Медные сплавы в борьбе против микроорганизмов

Harold T. Michaels, Copper Development Association

Прежде чем было признано, что микроорганизмы действительно существуют, граждане ранней Римской империи использовали медные трубы для улучшения общественной гигиены. Они заметили, что вода, подаваемая по медным трубам, безопасна для питья и что медная утварь и посуда способствуют предотвращению распространения болезни. Гораздо позже, после того как были обнаружены микробы и теория микробного заражения связала бактерии и другие микроорганизмы с инфекциями и болезнями, ученые начали понимать, как противомикробные свойства меди могут быть использованы для обеспечения дополнительной защиты от болезней. В настоящее время противомикробное применение меди можно видеть на примере использования фунгицидов, пестицидов, красок для необрастающих покрытий, противомикробных медицинских препаратов, продукции гигиены полости рта, гигиенических медицинских приборов, антисептиков и множества других полезных приложений.

Имеется достаточно сведений о противомикробном влиянии меди при инактивации микроорганизмов L. pneumophila, являющихся основным возбудителем болезни легионеров. Борьба с болезнью легионеров в течение долгого времени была одним из основных направлений Американского общества инженеров по технике безопасности (ASSE), и в этой статье мы попытаемся показать, насколько важными являются связанные с этим вопросы для обеспечения здоровья населения, применительно к системам водоснабжения. Недавние научные исследования продемонстрировали также эффективность меди и ее сплавов в инактивации и других опасных микробов. К этим микробам относятся, например, устойчивый к метициллину организм Staphyloccocus aureus (MRSA) – смертельный патоген, который у органов здравоохранения вызывает сейчас наибольшую озабоченность. Аналогичные исследования проводились с E. coli O157:H7 – распространяющейся через пищу и воду бактерией, которая может вызывать болезнь и смерть, а также с Listeria monocytogenes – бактерией, имеющейся в почве и воде и распространяющейся при обработке пищи.

Одной из целей этой статьи является предоставление информации о самых последних лабораторных находках, подтверждающих эффективность внутренне присущей меди способности инактивации смертельно опасных патогенных организмов. До настоящего времени не проводилось исследований находящихся в эксплуатации водопроводных систем; здесь мы представляем результаты лабораторных исследований, выполненных в последние несколько лет, которые могут помочь в определении и разработке изделий из сплавов меди, способных внести определенный вклад в обеспечение здоровья населения.

Микроорганизмы Legionella

Болезнь легионеров включает в себя группу респираторных заболеваний, вызываемых микроорганизмом Legionellae. Род Legionella в настоящее время включает в себя 43 разновидности, кроме этого предполагается наличие амебных патогенных микроорганизмов Legionella-likt (Adeleke и др., 2001). L.pneumophila, основной этиологический агент болезни легионеров, служит причиной от 4 до 20 % переносимого от человека к человеку воспаления легких и считается второй или третьей по частоте причиной воспаления легких, требующей госпитализации. Однако из-за трудности выделения этих бактерий из заболевших людей и проведения лечения, уничтожающего этих возбудителей до того, как их присутствие может быть удостоверено, эти цифры могут быть заниженными.

Болезнь легионеров протекает остро и быстро, с небольшой интенсивностью приступов, но приблизительно в 12 % случаев заканчивается смертельным исходом (Fraser, 1977; Brenner, 1979). Лихорадка Понтиака – лихорадка, протекающая в мягкой форме с сильными приступами. Свое наименование эта болезнь получила по названию места, где она в июле 1968 г. впервые была обнаружена – Отдел сельского здравоохранения в г. Понтиак, Мичиган (Glick, 1978). Большинство случаев являются спорадическими и не прослеживаемыми. Микроорганизмы Legionellae являются одной из причин пневмонии, которая может быть как домашней (1–15 %), так и внутрибольничной (до 50 % случаев) (Lieberman  и др., 1996; Butler и Breiman, 1998).

