DOI: 10.35411/2076-457X-2021-3-16-28

Disinfection Affairs № 3/2021, pp. 16-28

Possible mechanisms of the destruction of spores of the vaccine strain Bacillus anthracis STI-1 under the influence of alcohol sols of metal nanoparticles

G.A. Frolov¹, N.V. Zavyalova², I.A. Lundovskikh³, M.R. Shabalina³, I.P. Pogorelsky⁴, K.I. Gurin⁵, A.V. Mironin⁵

¹Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "National Research Technological University: Moscow Institute of Steel and Alloys": 4 Leninsky Ave., Moscow, 119991, Russian Federation;
²Federal State Budgetary Institution "27 Scientific Center" of the Ministry of Defense of the Russian Federation: 13 Brigadirsky per., Moscow, 105005, Russian Federation;
³FSBEI HE "Vyatka State University": 36 Moskovskaya str., Kirov, 610000, Russian Federation;
⁴ANO "Scientific Society "Microbiota": Loza, 9 D, Sergiev Posad district, Moscow region, 141300, Russian Federation;
⁵Branch of the Federal State Budgetary Institution "48 Central Research Institute" of the Ministry of Defense of the Russian Federation: 121 Oktyabrsky Ave, Kirov, 610017, Russian Federation.

The results are presented of a comparative study of the sporicidal activity of alcohol sols of nanoparticles of titanium, copper, zinc and tantalum metals in the course of their interaction with a rehydrated lyophilized culture of spores of the vaccine strain Bacillus anthracis STI-1 with the loss of the ability of spores to germinate in nutrient media under optimal conditions using bacteriology and electronic microscopy. The most pronounced sporicidal effect is observed when titanium alcohol sol is exposed to spores. At the same time, spores of B. anthracis STI-1 in titanium alcohol sol are affected by ethyl alcohol, which causes dehydration and denaturation of the protein, the antiseptic cetylpyridinium chloride as a surfactant, which is also a strong electrophilic agent that destroys the exosporium and spore shells, and titanium nanoparticles, which, due to the high surface energy when exposed to spores, cause their pronounced massive adhesion. In addition, titanium nanoparticles, the zeta (? -) value of the potential of which is -44.5 mV, cause a stable energy state of the dispersed system of alcohol sol, which acts as a biocatalyst for intracellular enzymes, causing the hydrolysis of polymer structures of the spore shells and cortex, as well as destroyed nucleoid – an area of spores containing structured genetic material. Spores that do not have a nucleoid in electron microscopy acquire the form of "shadows". As a result of the action of titanium alcohol sol, the activation of germination and the formation of the so-called "metabolic" spores, from which the vegetative cells of B. anthracis STI-1 should have been formed, are prevented. The reason for the high sporicidal efficiency of the alcohol sol of titanium nanoparticles is associated both with the structure and properties and with the technology of synthesis of titanium nanoparticles in the low-temperature plasma zone with the formation, due to the excess of the surfactant cetylpyridinium chloride, of a two-layer shell around the metal nanoparticles, which leads to their "conservation" until the moment of contact with spores and a sharp slowdown in their oxidation in the aquatic environment. The destruction of the formed two-layer shell of metal nanoparticles begins with contact with spores with the simultaneous onset of the formation of titanium ions from the phase of nanoparticles, which actively destroy chemically the shells of the spores.
Keywords: microorganisms, Bacillus anthracis STI-1, spores, metal nanoparticles, zeta potential, disinfectant compositions, sporicidal activity.

Authors
Frolov Georgiy Aleksandrovich – Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Physical Chemistry of Moscow institute of steel and alloys; Tel.: (495) 955-00-03, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.. ORCID ID: 0000–0003–1460–6030
Zavyalova Natalya Vasilevna – Doctor of Biological Sciences, Professor, Chief Researcher of 27 Scientific Center" of the Ministry of Defense of the Russian Federation
Lundovskikh Irina Aleksandrovna – Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Department of Microbiology of Vyatka State University. ORCID ID: 0000–0003–4954–8870
Shabalina Marina Robertovna – Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Fundamental and Applied Mathematics, Institute of Mathematics and Information Systems of Vyatka State University. ORCID ID: 0000–0001–5389–3306
Pogorelskiy Ivan Petrovich – Doctor of Medical Sciences, Professor, ANO "Scientific Society "Microbiota"
Gurin Konstantin Igorevich – Candidate of Medical Sciences, Chief of Research Center 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

