КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-76-20014

НазваниеРазработка экологически чистой системы обеззараживания объектов агропромышленного комплекса посредством электрохимически активированных растворов: архитектура, функция и дезинтеграция биопленок

РуководительПогорелова Мария Александровна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020 

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые словастенд для формирования биопленки, самовоспроизводимый полимерный матрикс, 3D микробиологический симбиоз, сканирующая лазерная и электронная микроскопия, масс-спектроскопия вторичных ионов, ПЦР, электрохимически активированная вода, объекты агропромышленного комплекса

Код ГРНТИ65.13.23


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Биопленка представляет собой сообщество разных видов не конкурирующих между собой микроорганизмов, которые образуют многофункциональный симбиоз сложной архитектуры. По всем признакам такую колонию следует рассматривать как биологическую ткань, обладающую особыми свойствами. В их ряду способность к самоорганизации посредством формирования гликопротеинового матрикса, который за счет адгезии к подложке образует комфортную среду обитания. Отметим химическую агрессивность как способ закрепления на поверхности и источнике субстратов, но одновременно причину коррозии самых стойких материалов. Далее отметим биологическую активность, которая выражается в неконтролируемом воспроизводстве даже при гипоксии, ограниченном только доступностью ресурсов. Многослойная пространственная организация, наличие механизмов поддержания гомеостаза, делают биопленки устойчивыми к действию многих химических, физических или бактериологических факторов, включая дезинфекцию. Этим же объясняется феноменальная резистентность биопленки к антибиотикам широкого спектра действия. При универсальной способности к выживанию биопленка становится источником устойчивого бактериального и химического заражения сельскохозяйственной продукции, причиной сокращения сроков ее хранения, а также механического повреждения продукции и технологических элементов агропромышленной индустрии. Значительное увеличение доз препаратов и/или времени обработки не оправдывает себя не только из-за их относительной неэффективности, но и по причине вреда, наносимого окружающей среде. С учетом специфических особенностей, актуальной является разработка принципиально новых способов удаления биопленки, которые были бы эффективными, оставаясь одновременно экологически безопасными. Сформулированная проблема решается посредством применения электрохимически активированных водных растворов, которые в метастабильном состоянии обладают выраженными бактерицидными свойствами, но при переходе в стационарное состояние трансформируются в обыкновенную воду. Научное исследование ориентировано на получение новых знаний, изучение механизмов и формирование экологически чистой системы защиты сельскохозяйственных растений и других объектов агропромышленного комплекса посредством электрохимически активированных растворов нового поколения, направлено на разработку технологии природоподобных биоцидных растворов широкого спектра действия, в т.ч. полученных из пресной воды, для использования с целью обеспечения высокопродуктивного и экологически чистого сельского хозяйства. План научного исследования включает в себя выполнение следующих этапов: (1) формирование и дезинтеграция бактериальной биопленки на границе стенки и турбулентного потока жидкости в области застойной зоны как модель водопровода (или молокопровода) сложной конфигурации; (2) формирование и дезинтеграция бактериальной биопленки на внутренней стенке полости пористого материала как модель гидропонного покрытия в тепличном хозяйстве. В закрытых теплицах на корнях овощей, фруктов или других растений, растущих на гидропонном субстрате (например, на минеральной вате), развиваются микроорганизмы, вызывающие заболевания, нарушение роста и развития растений. Известно, что применение традиционных дезинфицирующих препаратов одновременно с эффективным обеззараживанием приводит к побочным эффектам, подавляет рост растения. Предположительно, электрохимически активированные растворы, проявляющие обеззараживающие свойства благодаря метастабильному составу и высокому значению положительного окислительно-восстановительного потенциала, будут безопасны для растений и эффективны в отношении подобных микроорганизмов при обработке питательного субстрата и/или самих растений, и/или воды для полива. (3) формирование на пористой поверхности в условиях влажной атмосферы (модель плодоовощной продукции) бактериальной биопленки и ее дезинтеграция в потоке нанодисперных частиц электрохимически активированного водного раствора. «Симбиоз» двух технологий - совместное воздействие на биопленки электростатического поля и аэрозоля электрохимически активированного мелкодисперсного дезинфицирующего водного раствора через отрицательно заряженный блок электродов на положительно заряженный продукт позволит достигнуть эффекта максимального проникновения частиц в поверхностный слой. Предполагаемые эффекты торможения развития характерной для плодоовощной продукции микрофлоры с использованием "сухого тумана" могут обеспечить щадящую обработку без использования ванн с дезинфицирующим средством для полного погружения продукта. Научные исследования, направленные на достижение синергического эффекта от электрохимического воздействия и обработки с использованием электростатического поля, позволят получить новые знания и раскрыть механизмы проникновения дезинфицирующего средства во все поры и трудно обрабатываемые участки сельскохозяйственных объектов – трубопроводов и оборудования, гидропонного грунта, продукции растениеводства. Образованный межведомственный междисциплинарный научный коллектив впоследствии может сформулировать основы отдельного научного направления теоретической и экспериментальной биофизики в части агробиотехнологий, для реализации которого будут организованы новые научные структурные подразделения, в том числе ориентированные на формирование кадрового резерва. Появится возможность рационального построения карьеры молодых ученых и специалистов.

