CHARACTERISTICS OF SURFACE CONTAMINATION WITH ANTIBIOTIC-RESISTANT MICROORGANISMS

ОСОБЕННОСТИ КОНТАМИНАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ АНТИБИОТИКО-РЕЗИСТЕНТНЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ

Научная статья

Лыков И.Н.^1, *, Голик Т.А.², Жихор А.А.³, Ушакова А.Н.⁴

¹ ORCID 0000-0002-5326-0442;

^{1, 2, 3, 4} Калужский государственный университет, Калуга, Россия

* Корреспондирующий автор (linprof47[at]yandex.ru)

Аннотация

В этом исследовании определены уровни контаминации поверхностей и выделены различные микроорганизмы, которые могут влиять на качество жизни и здоровье человека. Объектами исследования были туалетные комнаты, дверные ручки, учебные столы в школах и университете, клавиатуры в компьютерных классах, мобильные телефоны школьников и студентов. Среди наиболее распространенных бактериальных контаминантов различных поверхностей нами идентифицированы Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Pseudomonas alcaligenes, Pseudomonas aeruginosa, а также спорообразующие палочки (Bacillus spp.). Наибольшее количество микроорганизмов обнаружено на клавиатуре, дверных ручках, поручнях в общественном транспорте, унитазах и сотовых телефонах. Выделенные микроорганизмы в той или иной степени обладали мультирезистентностью к исследованным антибиотикам. Уровень устойчивости микроорганизмов к антибиотикам варьировал от 1,1% до 97,1%. Наибольшую устойчивость микроорганизмы проявляли в отношении кларитромицина, бензилпенициллина и ампициллина. Бактерии кишечной группы, а также St. aureus показали наибольшую антибиотикорезистентность.

Ключевые слова: поверхности, смывы, микроорганизмы, количественный учет, антибиотики, резистентность.

CHARACTERISTICS OF SURFACE CONTAMINATION WITH ANTIBIOTIC-RESISTANT MICROORGANISMS

Research article

Lykov I.N.^1, *, Golik T.A.², Zhikhor A.A.³, Ushakova A.N.⁴

¹ORCID 0000-0002-5326-0442;

^{1, 2, 3, 4} Kaluga State University, Kaluga, Russia

* Corresponding author (linprof47[at]yandex.ru)

Abstract

The current study determines the levels of surface contamination and identifies various microorganisms that can affect the quality of life and human health. The subjects of the study include toilets, door handles, study tables in schools and universities, keyboards in computer classes, mobile phones of students in schools and universities. Among the most common bacterial contaminants of various surfaces, the study identifies Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Pseudomonas alcaligenes, Pseudomonas aeruginosa as well as spore-forming rods (Bacillus spp.). The largest number of microorganisms can be found on keyboards, door handles, handrails in public transport, toilets and cell phones. The microorganisms were more or less multiresistant to the studied antibiotics while the level of their resistance to antibiotics varied from 1.1% to 97.1%. The microorganisms showed the greatest resistance to clarithromycin, benzylpenicillin and ampicillin. Bacteria of the intestinal group as well as St. aureus, showed the greatest antibiotic resistance.

Keywords: surfaces, wipe-samples, microorganisms, quantitative accounting, antibiotics, resistance.

Введение

Микрофлора поверхностей формируется за счет воздушной и контактной микрофлоры. В помещения активно заносятся частицы почвы, которые содержат большое ко­личество микроорганизмов, плесневых грибов и вирусов. Поднимаясь в воз­дух вместе с пылевыми частицами, микроорганизмы распространяются в пределах воздушного объема помещений и оседают на различных поверхно­стях [1]. При благоприятных условиях (оптимальная температура и влажность) микроорганизмы могут размножаться на стенах, деревян­ных поверхностях и на книгах.

В последние годы значительно возросло количество синтетических полимерных материалов, применяемых в строительстве, в том числе в интерьере квартир, учебных аудиторий и офисов. В процессе эксплуатации на поверхности этих материалов начинают накапливаться и интенсивно размножаться многочисленные виды микроорганизмов и плесневых грибов. Это связано с тем, что на поверхности полимерных материалов существуют идеальные условия для прикрепления микроорганизмов. В связи с электризуемостью материалов на их поверхности накапливаются заряды статического электричества, которые притягивают и способствуют осаждению пылевых частиц из воздуха. Например, на экране мониторов компьютеров, клавиатуре и мышках, на телефонных аппаратах, факсах и ксероксах общее количество микроорганизмов может быть больше, чем в общественных туалетах. Среди этих микроорганизмов присутствуют возбудители различных инфекций [1], [2].