Full-text is available in Russian

Возможные механизмы деструкции спор вакцинного штамма Bacillus anthracis СТИ-1 под воздействием спиртозолей наночастиц металлов

Г.А. Фролов¹, Н.В. Завьялова², И.А. Лундовских³, М.Р. Шабалина³, И.П. Погорельский⁴, К.И. Гурин⁵, А.В. Миронин⁵

¹ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет:  Московский институт стали и сплавов»: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 4;
²Федеральное государственное бюджетное учреждение «27 Научный центр» Министерства обороны РФ: 105005, Москва, Бригадирский пер., д. 13;
³ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет»: 610000, Киров, ул. Московская, 36;
⁴АНО «Научное общество «Микробиота»: 141300, Сергиево-Посадский район, Московская область, п. Лоза, 9 Д;
⁵Филиал федерального государственного бюджетного учреждения «48 Центральный научно-исследовательский институт» Министерства обороны РФ: 610017, Киров, Октябрьский пр., д. 121.

Представлены результаты сравнительного изучения с помощью методов бактериологии и электронной микроскопии спороцидной активности спиртозолей наночастиц металлов титана, меди, цинка и тантала в ходе их взаимодействия с регидратированной лиофилизированной культурой спор вакцинного штамма Bacillus anthracis СТИ-1 с потерей способности спор к прорастанию в питательных средах при оптимальных условиях. Наиболее выраженный спороцидный эффект наблюдается при воздействии на споры спиртозоля титана. При этом на споры B. anthracis СТИ-1 в спиртозоле титана воздействует этиловый спирт, вызывающий дегидратацию и денатурацию белка, антисептик цетилпиридиния хлорид как поверхностно-активное вещество, являющееся к тому же сильным электрофильным агентом, разрушающим экзоспориум и оболочки споры, и наночастицы титана, которые вследствие высокой поверхностной энергии при воздействии на споры вызывают их выраженную массированную адгезию. Кроме того, наночастицы титана, величина дзета (?-)-потенциала которых составляет -44,5 мВ, обуславливают стабильное энергетическое состояние дисперсной системы спиртозоля, выступающего в качестве биокатализатора внутриклеточных ферментов, обуславливая гидролиз полимерных структур споровых оболочек и кортекса, а также разрушенные нуклеоида – области спор, содержащей структурированный генетический материал. Не имеющие нуклеоида споры при электронной микроскопии приобретают вид «теней». В результате воздействия спиртозоля титана предотвращается активация прорастания и образование так называемых метаболических спор, из которых в конечном итоге должны были cформироваться вегетативные клетки бацилл B. anthracis СТИ-1. Причина высокой спороцидной эффективности спиртозоля наночастиц титана связана как со структурой и свойствами, так и с технологией синтеза наночастиц титана в зоне низкотемпературной плазмы с образованием вследствие избытка поверхностно-активного вещества цетилпиридиния хлорида двухслойной оболочки вокруг наночастиц металла, что приводит к их «консервации» до момента контакта со спорами и резким замедлением их окисления в водной среде. Разрушение образовавшейся двухслойной оболочки наночастиц металла начинается с контакта со спорами с одновременным началом образования ионов титана из фазы наночастиц, которые химически активно разрушают оболочки спор.
Ключевые слова: микроорганизмы, Bacillus anthracis СТИ-1, споры, наночастицы металлов, дзета-потенциал, дезинфицирующие композиции, cпороцидная активность.

Сведения об авторах
Фролов Георгий Александрович – кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии Национального исследовательского технологического университета "Московский институт стали и сплавов"; служеб. тел.: (495) 955-00-03, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.. ORCID ID: 0000–0003–1460–6030
Завьялова Наталья Васильевна – доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ "27 Научный центр" Министерства обороны Российской Федерации
Лундовских Ирина Александровна – кандидат химических наук, доцент кафедры микробиологии ФГБОУ ВО "Вятский государственный университет".
Шабалина Марина Робертовна – кандидат технических наук, доцент кафедры фундаментальной и прикладной математики Института математики и информационных систем ФГБОУ ВО "Вятский государственный университет". ORCID ID: 0000–0001–5389–3306
Погорельский Иван Петрович – доктор медицинских наук, профессор АНО "Научное общество "Микробиота"
Гурин Константин Игоревич – кандидат медицинских наук, начальник отдела НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" Министерства обороны Российской Федерации
Миронин Александр Викторович – доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИЦ ФГБУ "48 ЦНИИ" Министерства обороны Российской Федерации