Оценка уровня загрязнения поверхностей с использованием принципа абсорбции света

О. В. Евдокимова, ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России, г. Рязань

В. В. Бирюков, ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России, г. Рязань

Д. А. Рыбаков, АО «Елатомский приборный завод», Рязанская область

Ю. А. Калинова, АО «Елатомский приборный завод», Рязанская область

Резюме

Актуальность. Окружающая среда, представленная многими компонентами, может оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Один из компонентов загрязнения воздуха – твердофазный аэрозоль при взаимодействии с капельным аэрозолем, выделяющимся со слизистой верхних дыхательных путей больного человека, образует дисперсные структуры с содержанием различных видов микроорганизмов. Пылевые фракции, являясь источником микроорганизмов с разнообразным фенотипом, могут стать полезным объектом мониторинга окружающей среды, проводимого с профилактическими целями.

Цель. Определить возможность использования физического явления абсорбции света для обнаружения загрязнений и их количественной оценки на поверхностях из различных материалов и на объектах окружающей среды с неодинаковыми условиями использования.

Материалы и методы. Проведено исследование поверхностей из различных материалов с естественной и искусственной контаминацией в закрытых помещениях образовательного учреждения с целью классификации уровня их биотического и абиотического загрязнения на основе анализа спектра поглощенного и отраженного излучений, регистрируемых фотодиодами опытного образца прибора. Внутренний контроль уровней биотического загрязнения исследуемых поверхностей проведен с использованием АТФ-люминометра и культурального метода.

Результаты и обсуждение. На основе результатов экспериментальных исследований с использованием тест-системы PROBER предложена трехуровневая классификация загрязнений поверхностей в общественных местах: чистая, сомнительная и грязная с учетом показаний тест-системы, выраженных в единицах. Выявлены статистически достоверные различия показателей опытного образца при тестировании поверхностей с разным уровнем загрязнений (p < 0.01) и корреляция показаний тест-системы с контрольными измерениями уровней загрязнения поверхностей АТФ-люминометром (φ*эмп = 1.281).

Выводы. Физические параметры, такие как спектры поглощенного и отраженного света и их различия, могут быть использованы для определения уровней пылевого загрязнения поверхностей с целью оценки безопасности окружающей среды для здоровья человека.

Ключевые слова: пыль, загрязнения, поверхности, абсорбция света, АТФ-люминометр, микроорганизмы

Конфликт интересов не заявлен.

Введение

Экологически чистая окружающая среда наряду с другими факторами является важной основой качества жизни человека. Представление о том, что многие компоненты внешней среды связаны с неблагоприятными последствиями для здоровья существовало веками¹. Пагубное влияние инфекционных агентов, ядов, химических веществ, лекарств, физических раздражителей подтверждено многочисленными эпидемиологическими и токсикологическими исследованиями^{1, 2}. Некоторые из очевидных факторов, оказывающих негативное влияние на человека, присутствуют в воздушном пространстве¹, загрязнение которого представляет собой сложную смесь, состоящую из неорганических и органических веществ, газов, паров и пыли²³. Присутствующий в воздухе твердофазный аэрозоль и связанные с ним микроорганизмы могут распространяться на сотни и тысячи километров, изменяя окружающую среду⁴. Преобладающими видами в образцах окружающей среды являются Proteobacteria, на долю которых приходится от 30% до 65% бактериального сообщества⁵. Пыль, взаимодействуя с капельным аэрозолем, выделяющимся при чихании и кашле зараженных людей в закрытых пространствах, образует в окружающей среде дисперсные структуры, в которых может находиться до 9 тыс. различных видов микробов, в том числе и вирусы^{6, 7}.Вероятность выживания патогенов в таких структурах увеличивается кратно, так как пыль препятствует быстрому испарению влаги и разрушению нуклеиновых кислот микроорганизмов¹. Атмосферные взвешенные твердые частицы PM₁₀ и PM_2,5, определяемые на гладких подоконниках, перилах и деревянных балках внутри помещений, содержат микроорганизмы с наиболее разнообразными генотипами устойчивости к антибиотикам, среди которых доминируют гены устойчивости к макролидам и аминогликозидам⁵.

Пылевая фракция, содержащая омертвевший эпителий кожи, части волос, почву, шерсть, способна увеличивать активность микробоцидных механизмов фагоцитов⁸ и инициировать развитие аллергии⁹.

Поэтому пыль может быть актуальным объектом для микробиологического мониторинга при анализе причин возникновения и распространения бактериальных и вирусных заболеваний⁹, и контроль чистоты поверхностей с использованием измеряющих устройств может являться одним из эффективных инструментов профилактических мероприятий, особенно в период эпидемического распространения различных возбудителей инфекционных заболеваний.

