Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1847610.36233/0372-9311-422uhrcapORIGINAL RESEARCHESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticleComparative evaluation of disinfectant efficacy against biofilm-residing microorganismsСравнительная оценка эффективности воздействия дезинфицирующих веществ на микроорганизмы в биоплёнкеhttps://orcid.org/0000-0003-2663-0273FedorovaLyudmila S.ФедороваЛюдмила Самуиловна
Russian Federation

D. Sci. (Med.), Professor, Head, Laboratory of overcoming microbial resistance, Institute for Systems Biology and Medicine

д.м.н., профессор, заведующий лабораторией преодоления микробной резистентности НИИ системной биологии и медицины

fedorova-ls@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1867-3495IlyakovaAnastasia V.ИльяковаАнастасия Васильевна
Russian Federation

Researcher, Laboratory of overcoming microbial resistance, Institute for Systems Biology and Medicine

н.с. лаб. преодоления микробной резистентности НИИ системной биологии и медицины

fedorova-ls@yandex.ruInstitute for Systems Biology and MedicineНаучно-исследовательский институт системной биологии и медицины22112023100530230920112023Copyright ©; 2023, Fedorova L.S., Ilyakova A.V.Copyright ©; 2023, Федорова Л.С., Ильякова А.В.2023Fedorova L.S., Ilyakova A.V.Федорова Л.С., Ильякова А.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/18476

Introduction. Bacteria in biofilms (BFs) have increased resistance to antibacterial agents, including disinfectants; however, the efficacy level varies depending on the chosen treatment. Therefore, evaluation of efficacy of main disinfectants against BF-residing microorganisms is of scientific and practical interest.

The purpose of the study was to explore the effect of disinfectants from various chemical groups on gram-positive and gram-negative bacteria residing in BFs.

Materials and methods. The effect of the following disinfectants has been evaluated: alkyldimethylbenzylammonium chloride (ADBAC), tertiary amine (TA), polyhexamethylene guanidine chloride (PHMG), hydrogen peroxide (HP), chloramine (CA), dichloroisocyanuric acid sodium salt (Na DCC), sodium hypochlorite (HC), ethyl alcohol (EA), glutaraldehyde (GA)) against Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 and Staphylococcus aureus ATCC 6538-P BFs. BFs were grown in 96-well plates at 37ºC for 24 hours and then exposed to biocide solutions. The efficacy of disinfectants was evaluated by the number of remaining viable cells and BF relative density.

Results. The analyzed bacterial strains formed moderate BFs; the average number of viable cells in BFs was 6.51 ± 0.19 lg. The viable bacterial cell counts in BFs reduced by more than 4 lg when exposed to HP solutions at a concentration of 6%, Na DCC solution — 0.1% (by active chlorine), HC — 1% (by active chlorine), CA – 1% (by product), PHMG — 0.05%, TA — 1.0 %. The BF density decreased by more than 70%. ADBAC solutions at concentrations of 0.1–1.0%, TA — 0.05%, HP — 3%, Na DCC solution — 0.05% (by active chlorine) caused a 2-lg reduction in viable cell counts in BFs. The efficacy of chlorine-active compounds and HP increased when 0.5% sulfonol was added. GA (0.25–1.00%) and EA (40–70%) solutions were ineffective against BF microorganisms.

Conclusion. A promising potential in combating microbial biofilms is demonstrated by disinfectants from the group of oxidizing agents (chlorine-active and oxygen-containing), TA and PHMG; using ADBAC as an individual compound is ineffective; aldehydes and alcohols are unable to destroy BFs and eliminate microorganisms in them.

Введение. Бактерии в биоплёнке (БП) обладают повышенной устойчивостью к антибактериальным агентам, в том числе дезинфицирующим веществам (ДВ), однако степень эффекта варьирует в зависимости от приложенного воздействия. В связи с этим оценка эффективности основных ДВ в отношении микроорганизмов в БП представляет научный и практический интерес.

Целью исследования было изучение воздействия ДВ различных химических групп на грамположительные и грамотрицательные бактерии в составе БП.

Материалы и методы. Изучено действие ДВ: алкилдиметилбензиламмония хлорида (АДБАХ), третичного амина (ТА), полигексаметиленгуанидина хлорида (ПГМГ), перекиси водорода (ПВ), хлорамина (ХА), натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты (Na-ДХЦК), гипохлорита натрия (ГХ), спирта этилового (ЭС), глутарового альдегида (ГА)) в отношении Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 и Staphylococcus aureus ATCC 6538-P в БП. БП культивировали в 96-луночных планшетах при 37оС в течение 24 ч, затем воздействовали на них растворами биоцидов. Эффективность воздействия ДВ оценивали на основании регистрации оставшихся жизнеспособных клеток и относительной плотности БП.