Ожидаемые результаты
1. Будет создан испытательный стенд, моделирующий трубопровод сложной конфигурации (модель турбулентного потока жидкости с застойными зонами). 2. С целью изучения формирования микробной биопленки в гидропонном грунте и разработки способа ее дезинтеграции будет создан испытательный стенд, моделирующий внутреннюю полость пористого материала, применяемого в технологиях гидропонного выращивания растений. 3. Будет создан испытательный стенд, моделирующий взаимодействие нанодисперсного аэрозоля с шероховатой поверхностью плодоовощной продукции, а также комбинированную обработку указанных объектов в аэрозольной среде при одновременном воздействии электростатического поля, генерируемого специально сконструированным устройством. 4. С целью наблюдения в интерактивном режиме процессов формирования и дезинтеграции биопленок, сформированных на лабораторных стендах 1-3, будет сконструирована камера с использованием световой микроскопии. 5. Методом визуализации в сканирующем электронном микроскопе будут получены данные о разнообразии клеточной популяции и пространственного взаимодействия клетки и матрикса в процессе дезинтеграции биопленок, сформированных на лабораторных стендах 1-3. 6. Будет проведена оценка микробиологической чистоты обработанных поверхностей с использованием методов генетического анализа (ПЦР) и масс-спектроскопии (ToF-SIMS) поверхностного слоя подложки толщиной в несколько десятков нанометров для контроля наличия одиночных клеток, клеточных фрагментов и подтверждения отсутствия биопленочного матрикса после глубокой элиминации биопленки. 7. Будет разработана экологически чистая система обеззараживания сельскохозяйственных объектов посредством электрохимически активированных растворов с возможностью их комбинирования с электростатической обработкой. 8. Полученные новые научные знания и научно-технические результаты позволят создать эффективные и экологичные технологические решения на основе природоподобных систем обеззараживания объектов агропромышленного комплекса, направленные на инновационное и импортозамещающее развитие рынка качественной и безопасной продукции и услуг сельского хозяйства России. 9. На основе полученных результатов будут разработаны практические рекомендации по использованию новых экологически чистых способов обработки, направленные на разрушение биопленки или/и на предотвращение ее формирования, для применения на предприятиях с целью обеззараживания трубопроводов, в тепличных хозяйствах, на предприятиях по переработке плодоовощной продукции. 10. По итогам проведенной научно-исследовательской работы будут сформулированы рекомендации по формированию научного направления для создания межведомственных исследовательских команд молодых ученых и специалистов, которые впоследствии могут стать основой научных направлений и созданных для их реализации структурных подразделений. 11. По результатам аналитических и экспериментальных исследований будут сделаны доклады на научных конференциях, опубликовано не менее 19 публикаций, в том числе не менее 9 публикаций в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus), 9 публикаций в журналах, учитываемых РИНЦ, 1 монографию, а также подготовлены материалы для защиты результатов интеллектуальной деятельности - 3 секрета производства (ноу-хау).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Работы, выполненные в отчетный период, и научные результаты, полученные в 2017-2018 годах, связаны с изучением действия электрохимически активированного (ЭХА) водного раствора на дезинтеграцию бактериальной пленки, сформированной на внутренней поверхности циркуляционного реактора, моделирующего условия трубопровода (молокопровода). Биопленка формировалась из планктонной формы кишечной палочки и/или композиции молочнокислых бактерий. Отметим сложную архитектуру биопленки, которая состоит, по крайней мере, из трех уровней. Трудно оценить количество микроорганизмов в образце, но визуально клетки в основном потоке крупнее, чем в застойной