Применение бактерицидного УФ-излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях

Сведения об авторах:

А.И. Васильев, к.х.н., главный научный сотрудник НПО «ЛИТ»,
С.В. Костюченко, к.ф-м.н., председатель совета директоров НПО «ЛИТ»,
Н.Н. Кудрявцев, член-корр. РАН, д.ф-м.н., профессор, ректор ГОУ ВПО «МФТИ (государственный университет)»,
В.В. Якименко, к.ф.-м.н., сотрудник технологической дирекции НПО «ЛИТ»

В настоящее время человек все больше времени проводит в замкнутом пространстве – в помещении: дома, на работе, в школе, университете, в транспорте, даже на отдыхе, в том числе и в местах массового скопления людей. И, естественно, мы надеемся на то, что окружающая нас среда является комфортной и безопасной, не несущей угроз здоровью.

Обеззараживание воздуха и поверхностей в помещениях

Микробиологическая чистота воздуха и поверхностей является одним из факторов обеспечения безопасности окружающей среды в помещениях. Роль патогенных мик­роорганизмов в распространении инфекционных заболеваний через воздух и зараженные поверхности установлена давно (еще Гиппократ предположил, что причиной эпидемий является проникновение в организм людей неких веществ – миазмов). Бактерии, споры грибов и вирусы могут переноситься как людьми (с поверхности на поверхность – эффект «дверной ручки»), так и потоками воздуха (далеко от источника их образования) и влиять на здоровье людей.

Понимание путей заражения и количественных доз, вызывающих инфицирование или действие на людей, в большинстве случаев остается недостаточно детализированным. Более того, наши знания о путях распространения неклеточных агентов (эндотоксины, глюканы, полипептиды, аллергические протеины и микотоксины), связанных с мик­роорганизмами, вызывающими раздражения, аллергии и даже заболевания, ограниченны. Пример этого – вспышка лихорадки Эбола, передающейся через контакт с жидкостными выделениями больного. Как сообщила газета The Daily Mail 15 сентября 2014 г., «канадские ученые еще в 2012 году выяснили: вирус Эбола может передаваться через дыхательную систему свиней и обезьян. Их легкие похожи на человеческие. Симптомы проявляются в течение 21 дня. Найти и изолировать всех зараженных и так не просто, а с легочной формой ситуация может еще более усложниться».

Обеззараживание воздуха и поверхностей в помещениях для снижения риска инфицирования людей является сложной комплексной задачей. Большая вариабельность инфицирующей дозы для людей (для животных величина этой дозы достаточно хорошо определена для широкого круга мик­ро­организмов-возбудителей) делает необходимыми разработку и применение таких способов обеззараживания, которые способны уничтожать патогенные микроорганизмы различной природы (бактерии, вирусы, споры плесневых грибов) за короткое время (существенно меньшее, чем требуемое для получения инфицирующей дозы) как в отсутствие людей, так и в их присутствии. При этом применяемые способы обеззараживания не должны оказывать негативного воздействия на организм человека.

В настоящее время среди множества различных способов обеззараживания в помещениях доминирующие позиции занимает дезинфекция с применением химических средств. Основными недостатками этого метода являются неблагоприятные (отложенные во времени) последствия для персонала, большие трудозатраты на выполнение дезинфекционных работ, затраты на приобретение, транспортировку и хранение дезинфектантов. Следует помнить об аллергическом воздействии химикатов, особенно в местах применения с большим скоплением людей. Широко известны негативные экологические последствия применения различного рода химикатов, использующихся в качестве дезинфектантов, для окружающей среды. Часто химические вещества, например, под действием солнечной радиации, взаимодействуют между собой и с присутствующими в воздухе (или на поверхностях) веществами (кислород, озон, аммиак, вода). В результате образуются вторичные загрязнители, которые гораздо токсичнее и опаснее первичных продуктов. Применение химических дезинфектантов в присутствии людей (особенно для обеззараживания воздуха) зачастую просто невозможно. В связи с этим различные физические методы обеззараживания воздуха и поверхностей помещений находят все более широкое применение.

Чаще всего в целях обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях используется бактерицидное УФ-излучение (с 1930-х гг.). Особенно широко его используют в лечебно-профилактических учреждениях (операционные, перевязочные, роддома, палаты для больных и др.), в пищевой промышленности, фармации и микроэлектронике. В общем случае к преимуществам УФ-обеззараживания воздуха и поверхностей относятся высокая скорость обработки, универсальный механизм обеззараживания (инактивации) для всех микроорганизмов и, как следствие, универсальный спектр действия, экологичность метода, возможность сочетания с любым химическим методом обеззараживания.

