Механизмы действия

Излучение
Рис. 1 Спектральные характеристики источников излучения и спектры поглощения основных биологических макромолекул

Действие на живую материю могут оказывать только те частицы или кванты, которые поглощаются ее структурами. Все основные структурные элементы клетки и высокомолекулярные органические вещества (белки, жиры, нуклеиновые кислоты и т.д.) интенсивно поглощают свет в бактерицидной (100 – 300 нм) области спектра. Соответственно деструктивное действие на окружающий нас микромир будет оказывать ультрафиолет в области 190 – 300 нм. На Рис. 1 видно, что нуклеиновые кислоты, которые являются основным конструкционным материалом ДНК и РНК, поглощают излучение короче 300 нм. Белки и липиды, определяющие состав ферментов, мембран клетки поглощают излучение только короче 230 нм.

Например, традиционные бактерицидные облучатели, использующие ртутные лампы низкого давления, генерируют излучение одной линии – 254 нм. Такой характер воздействия вызывает однотипные повреждения в ДНК и РНК, то есть приводят к образованию димеров тимина, что и вызывает инактивацию микроорганизмов.

При длительном использовании дезинфекционных технологий характеризующихся моноканальным механизмом действия на клетку (ряд дезсредств, монохромный ультрафиолет, озон и т.д.) формируются резистентные к такому воздействию штаммы с высокой вирулентностью. Например, исследования эффективности обеззараживания бактериальных спор, проведенные в США с применением самой мощной в мире передвижной ультрафиолетовой установки с 14 ртутными бактерицидными лампами длиной 1,2 м и общей мощностью 1,6 кВт, показали принципиальные ограничения уровня эффективности обеззараживания поверхностей от госпитальных штаммов. (Рис. 2).

СкафандрГрафик

Рис. 2 Эффективность обеззараживания бактерицидной установкой [1]

Излучение импульсных ксеноновых ламп всех установок серии «Альфа» является сплошным и перекрывает всю ультрафиолетовую область (Рис. 1) и, как следствие, поглощаясь во всех структурных клеточных элементах и высокомолекулярных органических веществах (белках, жирах, нуклеиновых кислотах и т.д.), вызывает в них различные деструктивные реакции. Именно такой способ воздействия на клетку определяет механизмы действия импульсной плазменно-оптической технологии и установок «Альфа» созданных на ее основе. Сплошное ультрафиолетовое излучение ксеноновых ламп одновременно инициирует в клетках следующие фотохимические превращения, которые в совокупности приводят к инактивации микроорганизмов:

  • В области спектра 230 – 300 нм происходит димеризация нуклеатидов; в основном образуются димеры тимина.
  • В области спектра 190 – 230 нм наблюдается большое многообразие деструктивных процессов, это:
    • фотогидратация пиримидиновых оснований ДНК,
    • образование межмолекулярных сшивок (ДНК-ДНК, ДНК-белок, белок-белок),
    • потеря азотистых оснований (например, отрыв тимина),
    • одно- или даже двухнитевые разрывы цепей ДНК,
    • разрушение аминокислотных остатков в ферментах,
    • фотоокисление липидов протекающее в цепном режиме,
    • фотоинактивация белка,
    • фотодеструкция различных коферментов.

Другой особенностью механизма действия импульсной плазменно-оптической технологии является высокая интенсивность света импульсных ксеноновых ламп, что позволяет расширить бактерицидную область спектра с 300 нм до 400-410 нм за счет запуска двухквантовых фотохимических реакций. Это дополнительно позволяет увеличить эффективность обеззараживания и сократить длительность сеанса обработки объектов. Кроме того, высокая импульсная интенсивность излучения ксеноновых ламп многократно усиливает роль цепных реакций фотодеструкции с участием радикальных частиц, обеспечивает условия значительного превышения скорости прямых (т.е. деструктивных) процессов над «обратными» (рекомбинационными, репарационными).

Воздействуя на клетку высокоинтенсивными потоками УФ излучения широкого спектрального состава от 190 до 300 нм, инактивация микроорганизма происходит в результате большого многообразия типов повреждений различных структур, а не в результате только димеризации тимина в ДНК, что приводит к ослаблению процессов репарации повреждений и, как следствие, к снижению бактерицидных доз и увеличению биоцидной эффективности.

Подтверждением вышеизложенному являются результаты сравнительных исследований биоцидной активности излучения импульсной ксеноновой и ртутной ламп в отношении бактерий и плесневых грибов (Рис. 3). Видно отсутствие эффекта насыщения эффективности обеззараживания в отношении бактерий и плесневых грибов при воздействии излучением импульсной ксеноновой лампой (ИКЛ). В то время, как ртутная лампа (РЛНД) даже при гипервысоких дозах демонстрирует эффект (Рис. 2 и Рис. 3) ограничения эффективности.

Экспериментальные исследования эффективности обеззараживания воздуха установками «Альфа-01» и «Альфа-05», проведенные в НИИ Дезинфектологии Роспотребнадзора показали, что для золотистого стафилококка пороговая (90%) объемная доза для импульсного УФ излучения составляет 8 Дж/м3, а та же доза для ртутных бактерицидных ламп [4] – в 16 раз выше (130 Дж/м3).

Длительность облучения

Рис. 3 Результаты сравнительных исследований эффективности обеззараживания под действием излучения импульсной ксеноновой лампы (ИКЛ) и ртутной лампы низкого давления (РЛНД) [2, 3].

1. Marie U. Owens, David R. Deal, Michael O. Shoemaker, Gregory B. Knudson, Janet E. Meszaros, and Jeffery L. Deal. High-Dose Ultraviolet C Light Inactivates Spores of Bacillus Atrophaeus and Bacillus Anthracis Sterne on Nonreflective Surfaces// Applied Biosafety – 2005. – v 4, № 10 - P. 240 – 247.

2. Chan-Ick Cheigh, Mi-Hyun Park, Myong-Soo Chung, Jung-Kue Shin, Young-Seo Park. Comparison of intense pulsed light- and ultraviolet (UVC)-induced cell damage in Listeria monocytogenes and Escherichia coli O157:H7// Food Control – 2012. – v.25, № 2 – P. 654 – 659.

3. Dunn, J., Ott, T., and Clark, W. Pulsed-Light Treatment of Food and Packaging// Food Technology - 1995. - v. 49 - № 9 – Р. 95–98.

4. Вассерман А.Л., Шандала М.Г., Юзбашев В.Г. Ультрафиолетовое излучение в профилактике инфекционных заболеваний. М.: Медицина, 2003. - 208 с.

Follow Melitta on FB Follow Melitta on Google Follow Melitta on Youtube