В табл. 1 представлена краткая хронология основных вспышек болезни в США. Очевидно, что имеется связь между средой и оборудованием, приводящим к образованию водных аэрозолей, например, градирни, увлажнители, устройства образования тумана и джакузи. На самом деле организмы Legionellae присутствуют в природе повсеместно. Они могут жить в почве и в воде вместе с другими бактериями и простейшими, особенно в биопленках. Конструкция и характер технического обслуживания систем водоснабжения не могут обеспечивать их стерильности, поэтому в этих системах могут образовываться колонии Legionellae. Если организмы Legionellae размножаются (обычно при температуре воды 20–50 °С) и распыляются с аэрозолями (в этом плане представляют проблему капли диаметром меньше 5, т. к. они могут легко попасть в легкие при дыхании), это, в принципе, может быть опасно для здоровья населения.

Организмы Legionellae обычно присутствуют в пресной воде и распространены в системах водоснабжения. Данные обследования таких систем указывают на тесную связь условно патогенных микроорганизмов с местопребыванием людей (см. табл. 2). Хорошая конструкция и регулярное техническое обслуживание систем водоснабжения имеют большое значение для контроля организмов Legionellae и их связи с биопленками, продуктами коррозии и застойными зонами. Фактически было показано, что очистка установок от колоний микробиологических образований прерывает вспышки заболеваний и предотвращает повторение единичных случаев. Согласно данным двух перспективных исследований в больницах, частота, с которой организмы L. pneumophila обнаруживались у больных пневмонией, за шестилетний период снизилась с 16,3 до 0,1 %, а у больных с пониженным иммунитетом – с 76 до 0,8 % за десятилетний период (Grosserode и др., 1993; Junge-Mathys и Mathys, 1994). Микроорганизмы Legionellae относительно устойчивы к хлорированию и повышенной температуре; для предотвращения их размножения необходимо, чтобы температура холодной воды была ниже 20 °С, а горячей – выше 55–60 °С. Сопротивляемость Legionella хлорированию возрастает, если они внедряются в амеб или размножаются в биопленках (Kuchta и др., 1993). Неудивительно поэтому, что организмы Legionellae регулярно обнаруживаются в хлорированной воде, соответствующей микробиологическим стандартам питьевой воды. Альтернативные методы обработки, препятствующие распространению болезнетворных организмов, включающие в себя ультрафиолетовое облучение, обработку монохлорамином, озоном и ионами металлов (меди и серебра), используются с переменным успехом, зависящим от конструкции системы. Далее будет рассмотрен положительный эффект использования меди или одного из медных сплавов в системе водоснабжения.

Микобактерии

Действительные и кажущиеся вспышки внутрибольничной пневмонии, вызванной нетуберкулезными микобактериями (NTM), например, Mycobacterium avium, регистрируются уже более 20 лет и продолжают оставаться проблемой. Количество случаев заболевания легочными болезнями, связанными с M. avium, быстро растет и в некоторых регионах достигло уровня заболеваний, вызванных M. tuberculosis. Источниками таких вспышек в основном являются городские системы водоснабжения и больничные системы подачи воды (часто отдельные). Нетуберкулезные микобактерии были обнаружены в 12 из 13 (т. е. в 92 %) источников, в 45 из 55 (82 %) домах, в 31 из 31 (100 %) коммерческих зданиях и в 15 из 15 (100 %) больницах (Aronson и др., 1999). Обнаруженные разновидности микобактерий чрезвычайно выносливы, они способны размножаться в городском водопроводе и дистиллированной воде, прекрасно себя чувствуют при температуре 45 °С и выше и сопротивляются воздействию содержащих ртуть соединений, хлора, 2-процентного формальдегида щелочного глутаралдегида, а также других обычно используемых средств дезинфекции. Большое число бактерий M. avium, обнаруженных в воде больниц, и тесная связь этого показателя с количеством больных, у которых также обнаружены эти бактерии, наводит на мысль о потенциальной угрозе распространения инфекции внутри больницы. Действительно, был сделан вывод, что питьевая вода является одним из основных источников инфицирования микобактериями M. avium (Aronson и др, 1999).