зоне. Различие в размере, возможно, отражает более эффективную доставку субстрата и кислорода основным потоком. Анализ препаратов внутренней поверхности трубки реактора показывает, что молочнокислые бактерии образуют верхний слой биопленки, который полностью удаляется католитом. Нижний слой биопленки насыщен кишечной палочкой. Концентрация клеток E.coli в области основного потока гораздо меньше, чем в застойной зоне. По-видимому, ограниченность доступа потока в застойную область обусловило снижение качества дезинтеграции биопленки. Важным критерием качества очистки является наличие остаточных следов дезинфицирующего агента, что особенно актуально для застойных зон. Наши исследования показывают, что в зависимости от промывающего раствора на внутренней стенке трубки реактора остаются микровключения разной морфологии. Структуры таких размеров не визуализируются обычными методами наблюдения особенно внутри закрытого объема. Эффективность удаления биопленки оценивают двумя основными критериями: кинетическими характеристиками процесса, а также качеством разрушения клеточной компоненты и матрикса. Для наблюдения в интерактивном режиме роста и дезинтеграции бактериальной пленки разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию оптическая ячейка. Изделие реализовано в виде разборного устройства многоразового использования или одноразовой ячейки-чипа. Применение данного устройства позволило в любом интервале времени наблюдать весь процесс под световым микроскопом. Контроль эффективности разрушения биопленки проводили несколькими взаимодополняющими методами. Изменение тонкой структуры образца изучали посредством сканирующей электронной микроскопии. Сравнение архитектуры препарата показывает, что качество отмывки поверхности зависит от способа обработки. На микрофотографии контрольного препарата нельзя различить виды молочнокислых бактерий, но плотная многослойная упаковка свидетельствует о наличии зрелого матрикса. Полное удаление клеточной компоненты под действием католита свидетельствует о его значительном дезинфицирующем эффекте, но на поверхности остаются микронные частицы матрикса. Наличие остаточной органической массы служит причиной заселения объекта de novo микроорганизмами. Представляет интерес формирование и дезинтеграция пленки, образованной композицией молочнокислых бактерий и кишечной палочки. Человек и E.coli сосуществуют в симбиозе, присутствие микроорганизма служит показателем санитарного неблагополучия производства. При обработке католитом основная масса бактериальной пленки удаляется, но на ее дне возле поверхности трубки остаются фрагменты клеток, напоминающие кишечную палочку. Этот факт объясняется тем, что сцепление E.coli с относительно мягкой поверхностью трубки из ПВХ обусловлено не только адгезией, но и механическим закреплением посредством нитевидного придатка. Принадлежность оставшихся клеток и клеточных остатков проверяли методом PCR-RT анализа, что служит критерием эффективности удаления биопленки, в состав которой входит кишечная палочка. Другими словами, оценивали наличие на стенке ПВХ трубки гена uidA, уникального для E.coli, который не встречается у эволюционно родственных видов или родов бактерий и не имеет близких гомологов в геномах бактерий других родов. В результате показано наличие на внутренней поверхности трубки циркуляционного реактора кишечной палочки, остаточный уровень загрязнения которой обусловлен способом отмывки бактериальной пленки. С позиции изучения дезинфицирующих свойств раствора, было оправдано использовать кишечную палочку в качестве тест-объекта. В отличие от молочнокислых бактерий, у клетки E.coli присутствует полезное качество - дополнительный механизм крепления к поверхности из пористого материала. Поэтому для дезинтеграции биопленки, содержащей эту бактерию, дезинфицирующий раствор должен обладать более универсальными свойствами, чем при удалении пленки из молочнокислых бактерий. Удаление клеточной компоненты необходимое, но не достаточное условие для полного