Материалы и методы

Для оценки уровней пылевого загрязнения проведено исследование различных поверхностей в образовательном учреждении с разной формой организации аудиторного времени с помощью тест­-системы «PROBER» по ГИКС.203584.101ТУ производства АО «Елатомский приборный завод» (далее – «тест­-система»). Принцип работы тестируемого измерительного устройства основан на анализе соотношения уровней поглощенного и отраженного излучений, регистрируемых фотодиодами от следов частиц на ленте тест-­системы после взятия проб с поверхности. Пробы отбирали стерильной лентой тест-­системы, упакованной в рулон и расположенной внутри корпуса устройства путем плотного прижатия ленты к исследуемой поверхности и выполнения 3–5 штрихообразных движений в одном направлении. Новая стерильная зоны ленты в тест­-системе устанавливается лентопритяжным механизмов после взятия пробы.

Рабочая часть ленты площадью 0,5 см² отделена от «загрязненной», что исключает перекрестную контаминацию обеих зон.

Измерительная шкала тест­-системы градуирована в диапазоне от 0 до 100%, где 0 означает чистоту, а 100% – сильно загрязнённую поверхность и высокую вероятность присутствия болезнетворных микроорганизмов. Калибровка нулевого значения тест­-системы произведена по показателю абсорбции стерильной тест­ленты, максимальное значение откалибровано по значению абсорбции эталона загрязненной области тест­-ленты.

Для классификации уровней загрязнения с использованием тест­-системы проведено исследование стерильных и условно чистых поверхностей из различных материалов, степени загрязнения различных поверхностей с разным способом и частотой использования в общественных местах. Образцы стекла, металла, пластика, деревянных поверхностей по физико­химическому составу соответствовали требованиям ГОСТ: стеклянная поверхность – чашки биологические ГОСТ 23932­90, металлическая поверхность – материал AISI304 ГОСТ 19904­74, ламинированная древесностружечная плита ГОСТ 21444­2016, пластиковая поверхность – поливинилхлорид ГОСТ 14332­78. Стерилизация ленты тест­-системы и тестируемых поверхностей проводилась с использованием стандартных режимов паровой и сухожаровой стерилизации [10]. Определение микроорганизмов на тестируемых поверхностях проводили методом смыва с последующим культивированием при оптимальных условиях, изучением культуральных и морфологических свойств выделенных микроорганизмов в соответствии с нормативными документами [10,11]. Для определения уровня чувствительности тест-­системы к обнаружению органического загрязнения различного происхождения проведено тестирование поверхностей, искусственно контаминированных белком в концентрации 0,6 г/л и штаммом Staphylococcus aureus 209.

В качестве контрольного измерительного устройства для определения на поверхности биотических загрязнения использовали люминометр System Sure Plus (производитель Hygiena, Великобритания), регистрирующий концентрацию энергетических молекул АТФ, находящихся во всех живых клетках, в том числе и микроорганизмах, и соответственно отражающих общее количество микроорганизмов на исследуемой поверхности.

Единичные колониеобразующие единицы (КОЕ) на питательной среде эквивалентны одной световой единице RLU, которая соответствует 10–15 молекулам АТФ (1 фемтомол). Статистический анализ результатов исследования был проведен с помощью программы Statistica 6.0 с использованием параметрических и непараметрических критериев.

Результаты и обсуждения

При исследовании стерильных и условно чистых поверхностей из различных материалов с помощью тест-­системы и АТФ­-люминометра получены следующие результаты (табл. 1): оба измерительных устройства регистрировали разницу значений в диапазоне от 0 до 7 для стерильных и в диапазоне от 0 до 24% и 0 до 143 ед. для условно чистых поверхностей. Показания АТФ-­люминометра от 0 до 3 ед. на стерильных поверхностях стекла, металла, пластика и дерева подтвердили отсутствие биологических загрязнений и соответствие параметрам чистоты, указанным в техническом паспорте измерительного устройства («чисто» – 0–10 ед., «сомнительно» – 11–29 ед., «грязно» – более 30 ед.). Соответствующий норматив чистой поверхности для всех материалов, определяемый тест-­системой, находился в диапазоне от 0 до 7%.