Инфицирование микобактериями M. avium наблюдается у больных с пониженным иммунитетом, например, у больных с хроническими болезнями легких и СПИДом. Для последних инфекция M. avium является основной причиной смерти (Fordham von Reyn и др., 1996; Ristola и др., 1999). Недавно были обнаружены другие группы населения, подверженные риску инфицирования микобактериями M. avium. По большей части, бактерии M. avium попадают в организм человека через желудочно-кишечный тракт, в котором они проникают через слизистую оболочку кишечника (Sangari и др., 1999). Однако некоторые микобактерии могут без труда попасть в организм из воды в виде аэрозолей (Parker и др., 1983), и вдыхание аэрозольных частиц также является важной причиной легочных болезней (Hoffner, 1994).

Нет достаточных оснований утверждать, что нетуберкулезные бактерии образуют биопленки, но лабораторные исследования с условно-патогенными организмами – M.fortuitum and M. chelonae – показали, что это возможно на трубах из полиэтилена высокой плотности (ПВП), используемых для водоснабжения (Hall-Stoodley и др., 1999). Были собраны образцы биопленок из пятидесяти установок водообработки и систем коммунально-бытового водоснабжения в Германии и Франции. Различные виды микобактерий были обнаружены в 90 % этих образцов (Schulze-Robbecke и др., 1992). Было высказано предположение, что микобактерии присутствуют повсеместно в биопленках и что зоны соприкосновения твердых и жидких сред, особенно поверхности пластмассовых деталей, могут быть выбраны микробактериями. В другом исследовании в трубы из ПВХ вводилось небольшое количество M. chelonae, и через восемь недель были обнаружены колонии этих организмов (Vess и др., 1993).

Резюмируя, можно сказать, что вышеуказанные исследования показали: системы водоснабжения могут содержать широкий спектр условно-патогенных и опасных микроорганизмов. Кроме того, применение неверных строительных материалов, плохая конструкция системы и отсутствие должного технического обслуживания могут способствовать образованию колоний и размножения таких болезнетворных организмов в водопроводных и HVAC-системах.

Исследования воздействия на микробов меди, медных сплавов и нержавеющей стали

Некоторое время назад проводились исследования противомикробных свойств меди по сравнению с алюминием, сталью, пластмассой и другими строительными материалами. В ранних экспериментах  было показано, что растворенная медь и медные поверхности сдерживают рост непатогенных разновидностей E. coli  и патогенных организмов ACDP категорий 2/3, таких как Legionella pneumophilia. С другой стороны, поверхности из пластмассы и нержавеющей стали не сдерживают размножение этих микроорганизмов (Schoenen и Schlomer, 1989).

Используя воспроизводимую с высокой степенью точности лабораторную модель системы подачи питьевой воды, Rogers и др. (1994 a, b) продемонстрировали, что биопленки с большим разнообразием разных микроорганизмов могут воспроизводиться в течение многих месяцев на широком спектре пластиковых и металлических материалов. Более того, организмы L. pneumophila могут выживать и развиваться в биопленках на пластмассовых поверхностях даже при температуре до 50 °С, за исключением медных поверхностей (см. табл. 3). Эти авторы смогли составить таблицу, показывающую иерархию способности материалов противодействовать обрастанию. Согласно данным этой таблицы, медь является в этом отношении наилучшим материалом, а некоторые металлы и пластики – явно наихудшими (см. табл. 4). Организмы L. pneumophila способны организовывать колонии на этих материалах, которые обычно используются в системах подачи холодной или горячей воды. К таким материалам относятся малоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, полипропилен, неполимеризованный поливинилхлорид (UPVC), хлорированный поливинилхлорид (СPVC) и герметики, латекс и этиленпропилен.

