STROKOVNI PRISPEVKI Avtor: mag. Jože Katanec Antibakterijska sredstva 1 Uvod V modernem času smo vse bolj osveščeni o boleznih, ki jih povzročajo bakterije in ki se lahko pojavijo zaradi neustrezne higiene in antibakterijske zaščite. Bakterije postajajo vse bolj trdovratne, pojavljajo se nove, odpornejše oblike. Poleg bakterij so še drugi mikrobi, kot so virusi, alge in plesni, ki prav tako lahko negativno vplivajo na naše življenje. Mag. Jože Katanec Inovacijski center, Intelektualna lastnina Antibakterijska sredstva imajo lahko poleg njihove koristnosti pri zatiranju škodljivih bakterij tudi precej negativen vpliv na naravo in tudi na človeka Na trgu je precej gospodinjskih aparatov z vgrajenimi antibakterijskimi zaščitami (predvsem od vzhodnih proizvajalcev - korejskih, japonskih, kitajskih in turških). Po drugi strani pa je prisoten vse močnejši glas naravovarstvenikov, podkrepljenih z znanstvenimi raziskavami, laboratorijskimi in kliničnimi testi, ki govorijo o tem, da lahko imajo antibakterijska sredstva poleg njihove koristnosti pri zatiranju škodljivih bakterij tudi precej negativen vpliv na naravo in tudi na človeka. Zato je prav, da spoznamo različne možnosti antibakterijskih principov oziroma sredstev. 2 Mikroorganizmi V splošnem imajo mikroorganizmi mnogo večji pozitiven kot negativen vpliv na človeško življenje V splošnem imajo mikroorganizmi mnogo večji pozitiven kot negativen vpliv na človeško življenje. Brez njih ne bi bilo metabolizma v našem telesu, mnogih vrst hrane (kruha, mlečnih izdelkov, alkoholnih pijač, kisa, čokolade, ...), nekaterih zdravil, uporabljamo jih v industriji itd. Poleg tega lahko na nas vplivajo tudi negativno: povzročijo lahko pokvarljivost hrane, pojav neželenih vonjav, estetske in konstrukcijske spremembe gospodinjskih pripomočkov in aparatov, bolezni ali celo smrt. Mikrobi se pojavljajo povsod, v zemlji, kamninah, vodi, zraku, rastlinah in živalih. V našem telesu jih je na milijarde. Mikroorganizmi se lahko razvijajo ali vegetirajo in čakajo na ugodnejše pogoje za razmnoževanje tudi v okoljih, kjer ne preživi nobena druga vrsta življenja. Najdemo jih v solinah, večnem ledu na Antarktiki, kamninah in vročih vodnih vrelcih, globoko v morju, tudi pod pritiskom do 600 barov. Za človeka so najpomembnejši mikroorganizmi, ki pripadajo skupini t. i. mezofilov, ki najbolje uspevajo pri temperaturah od 10 do 50º C. Med njimi so bakterije, ki se zelo pogosto pojavljajo v gospodinjstvu: delovnih površinah, aparatih in v hrani ter največkrat povzročajo bolezni. 2.1 Odbijanje bakterij od površine Najbolje je, če lahko zagotovimo za razvoj mikroorganizmov čim bolj neprijazne pogoje. Poleg klimatskih pogojev (temperatura, vlaga) je to lahko tudi kvaliteta površin. Pri odbojnih površinah ne nastopa uničevanje bakterij, temveč gre za preprečevanje vezanja oz. nalaganja le-teh na površino. Takšen učinek dosežemo pri pogojih enakega elektrostatičnega naboja površine in bakterije ali v primerih ultra hidrofobnih površin, kjer je kot omakanja večji od 150º (to lahko npr. dosežemo z nanoprevlekami na osnovi TiO2). Še posebej je takšna protimikrobna zaščita primerna v kombinaciji z rednim čiščenjem površin. 4 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI Slika 1: Odbijanje bakterij od površin: zaradi enakega elektrostatičnega naboja (a), zaradi ultra hidrofobne površine (b) Slika 2: Primer ultra hidrofobne površine v naravi: lotosov list (Foto: J.Pan, 2007) Antimikrobna sredstva lahko delujejo na več načinov, vendar najpogosteje tako, da se sproščajo s površin. Lahko delujejo tudi na »daljavo« (npr. ionizacija, UV-žarki, klorov dioksid). 