Целью данной работы является знакомство широкого круга специалистов, в том числе медицинских работников, с современными тенденциями применения бактерицидного УФ-излучения при обеззараживании воздуха и поверхностей в помещениях различного назначения.

Механизм действия бактерицидного УФ-излучения на микроорганизмы

Он принципиально отличается от окислительных технологий, которые разрушают наружную оболочку микроорганизмов. УФ-излучение в диапазоне 205–315 нм всегда производит бактерицидное действие, которое заключается в поглощении УФ-излучения молекулами ДНК внутри клетки, разрывом связей в молекуле ДНК и образованием новых связей, в результате чего микроорганизм теряет способность к воспроизведению. Когда УФ-излучение (200–300 нм) проходит через микроорганизм, оно поглощается различными компонентами клетки, в том числе протеинами и нуклеотидами, входящими в состав ДНК и РНК. При длине волны меньше 230 нм протеины поглощают большую часть УФ-излучения, а при длине волны больше 230 нм поглощение осуществляется в основном нуклеотидами. Поскольку размеры микроорганизмов малы, то область поглощения УФ-излучения имеет характерный размер порядка 1 мкм, и доля поглощенного УФ-излучения не превышает 1–5% от падающего потока. В таких условиях внешние мембраны клеток не могут служить защитным экраном на пути УФ-излучения для ядер в центре клетки, и все поглотители ведут себя независимо. Хотя протеины (в основном внешние мембраны клеток) могут лучше поглощать УФ-излучение в области 190–220 нм, требуются очень высокие УФ-дозы (флюенсы) по сравнению с дозами, которые необходимы для разрушения ДНК и РНК. В результате инактивация происходит в основном за счет поглощения УФ-излучения нуклеотидами в ДНК.

Все нуклеотиды в ДНК и РНК поглощают УФ-излучение в диапазоне 200–300 нм. Из 4-х важных нук­ле­отидов ДНК только тимин вступает в уникальную фотохимическую реакцию. Образование тиминовых димеров нарушает структуру ДНК. С вирусами, которые содержат только РНК, происходит похожая фотохимическая реакция димеризации между двумя урациловыми основаниями. Образование примерно 100 тиминовых димеров является критическим для инактивирования всей цепи ДНК (рис. 1).

Это предотвращает появление инфекции и является фундамен­таль­ным механизмом обеззаражи­вания бактерицидным УФ-из­лу­­че­ни­ем. Число выживших микро­орга­низмов (N) экспоненциально падает с ростом полученной бактерицидной дозы (D).
N = N0 10-kD,
где N0 – число начальных микроорганизмов, k – константа, характеризующая степень чувствительности данного вида микроорганизма к УФ-облучению.

Величина УФ-дозы, необходимой для 10-кратного уменьшения, зависит от вида микроорганизма и для многих бактерий и вирусов составляет 2–10 мДж/см2 для длины волны УФ-излучения 254 нм. Отметим, что доза есть величина энергии бактерицидного УФ-излучения, приходящегося на единичную площадь плоскости, на которой находится микроорганизм, и она равна произведению плотности мощности излучения на время воздействия.

Применение бактерицидного УФ-излучения для обеззараживания поверхностей

Наличие микроорганизмов на различных поверхностях в помещении определяет возможность не только передачи инфекций тактильным путем, но и попадания их в окружающую воздушную среду и дальнейшего распространения воздушным путем.

Для обеззараживания поверхностей применяются открытые облучатели – только в отсутствие людей. Специфическая особенность таких облучателей заключается в том, что поток ультрафиолетового излучения от них распространяется по всему пространству, куда попадает свет от бактерицидной лампы. Это эффективный способ обеззараживания как воздуха, так и поверхностей помещения, а также предметов в нем. При применении открытых облучателей для обеззараживания воздуха в помещении фотореактором является все помещение.

Обеззараживание поверхностей открытыми облучателями

В первую очередь открытые облучатели необходимо применять в помещениях ЛПУ. В помещениях другого назначения (офисы, школы, детские дошкольные учреждения и др., за исключением производств пищевой промышленности) применять открытые облучатели в целях обеззараживания поверхностей целесообразно в период эпидемий заболеваний при проведении дезинфекционных мероприятий.