разрушения бактериальной пленки. Важной структурной компонентой микробиологической колонии является внеклеточный матрикс, в состав которого входят, в основном, полисахариды, а также белки, протеогликаны, гликолипиды, внеклеточные нуклеиновые кислоты. Остаточный слой матрикса, толщиной несколько десятков нанометров, модифицирует свойства поверхности подложки, что способствует быстрой регенерации биопленки. К сожалению, метод сканирующей электронной микроскопии не позволяет визуализировать такие однородные биоорганические слои. Данная задача может быть решена посредством молекулярного анализа чистоты поверхности на основе масс-спектрометрии вторичных ионов биомолекул. С этой целью использовали метод ToF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectroscopy), который позволяет анализировать тончайший слой биоорганического материала толщиной несколько десятков нанометров. Полная дезинтеграция матрикса приведет к появлению молекулярного спектра ПВХ трубки, на которой формируется биопленки. Возможно, ЭХА раствор вызывает химическую модификацию материала поверхностного слоя отмытой трубки поэтому, сравнили молекулярные спектры чистой трубки, трубки после обработки католитом и трубки, у которой пленку, сформированную молочнокислыми бактериями, дезинтегрировали католитом. Сравнительный анализ показывает практически полное совпадение спектров трубки перечисленных образцов. Данный факт свидетельствует о полной дезинтеграции под действием католита биопленки, сформированной молочнокислыми бактериями. Конечно, методы SEM, PCR-RT или ToF-SIMS нельзя рассматривать в качестве повседневной практики лабораторного анализа на производстве. Однако перечисленные подходы молекулярно-генетического анализа, наряду с ультраструктурным контролем, необходимы для оценки эффективности новых методов дезинфекции. Цель отчетного этапа заключалась в том, чтобы в контролируемых условиях лабораторного эксперимента получить воспроизводимые результаты дезинтеграции биопленки. Затем, используя накопленные данные постараться подобрать режим обеззараживания ЭХА раствором модельного трубопровода сложной конфигурации с застойными зонами. Полученные данные наглядно демонстрируют изменения в структуре биопленки в зависимости от способа обработки. Выраженную дезинтеграцию бактериальной пленки показывает католит, фракция ЭХА водного раствора. Эффект носит специфический характер, когда удаляется только фракция молочнокислых бактерий. Удаление бактериальной пленки, сформированной в присутствии кишечной палочки, наблюдается при последовательном воздействии обеих фракций ЭХА раствора, католита и анолита. Суммируя, перечислим основные полученные научные результаты: (1) создана модификация лабораторного стенда с целью моделирования формирования и дезинтеграции биопленки в турбулентном потоке с застойными зонами; (2) созданы две версии оптической ячейки для интерактивного наблюдения роста и разрушения биопленки в световом микроскопе; (3) показано на ультраструктурном уровне, что католит оказывает дезинфицирующий эффект на пленку, сформированную молочнокислыми бактериями; (4) разработана методика PCR-RT контроля эффективности дезинтеграции бактериальной пленки по критерию наличия остаточного генетического материала в виде одиночных клеток и клеточных фрагментов E.coli; (5) предложен подход (ToF-SIMS) для молекулярного анализа следов матрикса бактериальной пленки на внутренней поверхности трубки; (6) показан выраженный эффект последовательного действия анолита и католита на биопленку, сформированную молочнокислыми бактериями и E.coli; (7) в научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (SCOPUS) опубликовано две статьи, еще две рукописи проходят этапы рецензирования; в научных изданиях, учитываемых в базе данных «РИНЦ», вышло 5 публикаций; на международных конференциях представлено 3 доклада; результаты интеллектуальной деятельности оформлены в виде заявки ноу-хау (ИТЭБ РАН) и заявления о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель (ФИПС).