2.2 Uničevanje bakterij preko površin Ločimo antimikrobne dodatke, ki ne migrirajo, in tiste, ki migrirajo iz površinskih plasti. Bioaktivni polimeri Bioaktivni polimeri so antimikrobno aktivni brez migracije aktivne snovi iz površine. Najpogosteje uporabljen je kitosan, ki je linearni polisaharid, pridobljen z deacetiliranjem kitina. Njegove aminoskupine interferirajo z negativno nabitimi celičnimi strukturami bakterije. Hkrati kitosan s kelatno vezavo veže esencialne kovine (npr.cink), ki so potrebne za rast bakterij. Nova skupina bioaktivnih snovi so t. i. SAM polimeri (Sustainable Active Microbicidal Polymers), pri katerih načina delovanja še ne poznamo do potankosti. Razlog bakteriocidnega delovanja naj bi bile aminokisline na njihovi površini. Domneva se, da se zaradi le-teh lokalno poveča pH vrednost in separacija naboja na površini bakterij Bakteriocini Bakteriocini so antibakterijski proteini, pridobljeni iz mikroorganizmov. Primer je nisin. Celico mikroorganizma uničuje preko interakcije s plazemsko membrano. S tem je oslabljena njena polprepustnost. To povzroči nepravilno ionsko izmenjavo in spremembo pH vrednosti ter končno razkroj celice. Encimi Encimi so navzoči povsod v naravi. Žive organizme varujejo pred škodljivimi mikroorganizmi. Zelo znan in razširjen encim je lizocim, ki ga lahko izoliramo iz jajčnega beljaka. Je preprost peptidni protein, ki razkroji vezi med disaharidi celične stene oz. peptidoglikana. 5 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI Organske kisline Organske kisline lahko pridobimo iz rastlin. Tako lahko npr. antibakterijsko zelo učinkovito sorbinsko kislino dobimo iz plodu jerebike. Organske kisline lahko uničijo bakterijo s tem, da negativno vplivajo na njen celični metabolizem, se vežejo na encime, reagirajo s celično steno in spremenijo pH vrednost intracelične homeostaze. Antimikrobni rastlinski izvlečki Posamezni rastlinski izvlečki imajo dobro antimikrobno delovanje (npr. pridobljeni iz cimeta, timijana, rožmarina, česna, gorčice, hrena). Ob stiku bakterije s temi snovmi nastopi uničenje le-te zaradi kelatne vezave ključnih kemikalij ali oksidativne razcepitve disulfidnih vezi. Zaradi vpliva na celično membrano se porušijo presnovne poti. Za razliko od drugih antimikrobnih snovi so zgoraj omenjeni rastlinski izvlečki malo toksični za celice sesalcev. Da bi bili antibakterijsko dovolj učinkoviti, morajo biti prisotni v velikih koncentracijah. To je v večini primerov problematično zaradi njihovega močnega vonja in okusa. Antimikrobne rastlinske izvlečke uporabljajo zlasti za antibakterijsko zaščito embalaže. Kovine Antimikrobna zaščita s pomočjo kovin, ki delujejo antibakterijsko, je zaradi obstojnosti oziroma delovanja v različnih pogojih (temperaturna in mehanska stabilnost) najbolj razširjena. Najbolj znani kovini z antibakterijskim učinkom sta baker in srebro. Dolgo znan, razširjen ter laboratorijsko in klinično preizkušen je antibakterijski učinek srebra. Srebro Laboratorijski in klinični testi so pokazali učinkovitost in dokaj varno uporabo antimikrobnih aditivov na osnovi srebra. V Gorenju smo praktično preverili antibakterijsko učinkovitost srebrovih ionov, ki se dodajajo zadnji vodi za izpiranje pralnega stroja proizvajalca Samsung, znanega po tem, da je prvi patentiral in komercialno uporabil antibakterijske zaščite na osnovi srebra. Ta pralni stroj ima vgrajeno posebno enoto, opremljeno s srebrovimi ploščicami, kjer se z elektrolizo v vodo izločajo srebrovi ioni. S