 При обеззараживании открытыми облучателями поверхностей в помещении следует учитывать материал поверхностей. Если принять дозу УФ-излучения, необходимую для обеззараживания поверхности стекла за единицу, то она несколько возрастает даже для обеззараживания поверхности хромированного металла. Для обеззараживания поверхностей из пластика, кожезаменителей, дерева и, тем более, из резины дозу необходимо увеличивать как минимум в 2–3 раза (рис. 2).

Еще более существенно на величину дозы, необходимой для обеззараживания поверхностей, особенно в случае профилактики нозокомиальной инфекции, может влиять наличие белковой оболочки (образуется либо при выделении больным, либо при росте колонии микроорганизмов на поверхности). В этом случае доза УФ-излучения, необходимая для обеззараживания поверхности, может более чем в 10 раз превосходить величины, определенные в экспериментах на чистых культурах (рис. 3).

На рынке УФ-оборудования представлено большое количество открытых облучателей. Как правило, это стационарные облучатели малой мощности (до 30 Вт электрической мощности, ~10 Вт), кстати, широко используемые в ЛПУ. Однако их применение в целях профилактики нозокомиальных инфекций, на наш взгляд, неэффективно. Доза УФ-излучения на поверхности стены напротив облучателя в стандартном помещении ЛПУ площадью 36 м2 за время работы, нормируемое действующим руководством (Р 3.5.1904-04), не более 0,5 часа составит всего 8 мДж/см2, что достаточно для обеззараживания E. coli, но явно недостаточно для обеззараживания Stafilococcus Aureus (доза для обеззараживания на 99,9% чистой культуры – 6,6 мДж/см2), Pseudomonas Aeruginosa (10,5 мДж/см2), Rotavirus (24 мДж/см2), по данным NNIS, являющихся наиболее частой причиной внутрибольничных заболеваний (SA – 27,8% случаев пневмоний; РА – 18,1%). В последнее время большое распространение получили заболевания ротавирусной инфекцией (до 8,1 случая на 100 госпитализаций в эпидемические месяцы).

Применение мощных стационарных облучателей, хотя они тоже представлены на рынке, по-видимому, не всегда оправданно – они дорогие, а время использования ограничено. Сегодня все более популярными становятся мощные передвижные открытые облучатели. Их электрическая мощность находится в пределах 200–500 Вт. Несмотря на более высокую цену, их применение, особенно в целях профилактики нозокомиальных инфекций, становится предпочтительным. Благодаря компактности и мобильности одним прибором можно пользоваться для обеззараживания не одного, а нескольких помещений. Большая мощность позволяет осуществлять обеззараживание за короткие промежутки времени.

На рынке представлены и сверхмощные передвижные открытые облучатели, их электрическая мощность составляет 1500–2500 Вт, а мощность в бактерицидном УФ- излучении – 500–800 Вт. Назначение этих приборов, по-видимому, – экстренное обеззараживание больших помещений, например современных высокотехнологичных операционных при оказании экстренной медицинской помощи, простой которых стоит дорого. Так, использование открытого облучателя с мощностью излучения 600 Вт позволяет в помещении площадью 70 м2 при облучении в течение 15 мин осуществить полную дезинфекцию поверхностей. Таким образом, современные открытые облучатели для обеззараживания поверхностей позволяют не только деконтаминировать поверхности, но и за короткое время (10–15 мин) производить их дезинфекцию. Экспериментальные исследования применения сверхмощных открытых облучателей, проведенные в различных клиниках США, подтвердили их высокую эффективность при обеззараживании поверхностей помещений практически от всех видов микроорганизмов, включая антибиотико­устойчивые штаммы внутрибольничных инфекций, а также вирус Эбола.

Обеззараживание воздуха в помещениях

Уже указывалось, что при обеззараживании поверхностей в помещениях открытыми облучателями одновременно проводится и обеззараживание воздуха. Однако еще раз подчеркнем, что открытые бактерицидные УФ-облучатели могут применяться только в отсутствие людей.

