].

Как физико-химический процесс,
электрохимическая активация — это совокупность осуществляемых
в условиях минимального выделения тепла электрохимического и
электрофизического воздействий на воду с содержащимися в ней
ионами и молекулами растворенных веществ в области
пространственного заряда у поверхности электрода (либо анода,
либо катода) электрохимической системы при неравновесном
переносе заряда через границу «электрод-электролит»
электронами [13, 14].

В результате электрохимической активации
вода переходит в метастабильное (активированное) состояние,
проявляя при этом в течение нескольких десятков часов
повышенную реакционную способность в различных
физико-химических процессах.

Электрохимическая активация позволяет
направленно изменять состав растворенных газов,
кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства
воды в пределах больших, чем при эквивалентном химическом
регулировании, синтезировать из воды и растворенных веществ
химические реагенты (окислители или восстановители) в
метастабильном состоянии. Это используется в процессах очистки
и обеззараживания воды, а также для преобразования воды или
разбавленных растворов электролитов в экологически чистые
антимикробные (дезинфицирующие, стерилизующие), моющие,
экстрагирующие и другие функционально полезные растворы.

Для электрохимического преобразования воды
и содержащихся в ней растворенных веществ используются
проточные диафрагменные модульные электрохимические реакторы –
элементы ПЭМ.

Отличительными особенностями элементов ПЭМ
являются сочетание в одном элементе свойств реактора
идеального вытеснения и реактора идеального смешения, а также
высокие технико-экономические показатели при работе на пресной
воде и низкоминерализованных растворах.

Известны несколько типов электрохимически
активированного анолита, вырабатываемого в установках СТЭЛ,
которые обозначаются аббревиатурами А, АН, АНК и отличаются
физико-химическими свойствами и микробоцидной активностью, что
обусловлено различными технологическими процессами их
получения. В настоящее время наиболее совершенным из
электрохимически активированных растворов по функциональным и
технологическим свойствам является анолит АНК, который
получают в установках СТЭЛ посредством обработки в
электрохимических реакторах из элементов ПЭМ исходного
водно-солевого раствора. Технологический процесс получения
включает на первой стадии катодную обработку исходного
раствора, в процессе которой повышается его рН при
одновременном насыщении растворенным водородом, затем из
полученного католита удаляют газообразный водород и
нерастворимые гидроксиды тяжелых металлов, образовавшиеся при
взаимодействиии катионов металлов с гидроксил-анионами, после
чего производится анодная обработка для насыщения анолита
гидропероксидными и хлоркислородными оксидантами. Некоторые из
реакций, сопровождающих процесс получения анолита АНК,
приведены ниже.

Реакции первого этапа получения
анолита АНК:

2H2O + 2Na+ + 2e
2NaOH + H2 (образование гидроксида
натрия);

2H2O + 2e
H2 + 2OH
(образование свободных анионов гидроксила при плотности тока
более 500 А/м2; скорость реакции возрастает при
уменьшении концентрации хлорида натрия);

О2 + Н2О + 2е
НО2 +
ОН (образование аниона пероксида с участием
растворенного в воде кислорода);

О2 + 2Н2 + 2е
Н2О2 + 2ОН
(образование пероксида водорода с участием растворенного в
воде кислорода);

Реакции последнего этапа получения
анолита АНК:

2Cl — 2e
Cl2 (образование молекулярного хлора,
который немедленно вступает в реакции взаимодействия с
компонентами приэлектродной среды):

Cl2 + H2O HClO + HCl;

HCl + NaOH NaCl +
H2O;

2H2O — 4e
4H+ + O2 (образование кислорода и ионов
оксония);

OH +
Cl — 2e HClO
(прямой синтез хлорноватистой кислоты);

Cl +
2OH — 2e ClO + H2O (прямой синтез
гипохлорит-аниона);

3OH — 2e
HO2 +
H2O (образование аниона пероксида);

HO2 — e
HO2 (образование супероксида
водорода);

OH — e
HO
(образование радикала гидроксила);

Cl + 4
OH — 5 e
ClO2 + 2H2O (образование диоксида
хлора);

O2 + 2 OH — 3 e
O3 + H2O (образование
озона);

H2O — 2e 2
H+ + O
(образование атомарного кислорода).

Кроме того, в объеме анолита АНК в
процессе релаксации протекают реакции, в результате которых
образуются другие биоцидные соединения, в частности,
синглетный молекулярный кислород (1О2),
молекулярный анион-радикал озона (O3);
гипохлорит-радикал (ClO);
атомарный хлор (Cl);
хлорит- анион (СlO2) и
другие. Сопоставление перечня микробоцидных
соединений, участвующих в процессах фагоцитоза и содержащихся
в анолите АНК выявляет практически полную их
идентичность.

Экологически безопасный электрохимически
активированный анолит АНК имеет «время жизни», необходимое для
осуществления процедуры обеззараживания. После использования
он самопроизвольно деградирует без образования токсичных
соединений-ксенобиотиков и не требуют нейтрализации перед
сливом в канализацию.

Активированным анолит АНК является только
в период релаксации, т.е. все то время, в течение которого
происходит самопроизвольное изменение его физико-химических
параметров, каталитической и биокаталитической активности.
Самопроизвольное изменение этих параметров свидетельствует о
рассеивании избыточной внутренней энергии вследствие известных
диссипативных процессов.

Смесь метастабильных действующих веществ
обеспечивает отсутствие адаптации микроорганизмов к
микробоцидному действию анолита АНК, а малая суммарная
концентрация соединений активного кислорода и хлора
гарантирует полную безопасность для человека и окружающей
среды при его длительном применении.

Химический потенциал молекул и ионов в
анолите АНК намного выше, чем в растворах гипохлоритов. Низкая
минерализация анолита АНК и его повышенная гидратационная
способность, способствующая увеличению проницаемости клеточных
стенок и мембран, создают условия для интенсивного
осмотического и электроосмотического переноса оксидантов во
внутриклеточную среду. Осмотический перенос оксидантов через
оболочки и мембраны микробных клеток намного интенсивнее, чем
через мембраны соматических клеток, ввиду существенного
различия осмотического градиента этих типов клеток.
Ускоренному электроосмотическому переносу оксидантов внутрь
бактериальных клеток способствуют электрически заряженные
кластерные структуры, образованные молекулами растворенных в
воде газов и электроактивными компонентами среды, поскольку
они в зонах контакта с биополимерами создают мощные локальные
электрические поля с высокой степенью неоднородности.

Активированный анолит АНК, получаемый в
установках СТЭЛ, уничтожает возбудителей бактериальной,
вирусной и грибковой этиологии (золотистый стафилококк,
синегнойная и кишечная палочки, вирусы гепатита-В,
полиомиелита, ВИЧ, аденовирусы, возбудители туберкулеза,
сальмонеллеза, дерматомикоза и др.). По своей эффективности
анолит значительно превосходит хлорамин, гипохлорит натрия и
под