strojem smo oprali testne krpe pod enakimi (standardnimi) pogoji, le da je bil enkrat vključen sistem za generiranje in dodajanje srebrovih ionov, drugič pa ne. Z meritvami na ICP spektrometru smo izmerili koncentracije srebrovih ionov v vodi za izpiranje. Znašale so od 0,17 do 0,35 mg/l. Pralne programe smo izbrali glede na vrsto materiala testnih krp. Izvedli smo po šest pranj za vsak tip testnih krp (bombaž, poliester in poliamid). Po končanem pralnem ciklu in opravljenem sušenju smo v švicarskem laboratoriju Sanitezed AG po standardu JIS L 1902 (uporabljena bakterija Staphylococcus aureus) izmerili antibakterijsko učinkovitost. Rezultati so pokazali zelo močno antibakterijsko delovanje, ne glede na material testnih krp v primeru, ko so bile le-te med pranjem obdelane s srebrovimi ioni (v povprečju 99,6 % prekinitev rasti bakterij glede na pogoje testa). Slika 3: Shematski prikaz pralnega stroja z generatorjem srebrovih ionov 6 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI Srebrovi ioni reagirajo z donorji elektronov, npr. s kemijskimi spojinami, ki vsebujejo žveplo, kisik ali fosfor. To so lahko proteini v celični steni ali membrani, encimi in DNK. Vezava srebra v celične strukture deaktivira proteine, povzroči odcepitev ali razkroj celične stene, spremembo DNK in končno destrukcijo celice. Slika 4: Delovanje srebrovih ionov na bakterijo (Vir: prospekt Sanitized AG, 2004) Glede na ugotovitve ameriškega inštituta Silver Institute prevladujejo trije mehanizmi delovanja Ag+ : katalitična oksidacija, reakcija s celično membrano in vezava na DNK. Katalitična oksidacija Srebro ima v ionski obliki zmožnost absorbcije kisika in deluje kot katalizator pri oksidaciji. Atomi kisika, absorbirani v raztopini na površini srebrovih ionov, zelo hitro reagirajo s sulfidrilnimi (-S-H) skupinami, ki jih vsebujejo beljakovinske molekule, ki gradijo celične membrane. To povzroči, da atomi žvepla tvorijo R-S-S-R vezi, kar blokira respiracijo in povzroči celično smrt. Do smrti mikroorganizmov torej pride zaradi katalitične redoks reakcije oziroma uničenja membranskih proteinov, ki nastopi ob prisotnosti koloidnega srebra. Reakcija s celično membrano bakterije Dokazano je bilo, da se srebrovi ioni vežejo na proste radikale, ki so na površini celične membrane. Tako se oslabi celični respiratorni sistem in blokira sistem izmenjave energije. Ena od razlag temelji na lastnostih zgradbe encimov: za biokemično aktivnost so potrebni specifični encimi. Običajno je za delovanje encima potreben specifični kovinski atom, ki je vgrajen v matrico njegove molekule. V encimih lahko kovine z večjim številom valenčnih elektronov nadomestijo tiste z nižjim, kar onemogoči normalno encimsko delovanje. Srebro, ki ima valenčno število +2, lahko zamenja kovine z manjšo ali enako valenco. Povezava z DNK Študije s Pseudomonas aeruginosa, ki je zelo trdovratna in odporna bakterija, so pokazale, da se več kot 12 % srebra veže na DNK. Čeprav je ostalo nepojasnjeno, kako se lahko srebro veže na DNK, ne da bi uničilo vodikove vezi, ki držijo strukturo skupaj, je bilo dokazano, da je preprečeno odvijanje DNK verige, kar je bistvena stopnja pri delitvi (razmnoževanju) celic. Zaradi delovanja na bakterijske encime imajo srebrovi ioni opazen negativen vpliv na rast bakterij, v vakuolah in celični steni pa se kopičijo v obliki granul (zrn). To ovira delitev celic ter uničuje celični ovoj in notranjo zgradbo bakterijske celice. Sama velikost celice se zato poveča, nastopijo anomalije citoplazme in njene membrane ter zunanjih celičnih struktur. V nadaljevanju so na kratko predstavljene bistvene ugotovitve študije antibakterijskega učinka na Staphylococcus aureus in Escherichia coli, ki ga imajo srebrovi ioni, generirani z elektrolizo. 