Бактерии и вирусы могут длительное время сохранять контагиозность на различных поверхностях. Например, вирус гриппа А может выживать до 48 часов на сухой поверхности, коронавирус SARS выживает в течение 96 часов. Споры бактерий и плесневых грибов могут сохраняться на различных поверхностях в течение нескольких месяцев [3], [4].

Загрязненные поверхности являются важным фактором контактного распространения микроорганизмов. Микроорганизмы чаще переносятся на руки с твердых непористых поверхностей, таких как нержавеющая сталь или ламинированные поверхности [2], [5]. Имеются данные о том, что при минимальном времени контакта от ламинированной поверхности к рукам переносится до 40% бактерий, с сотового телефона – от 38,5% до 41,8% бактерий, а с ручки водопроводного крана – от 27,6% до 40,0% бактерий [6], [7].

На поверхностях очень часто формируется биологическая пленка, которая обеспечивает защиту микроорганизмов от различных неблагоприятных факторов окружающей среды, а также формирует устойчивость бактерий к антибиотикам [8], [9]. В биопленках создаются оптимальные условия для горизонтального переноса генов, в том числе высокая плотность клеток и повышенная генетическая компетентность [10].

Появление патогенных и непатогенных бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, представляет собой глобальную проблему, поскольку увеличивает заболеваемость, смертность и снижает эффективность лечения инфекционных заболеваний [11]. Устойчивые к антибиотикам бактерии представляют собой не только медико-экологическую, но и экономическую проблему. Например, в Европе потери бюджета здравоохранения составляют более девяти миллиардов евро в год. В США прямые затраты на здравоохранение, связанные с резистентностью к антибиотикам, ежегодно превышают 20 миллиардов долларов. Оценочные расходы на лечение одного пациента с устойчивой к антибиотикам инфекцией колеблются от 18588 до 29069 долларов США [12].

Во всем мире от лекарственно-устойчивых болезней ежегодно умирает 700 000 человек. К 2050 году их количество может составить 10 миллионов. Экономический ущерб сопоставим с мировым финансовым кризисом 2008-2009 годов [13], [14].

Методы исследования

Объектами исследования были общественные унитазы (n = 25), дверные ручки (n = 25), поручни автотранспорта (n = 25), бумажные купюры (n = 25), учебные столы в школах и университете (n = 25), клавиатуры и компьютерные мышки (n = 75), мобильные телефоны (n = 25), ручки (n = 25). Смывы с поверхностей и количественный учет микроорганизмов (колонии образующие единицы – КОЕ) проводили в соответствии с Методическими указаниями МУК 4.2.2942-11 [15]. Идентификацию бактерий выполняли в следующей последовательности: описание культуральных признаков выделенного микроорганизма; получение чистой суточной культуры путем посева на питательные среды; окраска по Граму и микроскопирование препарата.

Определение чувствительности бактерий к антибиотикам осуществляли диффузионным методом с использованием дисков с антибиотиками (табл. 1).

 

Таблица 1 – Перечень использованных антибиотиков

№ п/п	Наименование	Концентрация	Обозначение
1	Офлоксацин	5 мкг	ОФ
2	Кларитромицин	15 мкг	KTM
3	Бензилпенициллин	10 ед.	ПЕН
4	Ципрофлоксацин	5 мкг	ЦИП
5	Цефоперазин	75 мкг	ЦПР
6	Новобиоцин	5 мкг	НБ
7	Тилозин	15 мкг	ТЛЗ
8	Доксициклин	30 мкг	ДОК
9	Левофлоксацин	5 мкг	ЛФЦ
10	Фосфомицин	200 мкг	ФОС
11	Тобрамицин	10 мкг	TOБ
12	Оптохин	6 мкг	OП
13	Тетрациклин	30 мкг	TETР
14	Ампициллин	10 мкг	AMP

 

Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием классических методов математической статистики и табличного процессора Microsoft Excel.

Результаты исследования

Исследованные образцы смывов с поверхностей показали рост микроорганизмов в 86,1% случаях. Чаще всего из проанализированных образцов высевали Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Pseudomonas aeruginosa, спорообразующие палочки Bacillus spp. (рис. 1). Среди выделенных микроорганизмов преобладали грамотрицательные изоляты (55,8%). Удельный вес грамположительных бактерий составил 44,2%.