Результаты. Изученные штаммы бактерий образовывали умеренную БП, среднее количество жизнеспособных клеток в БП составило 6,51 ± 0,19 lg. Количество жизнеспособных клеток бактерий в составе БП снижалось на 4 lg и более под действием растворов ПВ в концентрации 6%, раствора Na-ДХЦК — 0,1% (по активному хлору), ГХ — 1% (по активному хлору), ХА — 1% (по препарату), ПГМГ — 0,05%, ТА — 1,0 %. При этом плотность БП снижалась на 70% и более. Растворы АДБАХ в концентрациях 0,1–1,0%, ТА — 0,05%, ПВ — 3%, раствор Na-ДХЦК — 0,05% (по активному хлору) обеспечивали снижение жизнеспособных клеток в БП на 2 lg. Эффективность воздействия хлорактивных соединений и ПВ повышалась при добавлении 0,5% сульфонола. Растворы ГА (0,25–1,00%) и ЭС (40–70%) были неэффективны в отношении микроорганизмов в БП.

Заключение. Для борьбы с микробными плёнками перспективны ДВ из группы окислителей (хлорактивные и кислородсодержащие), ТА и ПГМГ; применение АДБАХ как индивидуального соединения неэффективно; альдегиды и спирты для разрушения БП и уничтожения в ней микроорганизмов не пригодны.