7 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI Analizirane so bile rast, morfologija in zgradba bakterijskih celic po njihovi izpostavitvi srebrovim ionom. Antibakterijski učinek se je ugotavljal s pomočjo običajnega štetja kolonij na plošči (plate count method) in pretočne citometrije (flow cytometric analysis). Po izpostavljenosti tekočini s srebrovimi ioni je bilo ugotovljeno zmanjšanje za več kot 5 log10 CFU/ml tako pri S. aureus kot tudi pri E. coli bakterijah. S presevnim elektronskim mikroskopom (TEM) so bile po delovanju srebrovih ionov ugotovljene znatne spremembe celične membrane, kar lahko povzroči celično smrt. Torej lahko s srebrovi ioni uničujemo nevarne S. aureus in E. coli bakterije. Obramba celice pred škodljivim delovanjem srebra je odvisna od koncentracije srebra in individualne občutljivosti celice na srebrove ione. Velja, da so gram-pozitivne bakterije manj občutljive na antibakterijska sredstva zaradi tega, ker vsebujejo peptidoglikan, ki preprečuje vstop srebrovih ionov. Zunanji faktorji imajo velik vpliv na učinkovitost antibakterijskega delovanja srebra. Aminokisline, zlasti tiste, ki vsebujejo tiolne skupine, se vežejo na srebrove ione in s tem slabijo antimikrobno učinkovitost. Tudi temperatura je zelo pomembna. Zaradi zmanjšanja kinetike se pri nižjih temperaturah zmanjša izločanje srebra iz nosilcev. Klorov dioksid Antimikrobna zaščita s klorovim dioksidom (ClO2) temelji na osnovi oksidacije življenjsko pomembnih komponent bakterijske celice. Ameriški urad za zdravila FDA (Food and Drug Administration) je dovolil uporabo klorovega dioksida za stik z živili. Vendar se kaže, da v nekaterih primerih ClO2 ni primerno zaščitno sredstvo. Povzroči lahko spremembo barve mesa (npr. piščančjega). Pri koncentracijah nad 10 ppm lahko že začutimo njegov specifičen vonj. S posebnimi postopki se lahko ClO2 veže v dele embalaže in se sprosti šele takrat, ko pridejo le-ti v stik z vlago. Ultravijolična svetloba Z UV-svetlobo lahko uničujemo mikroorganizme direktno (uporaba UVspektra v področju višjih energij fotonov: UV-C žarki) ali indirektno (UV-A sevanje) s pomočjo fotokatalizatorjev. O slednjem smo pisali v prejšnji številki GIB-a. Uničevanje škodljivih organizmov z UV-svetlobo je že dolgo znano. Leta 1903 je bila za odkritje uničevanja povzročitelja tuberkoloze z UV-žarki podeljena Nobelova nagrada. Kasneje so to antibakterijsko sredstvo izpodrinila cenejša, zlasti kemična sredstva. V zadnjem času pa spet dobiva na veljavi, ker ima ob pametni uporabi najmanj vpliva na okolje. Dezinfekcijo zraka ali vode lahko izvršimo v komori z virom UV svetlobe in ograjeno z zrcalnimi stenami. Pod ultravijolično svetlobo prištevamo elektromagnetno valovanje valovnih dolžin 10 do 400 nm, čemur ustreza energija fotonov od 3 do 124 Ev. Običajno delimo UV-svetlobo na UV-vakuumsko področje (valovne dolžine do 200 nm, ta svetloba ni obstojna v zraku, ker jo takoj absorbirajo kisikove molekule), UV-C (200-280 nm), UV-B (280-315 nm) in UV-A (315400 nm). Slika 5: Območje UV svetlobe in krivulja porazdelitev antibakterijske učinkovitosti po valovnih dolžinah 8 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI Za protimikrobno delovanje je najoptimalnejša uporaba UVsvetlobe v področju valovnih dolžin 245-285 nm Ultravijolična svetloba uničuje celice zaradi absorbcije fotonov v proteinih in nukleidnih