Рис. 1 – Частота встречаемости микроорганизмов, выделенных из различных объектов

 

Результаты исследований показали, что бактериальному загрязнению подвержены 89% компьютерных клавиатур и 97% компьютерных мышек. При этом контаминация микроорганизмами компьютерной техники значительно увеличивалась в процессе эксплуатации (рис. 2).

Рис. 2 – Бактериальная контаминация различных поверхностей компьютерной техники

 

Например, на клавиатуре после извлечения из упаковки количество микроорганизмов составляло 25 КОЕ/см², а после эксплуатации увеличилось до 176,3 КОЕ/см². С поверхности дверных ручек, унитазов в школах и университете, сотовых телефонов высевали 161,6 КОЕ/см², 93,91 КОЕ/см² и 121,2 КОЕ/см² соответственно. Меньше всего микроорганизмов находилось на поверхности учебных парт (табл. 2).

 

Таблица 2 – Уровни бактериального загрязнения различных поверхностей (log КОЕ/см²)

Микроорганизмы	Сиденье унитазов	Клавиатура	Сотовые телефоны	Дверные ручки	Учебные столы
E. coli	19,3±5,1	21,1±9,3	15,3±6,2	17,1±8,08	0
Ps. aeruginosa	17,1±3,4	19,2±8,6	9,7±4,6	11,2±5,9	0
St. aureus	7,7±2,5	35,4±3,7	23,2±8,3	19,9±6,1	5,0±2,3
St. epidermidis	5,4±1,7	17,3±4,1	11,1±3,3	18,8±7,1	0
Str. pyogenes	9,0±3,6	21,1±6,2	15,0±6,6	21,1±8,8	0
Ent. faecalis	22,7±3,3	15,8±9,9	7,9±2,08	13,7±4,4	0
Ent. aerogenes	9,4±1,6	12,0±6,1	11,4±3,4	25,5±7,3	0
Bacillus spp	3,31±0,9	34,4±13,4	27,6±11,9	34,3±12,3	4,1±1,4

 

Значительное количество микроорганизмов было обнаружено на поверхности поручней в общественном транспорте. Относительно небольшое количество микроорганизмов на бумажных купюрах может быть связано с их обеззараживанием в банках и перед закладкой в банкоматы (рис. 3).

Рис. 3 – Присутствие микроорганизмов на предметах частого пользования

 

Выделенные микроорганизмы в той или иной степени обладали мультирезистентностью к исследованным антибиотикам. Частота случаев устойчивости к антибиотикам варьировала от 1,1% до 97,1% для всех изолятов (рис. 4).

Рис. 4 – Частота устойчивости микроорганизмов к антибиотикам

 

Наибольшую устойчивость микроорганизмы проявляли в отношении кларитромицина (21,7- 84,1%), бензилпенициллина (33,8-97,1%) и ампициллина (до 31,1-67,7%). За ними следуют тилозин (1,7-30,3%), левофлоксацин (11,4-25,7%), тобрамицин (3,1-25,5%), тетрациклин (7,1-27,2%) и ципрофлоксацин (4,7-8,5%). Изоляты бактерий кишечной группы, а также St. aureus показали наибольшую антибиотикорезистентность.

Резистентность микроорганизмов к бензилпенициллину, ампициллину и кларитромицину в настоящем исследовании имеет большое значение, поскольку эти антибиотики наиболее широко используются при лечении различных инфекций.