Таблица 1: Значения параметров измерительных устройств, полученных со стерильных и условно чистых поверхностей из различных материалов

Выявлены статистически значимые различия средних значений показателей тест-­системы – 3,25 ± 2,83% и 11,083 ± 8,02% (p < 0.01) при тестировании стерильных и условно чистых поверхностей соответственно. АТФ-­люминометр для аналогичных поверхностей статистически значимые различия выявил только в отношении деревянных и металлических поверхностей: 0,83 ± 0,75 ед. и 90,5 ± 45,08 ед. (p < 0.01) соответственно. Следует отметить, что более высокие значения параметров, регистрируемых тест­-системой и АТФ-­люминометром при исследовании условно чистых деревянных и металлических поверхностей, могут быть связаны с пористой структурой материалов и их неодинаковыми сорбционными свойствами.

Для оценки уровня пылевого загрязнения поверхностей (табл. 2) с помощью тест­-системы разработана шкала пылевого загрязнения в баллах от 1 до 5 на основе прямой визуализации.

Предложена следующая классификация:

1 – отсутствие видимых частиц на тестируемой поверхности,

2 – единичные видимые неорганические частицы,

3 – загрязнение поверхности образца менее 50% площади поверхности, скопления частиц пыли,

4 – загрязнение поверхности образца более 50%, неоднородный слой загрязнения, 

5 – наличие однородного видимого слоя пыли/загрязнения.

Таблица 2. Результаты показаний устройств и микробиологического мониторинга при исследовании различных поверхностей

При выборе тестируемой поверхности учитывали следующие критерии: расстояние от пола, характер использования, наличие возможных внешних загрязнений; исследование уровня пылевого загрязнения проводили через сутки, 3 дня и неделю.

В соответствии со шкалой пылевого загрязнения уровень всех исследуемых поверхностей через сутки оценен в 1 балл, при отсутствии показаний тест-­системы (рис.1). Уровень пылевого загрязнения в 2 и 3 балла определен через 7 дней для поверхностей, подвергающихся загрязнению твердыми частицами атмосферного воздуха и труднодоступных для рутинной влажной уборки. Средние значения показаний тест­-системы для подоконников различных помещений составил 13,0 ± 9,8%, для поверхностей на уровне роста человека – 7,1 ± 2,9%.

Рисунок 1: Значение параметров тест – системы при исследовании поверхностей с разным уровнем пылевого загрязнения

Средние значения показаний тест­-системы для уровней пылевого загрязнения, визуально определяемых в 2 и 3 балла, составили 4,3 ± 2,3% и 22,2 ± 7,8% соответственно.

Различия в уровне пылевого загрязнения, выявляемые тестируемым измерительным устройством коррелировали с показаниями АТФ-­люминометра.

Скопление пылевых частиц через 7 дней на менее 50% площади поверхности, определено контрольным измерительным устройством в диапазоне 53–94 ед., как соответствующее параметру «грязно». Единичные видимые неорганические частицы (уровень 2 шкалы пылевого загрязнения) определены АТФ-­люминометром в диапазоне значений, характерных для параметра «чисто» (0–5 ед.). Таким образом, показания тест­-системы выше 10% и показания АТФ­-люминометра свыше 50 ед. позволяют отнести исследуемые поверхности к одному уровню загрязнения, что подтверждает корреляцию показателей тест­-системы и АТФ­-люминометра (при φ*эмп = 1.281, отсутствие достоверных различий между процентными долями двух выборок).

Следует отметить, что экспозиция поверхности в экспериментальных условиях пылевого загрязнения в течение 7 дней не является достаточной для определения видимого уровня пылевого загрязнения на бумаге и стеклянных поверхностях. Для установления диапазона показаний тест­-системы проведено исследование поверхностей с наличием однородного видимого слоя пыли/загрязнения – «сильно загрязненная поверхность», соответствующего 5 баллам пылевого загрязнения. Показатели тест-­системы – 49% для подоконника лекционного зала и 40% для поверхности в лаборантской на уровне роста человека соответствовали показаниям АТФ-­люминометра в 483 ед. и 190 ед.

Увеличивающееся в последние годы количество разработок по созданию различных видов материалов и соединений существенно повышают в окружающей среде концентрацию не только известных соединений, но и новых, угрожающих окружающей среде и здоровью человека [6]. Проведение микробиологического мониторинга среды обитания человека прежде всего направлено на определение рисков передачи возбудителей инфекционных заболеваний через различные факторы окружающей среды.

В условиях медицинских учреждений биологическим индикатором возможного присутствия в воздухе патогенов с воздушно­капельным механизмом передачи являются стафилококки. В общественных местах в качестве индикаторов пылевого загрязнения могут быть микроорганизмы, выживающие в экстремальных условиях лимитированного содержания питательных веществ и свободной воды – спорообразующие бактерии и плесневые грибы.