kislinah. Za direktno protimikrobno delovanje je najoptimalnejša uporaba UV-svetlobe v področju valovnih dolžin 245285 nm. Najboljša absorbcija je pri valovni dolžini 254 nm. To povzroči tako velike mutacije DNK, da posledično nastopi smrt celice. Stopnja uničenja mikroorganizmov je odvisna od količine doziranja UV-svetlobe. Le-ta je zmnožek med intenziteto sevanja ( mW/cm2) in časom doziranja (s). Raziskave so pokazale, da je pri enaki količini doziranja približno enak protimikrobni učinek ne glede na to, ali je bila intenzivnost večja pri krajšem času ali pa je manj intenzivno doziranje potekalo v daljšem časovnem obdobju. Slika 6: Mutacija DNK celice zaradi absorbcije fotonov UV svetlobe (vir: www.bersonuv. com) Dezinfekcija z UV-C svetlobo je primerna za embalažni material in nekatere površine, ki so v stiku s hrano, prav tako pa tudi za dezinfekcijo zraka in vode. Znana je tudi uporaba UV-svetlobe za površinsko dezinfekcijo sadja in zelenjave ter dezinfekcijo pitne vode in sira med skladiščenjem. Vendar lahko UV-svetloba zelo kvarno vpliva na plastične materiale (pospešeno staranje) kot tudi na kvaliteto živil (razbarvanje, žarkost, uničenje vitaminov). Za eventualno uporabo pri gospodinjskih aparatih moramo vedeti, da morajo biti mikroorganizmi direktno osvetljeni, oziroma priti v področje svetlobe. Vsak zaslon med njimi in virom svetlobnega žarka pomeni njihovo zaščito. Ionizacija in ozon Zrak je mešanica plinov (dušika, kisika, ogljikovega dioksida, vodne pare in v sledeh prisotnih drugih plinov). Molekule le-teh lahko z oddajanjem ali sprejemanjem elektronov postanejo ioni. To je lahko povzročeno zaradi razkroja radioaktivnih elementov v sledeh, ob naravnih pojavih, kot so padanje vode ob slapovih, pri nevihtah zaradi strel ipd.) Praktično so ioni v zraku vedno prisotni. Običajno je v naravi za dvajset odstotkov več negativnih kot pozitivnih ionov. Bistveno večje gostote ionov v zraku lahko proizvedemo umetno. Za produkcijo ionov je zelo razširjena uporaba t. i. korona ionizatorja zraka. Le-ta uporablja električno polje velike gostote, ki je ustvarjeno tako, da je priključena visoka napetost na zelo majhno površino (npr. ogljeno konico), ki je v stiku z zrakom. Ker je v zraku vedno prisotnih tudi nekaj prostih elektronov, le-ti z veliko hitrostjo potujejo proti pozitivno nabiti konici. Med potjo trčijo ob molekule zraka in iz njih izbijajo še več elektronov. Tako postajajo molekule pozitivni ioni, ki zaradi električnega naboja potujejo stran od konice. V primeru, da je na konici negativen pol, teče električni tok skozi zrak v obratni smeri. Nevtralne molekule lahko sprejmejo elektrone in postajajo negativni ioni. O ionih malih dimenzij v zraku govorimo v primeru, ko se okoli ionizirane molekule nabere okoli 10 nevtralnih molekul zraka in potuje skupaj z njo. Le-te lahko naletijo na večje delce oz. skupke molekul v zraku (npr. nečistoč, dima ipd.), ki se lahko šibko vežejo nanje in nastanejo ioni večjih dimenzij, ki potujejo proti in se zaostajajo na površinah z drugačnim električnim nabojem. 