Выводы

1. Бактериальное загрязнение поверхностей варьировало в пределах от 9,1 до 176,3 КОЕ/см². Наибольшее количество микроорганизмов высевали с поверхности клавиатуры компьютерных классов, дверных ручек, поручней в общественном транспорте, сотовых телефонов, унитазов. Причем на поверхности клавиатур общее количество микроорганизмов было больше (176,3 КОЕ/см²), чем на поверхности унитазов (93,91 КОЕ/см²). Поверхность клавиатуры характеризуется почти 10-ти кратным увеличением уровня бактериального загрязнения в процессе эксплуатации.
2. Постоянное пользование дверными ручками, поручнями в общественном транспорте, сотовыми телефонами, клавиатурой способствует скоплению микроорганизмов на их поверхности. Загрязненные поверхности являются важным фактором контактного распространения микроорганизмов.
3. Выделенные микроорганизмы в той или иной степени обладали мультирезистентностью к исследованным антибиотикам. Уровень устойчивости к антибиотикам варьировал от 1,1% до 97,1% для всех изолятов.
4. Наибольшую устойчивость микроорганизмы проявляли в отношении кларитромицина, бензилпенициллина и ампициллина. Изоляты бактерий кишечной группы, а также St. aureus показали наибольшую антибиотикорезистентность.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Лыков И.Н. Микроорганизмы: Биология и экология. / Лыков И.Н., Шестакова Г.А.- Калуга. Изд-во «СерНа». 2014 г. 451 с.
2. Rusin P. Comparative surface-to-hand and fingertip-to-mouth transfer efficiency of gram-positive bacteria, gram-negative bacteria, and phage / Rusin P., Maxwell S., Gerba C. // Journal of Applied Microbiology. – 2002. – Vol. 93. – Р. 585-592.
3. Duan S.M. Stability of SARS coronavirus inhuman specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation / Duan S.M, Zhao X.S., Wen R.F. et al. // Biomed. Environ. Sci. – 2003. – Vol. 16. – Р. 246–255.
4. Sizun J. Survival of human coronaviruses 229E and OC43 in suspension and after drying on surfaces: a possible source of hospital-acquired infections / Sizun J., Yu M.W., Talbot P.J. // J. Hosp. Infect. – 2000. – Vol. 46. – Р. 55–60.
5. Rheinbaben F. Transmission of viruses via contact in ahousehold setting: experiments using bacteriophage straight phiX174 as a model virus / Rheinbaben F., Schünemann S., Gross T., Wolff M.H. // J. Hosp. Infect. – 2000. – Vol. 46(1). – Р. 61-66.
6. Ansari S. A. Rotavirus survival on human hands and transfer of infectious virus to animate and non-porous inanimate surfaces / Ansari S. A., Sattar S. A., Springthorpe V. S., Wells G. A. et al. // Journal of Clinical Microbiology. – 1988. – Vol. 26. – Р. 1513-1518.
7. Gerhardts A. A model of the transmission of micro-organisms in a public setting and its correlation to pathogen infection risks / Gerhardts A., T.R. Hammer, C. Balluff et al.// Journal of Applied Microbiology. – 2012. – Vol. 112. – Р. 614–621. doi:10.1111/j.1365-2672.2012.05234.x
8. Ander J.N. Role of antibiotic penetration limitation in Klebsiella pneumoniae biofilm resistance to ampicillin and ciprofloxacin / Ander J.N., Franklin M.J., Stewart P.S. // Antimicrob. Agents Chemother. – 2000. – Vol. 44. – Р. 1818–1824.
9. 9. Mah Thien-Fah. Biofilm-specific antibiotic resistance / Mah Thien-Fah // Future Microbiology. – 2012. – Vol. 7(9). – Р. 1061-1072. DOI: 10.2217/fmb.12.76
10. Abe K. Biofilms: hot spots of horizontal gene transfer (HGT) inaquatic environments, with a focus on a new HGT mechanism / Abe K., Nomura N., Suzuki S. // FEMS Microbiology Ecology. – 2020. – Vol. 96. – No. 5. – Р. 5-12.
11. Prestinaci F. Antimicrobial resistance: a global multifaceted phenomenon / Prestinaci F., Pezzotti P., Pantosti A. // Pathog. Glob Health. – 2015. – Vol. 109(7). – Р. 309-318. doi:10.1179/2047773215Y.0000000030.
12. Shrestha P. Enumerating the economic cost of antimicrobial resistance per antibiotic consumed to inform the evaluation of interventions affecting their use / Shrestha P., Cooper B.S., Coast J. et al. // Antimicrobial Resistance & Infection Control. – 2018. – Vol. 7. – No. 98. – Р. 2-9. https://doi.org/10.1186/s13756-018-0384-3