Микробиологическое исследование различных поверхностей в данном исследовании – столов в учебных аудиториях и помещениях иного назначения, плинтусов, полов, выключателей, дверных ручек, внутренних поверхностей бытовых приборов, мебели, комплектующих оргтехники – показало отсутствие стафилококков и других санитарно­-показательных бактерий, что подтверждает отсутствие загрязнения данных объектов физиологическими выделениями человека.

Уровень микробной нагрузки исследуемых поверхностей (ОМЧ) зависел от: материала исследуемой поверхности; наличия оптимальных условий для сохранения жизнеспособности микробных клеток; доступности объекта для влажной уборки; эксплуатации объекта и других видов воздействий и находился в диапазоне от менее 1до 300 КОЕ.

Максимальный уровень микробной нагрузки выявлен на плинтусе и поверхности пола под подоконником в условиях, при которых вероятность постоянного загрязнения данного объекта пылевыми частицами атмосферного воздуха остается высокой, а также во влажной среде объекта (в сливе и кране раковины) – 300 КОЕ Penicillium spp. и 70 КОЕ бактерий соответственно (табл. 2).

На диапазон показаний тест-­системы в этой серии исследований влияли характеристики, исключающие формирование видимого пылевого загрязнения на тестируемой поверхности, такие как способ и частота контакта с поверхностью (выключатель, дверная ручка), отсутствие условий для скопления пыли (внутренняя поверхность шкафов, холодильника). Средние значения показаний тест-системы от 0 до 10% (см. табл. 2, Исследуемые поверхности 1,4,5,8 и 10,11) соответствовали показаниям АТФ­-люминометра, используемым для оценки поверхности объекта «грязно» с более высокими значениями световых единиц, в сравнении с результатами предыдущих исследований. Показания контрольных измерений от 8,7 ед. (поверхность № 8) до 65 ед. (поверхность № 5) при соответственно менее 1 КОЕ и 14 КОЕ на поверхности характеризуют низкую чувствительность культурального метода исследования, не позволяющего выявлять присутствие на изучаемых поверхностях всех возможных биологических агентов, в том числе и вирусов с целью микробиологического мониторинга.

Возможное влияние на показания тест-­системы белковых загрязнений и хромогенных субстратов изучено в экспериментах с искусственным нанесением на стерильные поверхности белка лошадиной сыворотки, инактивированной культуры стафилококка на стекло и 48-­часовой культуры штамма, выросшей на питательном субстрате, содержащем и не содержащем хромогенные вещества. Нулевые значения обоих измерительных устройств на поверхностях, загрязненных белком, позволяют интерпретировать низкую чувствительность приборов в отношении химически чистых белковых загрязнений, которые в окружающей среде в чистом виде встречаются достаточно редко. Средние значения показателей тест­-системы значительно увеличились с 17,3 ± 4,3% и 17,7 ± 5,6% до 63,0 ± 10,6%, соответственно при тестировании живой культуры (на стекле и питательном агаре) и культуры на среде с хромогенным субстратом (табл. 3). Полученные данные позволяют предположить возможное влияние цвета субстрата на поглощение и отражение света, что может ограничивать применение тест­-системы на окрашенных поверхностях, покрытие которых является неустойчивым.

Таблица 3: Результаты исследования культуры микроорганизма

Примечание:

¹ клетки стафилококка на стекле;
² клетки стафилококка в инокуляте и на питательной среде;
* инактивированный инокулят штамма в физиологическом растворе хлорида натрия;
** живая культура на питательном агаре;
*** живая культура на хромогенном субстрате.

Установленные в этом эксперименте значения тест-­системы (более 10%) также соответствуют диапазону АТФ­-люминометра, используемому для оценки наличия живых клеток на исследуемых поверхностях.

Показания АТФ-­люминометра также зависели от количества жизнеспособных клеток и состава питательного субстрата. Максимальные значения показателей контрольного измерительного устройства – 5 132 ед. и 3 726 ед. выявлены при тестировании 48­часовой культуры, выросшей на поверхности питательного агара без и с хромогенным субстратом соответственно.

Значения критерия t­Стьюдента для сравниваемых групп: инактивированные и живые бактерии (p < 0.05), живые бактерии на питательном агаре и хромогенном субстрате (p > 0.05) подтверждают различия в уровне биотического загрязнения, выявляемые АТФ­-люминометром. Отсутствие достоверных различий в показаниях обоих измерительных устройств, позволяет экстраполировать выводы, полученные при анализе результатов контрольного измерительного устройства на оценку работы тест­-системы.