Такой уровень развития колоний для широкого спектра материалов, используемых в системах водоснабжения, может быть частично связан с тем фактом, что пластиковые и резиновые материалы могут способствовать росту микроорганизмов (Zobell и Beckwith, 1944; Burman и др., 1977). Такие материалы в качестве пластификаторов могут содержать акил-фталаты, в качестве антиоксидантов – бутилированный гидроксилтолуол, в качестве смазочного средства – стеараты и в качестве термостабилизаторов – тиоэфиры. На самом деле организмы L. Pneumophila также способны образовывать колонии на биопленке на железных трубах с битумным покрытием, используемых для подачи поды с температурой 25 °С, которые могут служить прекрасной органической питательной средой либо непосредственно для Legionellae, или косвенно – для компонентов биопленки, которые далее образуют вторичные метаболиты (Mackerness и др., 1993; Keevil, 1999). Малоуглеродистая и нержавеющая сталь, вероятно, способствуют размножению организмов L. Pneumophila в водных биопленках, где их доля в общей флоре возрастает с обычного 1 % до 9 %, т. к. для патогенных организмов нужно железо (Qames и др., 1995,1997).

К счастью, организмы L. Pneumophila чувствительны к меди и могут образовывать немногочисленные колонии на биопленках только на старых медных поверхностях. Хотя общее количество миклофлоры гетеротрофной биопленки на меди в 70 раз меньше, чем на углеродистой стали, соответствующее количество Legionellae меньше более чем в 600 раз. Это свойство меди также хорошо заметно при разной температуре. Так, при 20 °С на биопленках меди не отмечалось никаких микроорганизмов Legionellae, а на полибутилене и ХПВХ было отмечено значительное количество этих организмов. Максимальный уровень развития колоний отмечается при 40 °С, когда на биопленке на меди было замечено небольшое количество Legionellae, но больше всего этих организмов было на двух пластиковых материалах. Доля организмов Legionellae в общей флоре возрастает с 2 % на меди до 18 % на ХПВХ, что следует признать значительным увеличением. Но еще большее количество Legionellae было обнаружено на биопленке на полибутилене, т. к. этот материал в три раза больше поддерживает рост биопленки, чем ХПВХ. Некоторые строительные нормы и правила рекомендуют, чтобы для исключения сохранения Legionellae температура в системах подачи горячей воды поддерживалась выше, чем 50 °С. Представляется, что такая практика может быть приемлемой при установке медных материалов, но на биопленках полибутилена и в меньшей степени ХПВХ и в этом случае наблюдаются значительное количество Legionellae. Следовательно, в системах горячей воды необходимо поддержание более высокой температуры. В качестве подтверждения этого вывода можно упомянуть, что при температуре 60 °С ни на одном из трех этих материалов на скудной биопленке не было обнаружено организмов Legionellae.

Эти лабораторные исследования были в последующем подкреплены непосредственными наблюдениями на трубопроводах системах подачи воды в немецких больницах. Согласно данным этих наблюдений, только на 2 % медных поверхностей были обнаружены L. Pneumophila, в то время как для полиэтиленовых и стальных поверхностей эти показатели равны соответственно 65 и 90 %, что указывает на то, что на этих поверхностях для патогенных образований существуют лучшие условия (Pongratz и др., 1994). Это вновь подтверждает связь Legionellae со стальными поверхностями и сдерживающее влияние меди, что говорит о том, что медные материалы более благоприятны для здоровья населения. Применение меди в системах подачи воды или в системах HVAC особенно имеет смысл в больницах, где имеется множество больных с ослабленным иммунитетом, и, следовательно, более подверженных инфицированию условно-патогенными микроорганизмами.

В предыдущем обзоре литературы, посвященной микобактериям, предполагалось, что эти бактерии могут образовывать колонии на множестве материалов систем водоснабжения. К сожалению, в научной литературе имеется не так много сведений об исследованиях микобактерий с такой же степенью подробности, что и в исследованиях выживаемости организмов Legionella на биопленках материалов систем водоснабжения. Однако известно, что некоторые микобактерии чувствительны к растворимым солям меди (Falkinham и др., 1984), в результате чего можно предположить, что их рост будет сдерживаться на биопленках медных труб и других медных поверхностях. Действительно, Schulze-Robbecke и др. (1992) смогли показать, что на медных поверхностях меньше микобактерий, чем на пластиковых деталях установок водообработки, систем подачи воды для бытовых нужд и в аквариумы. Учитывая возрастающую угрозу для здоровья населения со стороны микобактерий, эта возможность  должна быть исследована как можно быстрее.