9 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI Slika 7: Princip delovanja korona ionizatorja zraka (vir:www.grin. com) Največji antibakterijski učinek ima ozon, manjši učinek imajo negativni, še manjši pa pozitivni ioni Ozon (O3) je kisikov alotrop, ki je veliko manj stabilen od dvoatomnega kisika. Zelo majhna začetna reakcijska energija je potrebna, da se razcepi na dvoatomni kisik in kisikov atom, ki je izredno močan oksidant. Čeprav se ozon v industriji, medicini in ostalih okoljih, ki omogočajo nadzorovano uporabo, precej uporablja kot kemijski reagent, dezinfekcijsko sredstvo in celo za zdravljenje, je uporaba v gospodinjstvu oz. gospodinjskih aparatih omejena. Je namreč zelo strupen plin, ki lahko že v manjših količinah povzroči pri ljudeh težave z dihali. Antibakterijski učinek ionizacije temelji na kombiniranem učinku ozona in aktivnih (pozitivnih in negativnih) ionov, ki nastanejo z ionizacijo zraka. To povzroči oksidacijo vitalnih komponent bakterijske celice. S poskusi so dokazali, da ima največji antibakterijski učinek ozon, ki običajno nastane pri ionizaciji kot stranski produkt, manjši učinek imajo negativni, še manjši pa pozitivni ioni. Na rast nekaterih vrst bakterij negativno vpliva tudi samo elektromagnetno polje, ki je prisotno v napravi za ionizacijo zraka in njeni bližnji okolici. Glede na preizkuse, ki so jih opravili na univerzi v Padovi z ionizatorji zraka in primerjalne preizkuse za Gorenje (sušilnik perila) na Biotehnični fakulteti v Ljubljani, lahko sklepamo, da mora biti ionizator zraka, ki proizvaja pretežno negativne ione iz zraka, moči vsaj nekaj wattov, da bi bil antibakterijsko učinkovit. 3 Zaključek Ker prijaznost gospodinjskih aparatov do okolja praviloma pomeni tudi ugodnejši habitat za pojav mikrobov, postaja učinkovita antibakterijsko zaščita vse pomembnejša 10 Poleg zahtev po nižanju proizvodnih stroškov, estetskih, ergonomskih in funkcionalnih inovacijah imajo v zadnjem obdobju vedno večji, če že ne prevladujoč vpliv na razvoj gospodinjskih aparatov zahteve po čim manjši obremenitvi okolja v celotnem življenjskem ciklu proizvodov. Te vodijo razvoj v smeri zmanjšane porabe vode in energije, uporabi ekološko sprejemljivih, po možnosti biološko razgradljivih gradnikov in sredstev za obratovanje. Pri hladilnikih je to lahko zmanjšanje porabe energije na osnovi boljše izolativnosti in manjših temperaturnih gradientov v predelkih, pri pralnih strojih uporaba učinkovitih nizkotemperaturnih pralnih programov in biološko hitro razgradljivih pralnih sredstev, pri sušilnikih uporaba toplotne črpalke (nižje temperature procesnega zraka) … Prijaznost gospodinjskih aparatov do okolja praviloma pomeni tudi ugodnejši habitat za pojav mikrobov, ki postajajo vse odpornejši. Zato postaja učinkovita antibakterijsko zaščita vse pomembnejša. Poleg učinkovitosti bo morala izpolnjevati pogoj, da bo imela tekom uporabe gospodinjskega aparata, pri njegovi proizvodnji in končni razgradnji LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012 STROKOVNI PRISPEVKI čim manjši negativni vpliv na mikroorganizme v okolju. Še posebej pa je potrebno nameniti pozornost pri iskanju kompromisa med antibakterijsko zaščito in vplivom teh sredstev na človeka. Iskati moramo takšne načine, ki preprečujejo ugodne pogoje za rast mikroorganizmov (klimatski pogoji, kvaliteta površin, geometrija, abrazija, …) ali pa jih uničujejo v omejenih področjih (npr. tok onesnaženega zraka skozi komore, kjer deluje antibakterijsko sredstvo). V Gorenju smo prvi način uveljavili z uvedbo t.i. samočistilnega programa v pralnih strojih. Pomembno je uveljaviti selektivni pristop uporabe, še bolj pa propagiranja posameznih antibakterijskih zaščit glede na specifičnosti posameznih trgov. Če je po eni strani zanimanje za takšne izdelke v nekaterih področjih vse večje, je v deželah z visoko stopnjo ekološke osveščenosti poudarjanje uporabe antibakterijskih zaščit - zlasti kemičnih, npr. na osnovi nanodelcev, ioniziranega zraka ali ozona- lahko kontraproduktivno. 11 LETNIK 21. ŠT. 7-9/2012
© Copyright 2024