DOI: 10.35411/2076-457X-2019-3-5-15

Disinfection Affairs № 3/2019, pp. 5-15

Comparative evaluation of the potentiating effect of nanoparticles of noble metals in the antimicrobial compositions

K.I. Gurin¹, I.P. Pogorelsky¹, G.A. Frolov², V.S. Menukhova¹, A.V. Mironin¹, I.A. Lundovskikh³, V.S. Lobastov¹, А.М. Shoev³

¹Branch of the Federal State Budgetary Establishment "48 Central Scientific Research Institute" of the Ministry of Defense of the Russian Federation: 121 Oktyabrsky Ave, Kirov, 610017, Russian Federation;

²National University of Science and Technology "Moscow institute of steel and alloys": 4 Leninsky Ave., Moscow, 119991, Russian Federation;

³Vyatka State University: 36 Moskovskaya str., Kirov, 610000, Russian Federation.

The results of a comparative study of biocidal activity of stable aqueous colloidal solutions of silver, gold and platinum nanoparticles, Benzalkonium chloride antiseptic and their combinations in antimicrobial compositions in relation to the test microorganisms Escherichia coli C 600, Yersinia pestis EV line of the Research Institute of Epidemiology and Hygiene, Staphylococcus aureus KM, Bacillus cereus АТСС 10702 and Bacillus anthracis STI-1 spores are presented. The stability of aqueous colloidal solutions of silver, gold, and platinum nanoparticles is a consequence of the high value of the zeta potential (ζ-potential) exceeding -18,7 mV. The potentiating effect of silver, gold, and platinum nanoparticles of varying intensity has been revealed, resulting in an increase in the bactericidal and sporicidal activity of antimicrobial compositions based on the antiseptic Benzalkonium chloride containing aqueous colloidal systems in the series of platinum, gold, and silver nanoparticles. Based on the experimental data, an assumption was formulated that the equilibrium energy state of dispersed systems is achieved by compensating the energy transferred from high-energy surfaces of metal nanoparticles to water dipoles forming part of hydrated shells, resulting in an additional induced dipole moment leading to pronounced polarization of water molecules. Under these conditions, nanoparticles act as biocatalysts for intracellular enzymes, which cause the hydrolysis of polymeric structures of cytoplasmic membranes and cell walls and, as a result, the death of microbial cells.
Keywords: microorganisms, biocidal activity, antiseptic, nanoparticles, zeta potential.

Authors
Gurin Konstantin Igorevich – Candidate of Medical Sciences, Deputy Chief of Research Center of 48 Central Scientific Research Institute; служеб. тел.: (8332) 64-18-13, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Pogorelskiy Ivan Petrovich – Doctor of Medical Sciences, Professor, Leading Researcher of Research Center of 48 Central Scientific Research Institute. ORCID ID 0000-0001-6293-7366
Frolov Georgiy Aleksandrovich – Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Physical Chemistry of Moscow institute of steel and alloys. ORCID ID 0000-0003-1460-6030
Menukhova Valentina Sergeevna – Software Engineer of Branch of 48 Central Scientific Research Institute
Mironin Aleksandr Viktorovich – Doctor of Medical Sciences, Professor, Leading Researcher of Research Center of 48 Central Scientific Research Institute. ORCID ID 0000-0002-2434-2385
Lundovskikh Irina Aleksandrovna – Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Department of Microbiology of Vyatka State University. ORCID ID 0000-0003-4954-8870
Lobastov Vladimir Sergeevich – Candidate of Technical Sciences, Senior Research Associate of Research Center of 48 Central Scientific Research Institute
Shoev Aleksandr Maksimovich – Bachelor of Department of Microbiology of Vyatka State University

Full-text is available in Russian

Сравнительная оценка потенцирующего эффекта наночастиц благородных металлов в составе антимикробных композиций

К.И. Гурин¹, И.П. Погорельский¹, Г.А. Фролов², В.С. Менухова¹, А.В. Миронин¹, И.А. Лундовских³, В.С. Лобастов¹, А.М. Шоев³

¹Филиал федерального государственного бюджетного учреждения "48 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны РФ: 610017, Киров, Октябрьский пр., д. 121;

²ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский технологический университет "Московский институт стали и сплавов": 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4;

³ФГБОУ ВО "Вятский государственный университет": 610000, Киров, ул. Московская, д. 36.

Представлены результаты сравнительного изучения биоцидной активности стабильных водных коллоидных растворов наночастиц серебра, золота и платины, антисептика Бензалкония хлорида и их сочетаний в антимикробных серебра, золота и платины является следствием высокого значения дзета-потенциала (?-потенциала), превышающего -18,7 мВ. Выявлен разной интенсивности потенцирующий эффект наночастиц серебра, золота и платины, композициях в отношении тест-микроорганизмов Escherichia coli C 600, Yersinia pestis EV линии НИИЭГ, Staphylococcus aureus КМ, Bacillus cereus АТСС 10702 и спор Bacillus anthracis СТИ-1. Стабильность водных коллоидных растворов наночастиц выражающийся в увеличении бактерицидной и спороцидной активности антимикробных композиций на основе антисептика Бензалкония хлорида, содержащих водные коллоидные системы в ряду наночастиц платины, золота и серебра. На основании экспериментальных данных сформулировано предположение о том, что равновесное энергетическое состояние дисперсных систем достигается путём компенсации энергии, передаваемой от высокоэнергетических поверхностей наночастиц металлов диполям воды, входящим в состав гидратных оболочек, в результате чего возникает дополнительный наведённый дипольный момент, приводящий к выраженной поляризации молекул воды. В этих условиях наночастицы выступают в качестве биокатализаторов внутриклеточных ферментов, обуславливающих гидролиз полимерных структур цитоплазматических мембран и клеточных оболочек и в итоге гибель микробных клеток.
Ключевые слова: микроорганизмы, биоцидная активность, антисептик, наночастицы, дзета-потенциал.

Сведения об авторах
Гурин Константин Игоревич – кандидат медицинских наук, зам. начальника отдела НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ; служеб. тел.: (8332) 64-18-13, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Погорельский Иван Петрович – доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ. ORCID ID 0000-0001-6293-7366
Фролов Георгий Александрович – кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии НИТУ "МИСиС". ORCID ID 0000-0003-1460-6030
Менухова Валентина Сергеевна – инженер-программист филиала ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ
Миронин Александр Викторович – доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ. ORCID ID 0000-0002-2434-2385
Лундовских Ирина Александровна – кандидат химических наук, доцент кафедры микробиологии Вятского государственного университета. ORCID ID 0000-0003-4954-8870
Лобастов Владимир Сергеевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" МО РФ
Шоев Александр Максимович – бакалавр кафедры микробиологии Вятского государственного университета