Многообещающие результаты для меди, касающиеся ее способности сдерживать рост организмов L. Pneumophila, послужили стимулом для Keevil и др. (2000) исследовать способность меди сдерживать рост организмов Verocytotoxigenic Escherichia coli (VTEC) O157, являющихся сильными патогенами, вызывающими гемолический колит, синдром гемолической уремии (серьезное почечное заболевание) и даже смерть. VTEC рассматривается как серьезная угроза здоровью населения, т. к. внедрение даже десяти особей упомянутых организмов может быть достаточным, чтобы вызвать заражение.

В недавних исследованиях, посвященных организмам E. coli, проводились испытания с нержавеющей сталью S30400 и полиэтиленом (см. рис. 1). Кроме этого, испытывались 34 медных сплава, четыре из которых имеют непосредственное отношение к сплавам, применяемым в системах водоснабжения. Конкретно, испытывались следующие сплавы: С10200 (почти идентичный сплаву С12200, обычно используемому для водопроводных вентилей, арматуры и т. д.), С26000, С83600 и С84400 (сплавы латуни и бронзы, обычно используемые для медных труб, арматуры и т. д.). Результаты ясно показывают, как эти сплавы подавляют бактерии, особенно по сравнению с нержавеющей сталью и полиэтиленом.

И вновь результаты этих исследований продемонстрировали, что медь и латунь являются бактерицидными материалами, а нержавеющая сталь – нет.

Авторы нашли, что организмы E. coli O157 выживают на нержавеющей стали длительное время при пониженной и комнатной температуре. При 20 °С организмы VTEC наблюдались через 34 дня. При 4 °С следы организмов отмечались и через 60 дней. Эти результаты явным образом подтверждают, что детали из нержавеющей стали являются потенциальным источником перекрестного заражения, если только они не подвергаются ежедневной дезинфекции.

С другой стороны, медь инактивирует организмы VTEC уже через четыре часа при температуре 20 °С и через 14 часов при температуре 4 °С. Латунь (сплав из 60 % меди и 40 % цинка) инактивирует бактерии через четыре дня при температуре 20 °С и через 12 часов при температуре 4 °С.

Это доказательство является для авторов достаточным для того, чтобы сделать вывод, что медь и ее сплавы предотвращают долговременное сохранение смертельно опасных болезней.

Последовавшие затем исследования продемонстрировали подобные результаты с патогенными организмами Listeria monocytogenes и MRSA. Согласно отчету Центра по контролю и предотвращению болезней, США, от 1999 года, этот сильный патогенный организм является второй по частоте причиной смертельных случаев (20 %) и самой частой причиной госпитализации (90 %) из всех болезней, вызываемых контролируемыми, действующих через пищу патогенными организмами. MRSA, Methicillin-resistant Stapbylococcus aureus (устойчивый к метицилину организм Stapbylococcus aureus) является смертельно опасным организмом, особенно устойчивым ко всем лактамовым антибиотикам (таким как пенициллин, ампициллин, цефалоспорин). MRSA, один из так называемых «сверхпаразитов», может вызывать заражение кожи, костей, опасное для жизни заражение крови, а также воспаление легких. MRSA является в стране вторым по устойчивости к антибиотикам организмом, причем самую большую степень устойчивости он проявляет в отделениях интенсивной терапии (ICU), а затем – в амбулаторных учреждениях.

Ассоциация развития медной промышленности США намеревается провести дополнительные исследования противомикробных свойств медных сплавов и ведет в этой связи переговоры с производителями оборудования, а также с администраторами, архитекторами, лицами, ответственными за контроль инфекционных болезней, и другими лицами, выразившими заинтересованность в разработке соответствующих приложений. 

Перепечатано с сокращениями из журнала Plumbing Standarts № 4/2004

Перевод Л. И. Баранова

Техническое редактирование В. С. Ионова