13. Rochford C. Global governance of antimicrobial resistance / Rochford C., Sridhar D., Woods Ng. Saleh Z. et al. // Lancet. – 2018. – Vol. 391(10134). – Р. 1976-1978. DOI: 10.1016/S0140-6736(18)31117-6
14. Hoffman St.J. How law can help solve the collective action problem of antimicrobial resistance / Hoffman St.J., Bakshi R., Katwyk S.R. // Bioethics. – 2019. – Vol. 33(7). – Р. 798-804. DOI: 10.1111/bioe.12597
15. Методы санитарно-бактериологических исследований объектов окружающей среды, воздуха и контроля стерильности в лечебных организациях. Методические указания МУК 4.2.2942-11.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Lykov I.N. Mikroorganizmy: Biologiya i ekologiya. [Microorganisms: Biology and Ecology] / Lykov I.N., Shestakova G.A. - Kaluga. SerNa Publishing House. 2014. 451 pp. [in Russian].
2. Rusin P. Comparative surface-to-hand and fingertip-to-mouth transfer efficiency of gram-positive bacteria, gram-negative bacteria, and phage / Rusin P., Maxwell S., Gerba C. // Journal of Applied Microbiology. – 2002. – Vol. 93. – Р. 585-592.
3. Duan S.M. Stability of SARS coronavirus inhuman specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation / Duan S.M, Zhao X.S., Wen R.F. et al. // Biomed. Environ. Sci. – 2003. – Vol. 16. – Р. 246–255.
4. Sizun J. Survival of human coronaviruses 229E and OC43 in suspension and after drying on surfaces: a possible source of hospital-acquired infections / Sizun J., Yu M.W., Talbot P.J. // J. Hosp. Infect. – 2000. – Vol. 46. – Р. 55–60.
5. Rheinbaben F. Transmission of viruses via contact in ahousehold setting: experiments using bacteriophage straight phiX174 as a model virus / Rheinbaben F., Schünemann S., Gross T., Wolff M.H. // J. Hosp. Infect. – 2000. – Vol. 46(1). – Р. 61-66.
6. Ansari S. A. Rotavirus survival on human hands and transfer of infectious virus to animate and non-porous inanimate surfaces / Ansari S. A., Sattar S. A., Springthorpe V. S., Wells G. A. et al. // Journal of Clinical Microbiology. – 1988. – Vol. 26. – Р. 1513-1518.
7. Gerhardts A. A model of the transmission of micro-organisms in a public setting and its correlation to pathogen infection risks / Gerhardts A., T.R. Hammer, C. Balluff et al.// Journal of Applied Microbiology. – 2012. – Vol. 112. – Р. 614–621. doi:10.1111/j.1365-2672.2012.05234.x
8. Ander J.N. Role of antibiotic penetration limitation in Klebsiella pneumoniae biofilm resistance to ampicillin and ciprofloxacin / Ander J.N., Franklin M.J., Stewart P.S. // Antimicrob. Agents Chemother. – 2000. – Vol. 44. – Р. 1818–1824.
9. 9. Mah Thien-Fah. Biofilm-specific antibiotic resistance / Mah Thien-Fah // Future Microbiology. – 2012. – Vol. 7(9). – Р. 1061-1072. DOI: 10.2217/fmb.12.76
10. Abe K. Biofilms: hot spots of horizontal gene transfer (HGT) inaquatic environments, with a focus on a new HGT mechanism / Abe K., Nomura N., Suzuki S. // FEMS Microbiology Ecology. – 2020. – Vol. 96. – No. 5. – Р. 5-12.
11. Prestinaci F. Antimicrobial resistance: a global multifaceted phenomenon / Prestinaci F., Pezzotti P., Pantosti A. // Pathog. Glob Health. – 2015. – Vol. 109(7). – Р. 309-318. doi:10.1179/2047773215Y.0000000030.
12. Shrestha P. Enumerating the economic cost of antimicrobial resistance per antibiotic consumed to inform the evaluation of interventions affecting their use / Shrestha P., Cooper B.S., Coast J. et al. // Antimicrobial Resistance & Infection Control. – 2018. – Vol. 7. – No. 98. – Р. 2-9. https://doi.org/10.1186/s13756-018-0384-3
13. Rochford C. Global governance of antimicrobial resistance / Rochford C., Sridhar D., Woods Ng. Saleh Z. et al. // Lancet. – 2018. – Vol. 391(10134). – Р. 1976-1978. DOI: 10.1016/S0140-6736(18)31117-6
14. Hoffman St.J. How law can help solve the collective action problem of antimicrobial resistance / Hoffman St.J., Bakshi R., Katwyk S.R. // Bioethics. – 2019. – Vol. 33(7). – Р. 798-804. DOI: 10.1111/bioe.12597
15. Metody sanitarno-bakteriologicheskih issledovanij obektov okruzhayushej sredy, vozduha i kontrolya sterilnosti v lechebnyh organizaciyah. Metodicheskie ukazaniya MUK 4.2.2942-11[Methods of sanitary-bacteriological studies of environmental objects, air and sterility control in medical organizations]. – Guidelines MUK 4.2.2942-11. [in Russian].