Таким образом, представленные результаты санитарно-­микробиологических исследований различных поверхностей общественных мест указывают на неодинаковый уровень их загрязнения пылевой фракцией и микроорганизмами, что зависит от материала поверхности, способа и частоты контакта поверхностей с человеком, доступности поверхности для удаления загрязнений. Образование пылевой фракции на различных поверхностях происходит в течение длительного периода времени, а кратковременный период (менее 7 дней) не всегда является достаточным для визуализации загрязнений путем их прямой детекции. К основным ограничениям применения тест-­системы следует отнести отсутствие возможности дифференцировать жизнеспособные и нежизнеспособные микробные клетки на тестируемых поверхностях, низкую чувствительность к биологической контаминации при условии «видимого» пылевого загрязнения, чувствительность тест­-системы к хромогенным субстратам.

На основании регламентированных данных производителя и руководства по эксплуатации АТФ-­люминометра System Sure Plus (Hygiena, Великобритания) (табл. 4) и с учетом отсутствия статистических достоверных различий в показаниях обоих измерительных устройств при исследовании одинаковых поверхностей (φ*эмп = 1,281), предложена классификация поверхностей по уровню загрязнения с помощью тест-­системы на 3 группы: чистые, сомнительные и грязные (табл. 5).

Таблица 4: Шкала соответствия количества микробных клеток (микробной нагрузки) диапазону значений контрольного измерительного устройства

Таблица 5: Классификация уровней загрязнений поверхностей с использованием тест-системы

Для определения биотических и абиотических факторов, загрязняющих окружающую среду и исследования их комплексного воздействия на здоровье человека и экологию нужны совместные усилия ученых разных специальностей, позволяющих комплексно оценить сложные взаимодействия загрязнителей окружающей среды и их влияние на организм человека [4]. В настоящее время доступным для мониторинга загрязнений различных объектов живыми микроорганизмами является культуральный метод, чувствительность которого ограничена определенным спектром возбудителей. Использование физических величин и явлений, как измерительных инструментов значительно расширяют возможности профилактической медицины при проведении микробиологического мониторинга.

Заключение

Высокая чувствительность АТФ­-люминометра по отношению к биологическому загрязнению и корреляция показаний АТФ-люминометра с показаниями тест-­системы в различных экспериментах позволяет использовать принцип абсорбции света для оценки уровней загрязнения различных поверхностей.

Предлагаемая классификация уровней загрязнений, подтвержденная результатами измерений тест-­системы, может применяться в целях гигиенического мониторинга чистоты различных бытовых поверхностей для рутинных исследований, проводимых при оценке благополучия окружающей среды для здоровья человека в общественных местах.

Скачать статью в электронном виде pdf, 253 kb

Литература

1. Borchers A., Chang C., Keen C., et al. Airborne environmental injuries and human health. Clinical Reviews in Allergy and Immunology. 2006;31(1):1–10. doi: 10.1385/CRI-AI:31:1:1
2. Rohr A., Donald J. Health effects of carbon-containing particulate matter: Focus on sources and recent research program results. Critical Reviews in Toxicology. 2016;46(2):97–1377.
3. Beard S. Rhinitis Primary Care //Clinics in Office Practice . 2014;41(1);33–46. doi: org/10.1016/j.pop.2013.10.005.
4. Zhou Z.-C., Feng W., Zheng Y., et al. Prevalence and transmission of antibiotic resistance and microbiota between humans and water environments. Environ. Int. 2018;121:1155–1161.
5. Zhou Z.-C., Yang L., Shuai Z.-J., et al. Spread of antibiotic resistance genes and microbiota in airborne particulate matter, dust, and human airways in the urban hospital. Environment International. 2021;153. doi: org/10.1016/j.envint.2021.106501
6. Barberan A., Dunn R., Reich B., et al. The ecology of microscopic life in household dust. Proc. R. Soc. B 282: 20151139. 2022:1–9. doi: org/10.1098/rspb.2015.1139
7. Yilbas B., Hassan G., Yilbas A., et al. On the Mechanism of Human Saliva Interaction with Environmental Dust in Relation to Spreading of Viruses. Langmuir. 2021;37(15):4714–4726. doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00583
8. Aleksandrova A., Timofeeva S. The Study of Dust Nanoparticles and Their Impact on the Health of Mining Workers // IOP. Conf. Series: Earth Environ. Sci. 2021;666(3):1–5. doi:10.1088/1755-1315/666/3/032030.
9. Renninger N., Nastasi N., Bope A., et al. Indoor dust as a matrix for surveillance of COVID-19 outbreaks //medRxiv preprint 2021 Apr 13;6(2):e01350-20. doi: 10.1128/mSystems.01350-20
10. Методические указания МУ-287-113 «По дезинфекции, предстерилизационной очистке и стерилизации изделий медицинского назначения».
11. СанПиН 3.3686-21 «Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных заболеваний».