biofilmsbiocidesdisinfectantsantimicrobial resistanceбиоплёнкибиоцидыдезинфицирующие веществарезистентность микроорганизмовAlgburi A., Comito N., Kashtanov D., et al. Control of biofilm formation: antibiotics and beyond. Appl. Environ. Microbiol. 2017;83(3):e02508–16. DOI: https://doi.org/10.1128/aem.02508-16Charron R., Boulanger M., Briandet R., Bridier A. Biofilms as protective cocoons against biocides: from bacterial adaptation to One Health issues. Microbiology (Reading). 2023;169(6): 001340. DOI: https://doi.org/10.1099/mic.0.001340Vieira-da-Silva B., Castanho M.A.R.B. The structure and matrix dynamics of bacterial biofilms as revealed by antimicrobial peptides’ diffusion. J. Pept. Sci. 2023;29(6):e3470. DOI: https://doi.org/10.1002/psc.3470Тутельян А.В., Юшина Ю.К., Соколова О.В. и др. Образование биологических плёнок микроорганизмов на пищевых производствах. Вопросы питания. 2019;88(3)32–43. Tutelyan A.V., Yushina Yu.K., Sokolova O.V., et al. Formation of biological films by microororganisms in food productions. Problems of Nutrition. 2019;88(3)32–43. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10027 EDN: https://elibrary.ru/tredjiHobley L., Harkins C., MacPhee C.E., Stanley-Wall N.R. Giving structure to the biofilm matrix: an overview of individual strategies and emerging common themes. FEMS Microbiol. Rev. 2015;39(5):649–69. DOI: https://doi.org/10.1093/femsre/fuv015Akinbobola A.B., Sherrya L., Mckay W.G., et al. Tolerance of Pseudomonas aeruginosa in in-vitro biofilms to high-level peracetic acid disinfection. J. Hosp. Infect. 2017;97(2):162–8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhin.2017.06.024Donlan R.M., Costerton J.W. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clin. Microbiol. Rev. 2002;15(2):167–93. DOI: https://doi.org/10.1128/CMR.15.2.167-193.2002Hung C., Zhou Y., Pinkner J.S., et al. Escherichia coli biofilms have an organized and complex extracellular matrix structure. mBio. 2013;4(5):e00645-13. DOI: https://doi.org/10.1128/mBio.00645-13Günther F., Scherrer M., Kaiser S.J., et al. Comparative testing of disinfectant efficacy on planktonic bacteria and bacterial biofilms using a new assay based on kinetic analysis of metabolic activity. J. Appl. Microbiol. 2017;122(3):625–33. DOI: https://doi.org/10.1111/jam.13358Cochran W.L., McFeters G.A., Stewart P.S. Reduced susceptibility of thin Pseudomonas aeruginosa biofilms to hydrogen peroxide and monochloramine. J. Appl. Microbiol. 2000;88(1): 22–30. DOI: https://doi.org/10.1046/j.1365-2672.2000.00825.xLineback C.B., Nkemngong C.A., Wu S.T., et al. Hydrogen peroxide and sodium hypochlorite disinfectants are more effective against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa biofilms than quaternary ammonium compounds. Antimicrob. Resist. Infect. Control. 2018;7:154. DOI: https://doi.org/10.1186/s13756-018-0447-5Bae Y.M., Baek S.Y., Lee S.Y. Resistance of pathogenic bacteria on the surface of stainless steel depending on attachment form and efficacy of chemical sanitizers. Int. J. Food Microbiol. 2012;153(3):465–73. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2011.12.017Chowdhury D., Tahir S., Legge M., et al. Transfer of dry surface biofilm in the healthcare environment: the role of healthcare workers’ hands as vehicles. J. Hosp. Infect. 2018;100(3):e85–e90. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhin.2018.06.021Johani K., Abualsaud D., Costa D.M., et al. Characterization of microbial community composition, antimicrobial resistance and biofilm on intensive care surfaces. J. Infect. Public Health. 2017;11(3):418–24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jiph.2017.10.005Hu H., Johani K., Gosbell I.B., et al. Intensive care unit environmental surfaces are contaminated by multidrug-resistant bacteria in biofilms: combined results of conventional culture, pyrosequencing, scanning electron microscopy, and confocal laser microscopy. J. Hosp. Infect. 2015;91(1):35–44. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhin.2015.05.016Ledwoch K., Vickery K., Maillard J.Y. Dry surface biofilms: what you need to know. Br. J. Hosp. Med. (Lond). 2022;83(8): 1–3. DOI: https://doi.org/10.12968/hmed.2022.0274Otter J.A., Vickery K., Walker J.T., et al. Surface-attached cells, biofilms and biocide susceptibility: implications for hospital cleaning and disinfection. J. Hosp. Infect. 2015;89(1):16–27. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhin.2014.09.008Ledwoch K., Dancer S.J., Otter J.A., et al. Beware biofilm! Dry biofilms containing bacterial pathogens on multiple healthcare surfaces; a multi-centre study. J. Hosp. Infect. 2018;100(3):e47–e56. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhin.2018.06.028Costa D.M., Johani K., Melo D.S., et al. Biofilm contamination of high-touched surfaces in intensive care units: epidemiology and potential impacts. Lett. Appl. Microbiol. 2019;68(4):269–76. DOI: https://doi.org/10.1111/lam.13127Руководство Р 4. 2. 3 6 7 6- 2 0. Методы лабораторных исследований и испытаний дезинфекционных средств для оценки их эффективности и безопасности. М.; 2021.Руководство Р 4. 2. 3 6 7 6- 20. Методы лабораторных исследований и испытаний дезинфекционных средств для оценки их эффективности и безопасности. М.; 2021.O’Toolе G.A., Kaplan H.B., Kolter R. Biofilm formation as microbial development. Annu. Rev. Microbiol. 2000;54:49–79. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.micro.54.1.49Платонов А.Е. Статистический анализ в медицине и биологии: задачи, терминология, логика, компьютерные методы. М.; 2001. Platonov A.Ye. Statistical Analysis in Medicine and Biology: Tasks, Terminology, Logic, Computer Methods. Moscow; 2001. EDN: https://elibrary.ru/pbdijnCampanac C., Pineau L., Payard A., et al. Interaction between biocide cationic agents and bacterial biofilm. Antimicrob. Agents Chemother. 2002;46(5):1469–74. DOI: https://doi.org/10.1128/aac.46.5.1469-1474.2002Диденко Л.В., Смирнова Т.А., Толордава Э.Р. и др. Влияние третичных алкиламинов на биопленки, образованные Escherichia coli и Staphylococcus aureus (бактериологическое и электронно-микроскопическое исследование). Дезинфекционное дело. 2014;(2): 40–5. Didenko L.V., Smirnova T.A., Tolordava E.R., et al. Influence of tertiary alkylamines to biofilms, which were created by Escherichia coli and Staphylococcus aureus (bacteriological and electron microscopical investigation). Disinfection Affairs. 2014;(2):40–5. EDN: https://elibrary.ru/sgfmhlSimons C., Walsh S.E., Maillard J.Y., Russel A.D. A note: ortho-phthalaldehyde: proposed mechanism of action of a new antimicrobial agent. Lett. Appl. Microbiol. 2000;31(4):299–302. DOI: https://doi.org/10.1046/j.1472-765x.2000.00817.xSilveira M.G., Baumgartner M., Rombouts F.M., Abee T. Effect of adaptation to ethanol on cytoplasmic and membrane protein profiles of Oenococcus oeni. Appl. Environ. Microbiol. 2004;70(5):2748–55. DOI: https://doi.org/10.1128/aem.70.5.2748-2755.2004