Для профилактики инфекций, передающихся воздушно-капельным путем, в присутствии людей необходимо применение в помещениях закрытых систем обеззараживания внутреннего воздуха – бактерицидных ультрафиолетовых рециркуляторов. С точки зрения обеззараживания воздуха в помещении способ обеззараживания, используемый в приборе, не имеет значения, т. к. обеззараживание воздуха в таких устройствах происходит в некоем «черном» ящике внутри прибора, объем которого много меньше объема помещения, и основным параметром прибора, определяющим эффективность обеззараживания воздуха в помещении, является кратность рециркуляции. Этот параметр аналогичен кратности воздухообмена при вентиляции помещения чистым наружным воздухом. Как известно, для получения внутри помещения с людьми чистого воздуха кратность вентиляции должна быть больше 6 (для операционных она составляет 10). Естественно, мик­робиологическое качество воздуха после обеззараживания прибором должно соответствовать качеству наружного воздуха.

Как и в случае с применением открытых облучателей, набор требований, предъявляемых к рециркуляторам, определяется назначением помещения, в котором должен использоваться прибор.

В помещениях ЛПУ, для которых установлены нормативы микробиологического качества воздуха в соответствии с требованиями СанПиН 2630-10, воздух, подаваемый в помещения категорий А и Б, должен обеззараживаться в приборе по крайней мере на 95% (для помещений категории Б), при этом, как мы уже отметили, должна достигаться высокая кратность рециркуляции. В то же время для других категорий помещений ЛПУ, для которых не нормировано микробиологическое качество подаваемого воздуха, по нашему мнению, оно должно быть достаточно высоким — воздух после прохождения через рециркулятор не должен содержать санитарно-показательных микроорганизмов, кратность рецикла не должна быть менее 3.

Иные требования предъявляются в случае использования рециркуляторов в помещениях общего назначения. Для офисов применение рециркуляторов целесообразно, по нашему мнению, только в период распространения респираторных заболеваний или эпидемий гриппа. Тогда их применение дает существенный экономический эффект, т. к. снижает заболеваемость персонала минимум на 25%. Использование рециркуляторов в летний период, при отсутствии эпидемических угроз, нецелесообразно. Несколько иначе должна решаться проблема обеззараживания воздуха с помощью рециркуляторов в помещениях для детских коллективов (детские сады, школы и др.). В помещениях этого типа обеззараживание воздуха целесообразно проводить в обязательном порядке в период межсезонья (осень – зима, зима – весна), т. к. именно в этот период детские коллективы наиболее чувствительны к распространению респираторных заболеваний. Однако требования к параметрам прибора для этих помещений одинаковы. Кратность рециркуляции должна быть не менее 3, а доза излучения в приборе должна обеспечивать снижение общего микробного числа (ОМЧ) в проходящем через прибор воздухе не менее чем в 3 раза по сравнению с исходным в помещении без применения рециркулятора.

Естественно, рециркуляторы должны быть безопасны во время их работы в присутствии людей, надежны и просты в обслуживании, корпус приборов должен быть устойчив к применению химических дезинфектантов и моющих средств, а также обладать вандалоустойчивостью.

На отечественном и зарубежном рынке представлено большое количество ультрафиолетовых рециркуляторов различных производителей. Они различаются в первую очередь типом УФ-лампы, материалами, габаритами, производительностью. Все устройства заявляются высокоэффективными в отношении Staphilococcus Aureus (эффективность обеззараживания 99,9%). Подчеркнем, что это – эффективность обеззараживания воздуха внутри прибора, и она не представляет собой эффективности обеззараживания воздуха в помещении, достигаемой за заданное время работы прибора. На рынке представлены как стационарные, так и передвижные модели. Выбор такого оборудования должен осуществляться специалистами исходя из конкретных задач профилактики нозокомиальной инфекции в данном учреждении.

Отметим одну немаловажную особенность применения рециркуляторов, особенно в профилактических целях. Рециркулятор в помещении должен работать в течение по крайней мере всего времени нахождения в нем людей, которые и являются источниками нозокомиальной инфекции. При таком режиме работы применение рециркуляторов не только обеззараживает воздух в помещении, но и существенно снижает обсемененность поверхностей. По данным НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н. Сысина, полученным при выполнении программы правительства г. Москвы, включение рециркулятора в игровом помещении детского сада в течение всего времени нахождения в нем детей снижало обсемененность поверхностей, в том числе игрушек – ОМЧ составило 3000 КОЕ/100 см2, в контроле ОМЧ – 28 000 КОЕ/100 см2, в помещении с применением рециркулятора золотистый стафилококк обнаружен в смывах не был, в контроле в смывах ОМЧ достигало 300 КОЕ/см2.