 

Публикации

1. Погорелов А.Г., Гулин А.А, Погорелова В.Н., Панаит А.И., Погорелова М.А., Надточенко В.А. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ToF-SIMS ДЛЯ АНАЛИЗА БИООРГАНИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ БИОФИЗИКА (Biofizika, Biophysics (Russian Federation)): ISSN русской версии: 0006-3029. ISSN английской версии: 0006-3509, 2018, том 63, вып. 2, c. 303-310 (год публикации - 2018)

2. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Суворов О.А. Does Electrochemically Reduced Water Remove Bacterial Film? INTERNATIONAL JOURNAL OF PHARMACEUTICAL RESEARCH AND ALLIED SCIENCES, 2018, 7(2):139-142 (год публикации - 2018)

3. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Суворов О.А., Воложанинова С.Ю., Панаит А.И. Исследование и анализ методов культивирования биопленок: реакторные системы Научное электронное издание. Материалы Международной научно-практической конференции "Инновационное развитие современной науки: проблемы и перспективы" [Электронный ресурс]. - Научно-издательский центр «Мир науки». - ноябрь 2017 г., Научное электронное издание "Инновационное развитие современной науки: проблемы и перспективы" [Электронный ресурс]. - Научно-издательский центр «Мир науки». 25 ноября 2017 года. - С. 56-63 (год публикации - 2017)

4. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Суворов О.А., Воложанинова С.Ю., Панаит А.И. Исследование и анализ методов культивирования биопленок: планшеты и устройства формирования биопленки Научное электронное издание "Современные исследования – 2017". Сборник статей [Электронный ресурс]. - Научно-издательский центр «Мир науки». Текстовое электронное издание. - октябрь 2017 г., Научное электронное издание "Современные исследования – 2017". Сборник статей [Электронный ресурс]. - Научно-издательский центр «Мир науки». 31 октября 2017 года. - С. 226-236 (год публикации - 2017)

5. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Суворов О.А., Ипатова Л.Г., Погорелов А.Г. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОПЛЕНКИ: СТРУКТУРА, ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ ГОСУДАРСТВЕННОГО НИКИТСКОГО БОТАНИЧЕСКОГО САДА. Издательство: ГБУ Республики Крым «Ордена Трудового Красного Знамени Никитский ботанический сад - Национальный научный центр». - сентябрь 2017 г., Сборник научных трудов Государственного Никитского ботанического сада. 2017. № 144-2. С. 152-155 (год публикации - 2017)

6. Погорелова М.А., Панаит А.И., Суворов О.А., Кузнецов А.Л. РАЗРУШЕНИЕ БИОПЛЕНКИ ПОСРЕДСТВОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА. Сборник тезисов 22-ой Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых. Пущинский научный центр РАН, ИТЭБ РАН, СБОРНИК ТЕЗИСОВ 22-ой Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА», 23-27 апреля 2018, г. Пущино. - С. 398-399 (год публикации - 2018)

7. Кузнецов А.Л., Погорелова М.А., Суворов О.А., Погорелов А.Г. Устройство для роста биопленки на внутренней поверхности трубопроводов и воздействия дезинфицирующих средств на биопленки в проточных циркуляционных системах -, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Работы, выполненные в отчетный период, и научные результаты, полученные в 2018-2019 годах, связаны со сравнительным изучением действия ЭХАР на бактериальную пленку, сформированную на поверхности керамзитовой гранулы, моделирующей условия парникового производства. Низкая чувствительность биопленки к известным антимикробным средствам и способам дезинфекции приводит к заражению технологических линий, заболеваниям растений, порче сельскохозяйственной продукции в процессе хранения и переработки. Значительное увеличение доз препаратов и/или времени обработки не оправдывает себя не только из-за их относительной неэффективности, но и по причине вреда, наносимого окружающей среде. В связи с этим актуальным представляется создание средств обеззараживания широкого спектра действия, не наносящих вреда окружающей среде. Заманчиво использовать электрохимически активированные водные растворы, которые относят к категории «зеленых» технологий, не наносящие урон экологии. Однако введение в практику качественно новых подходов заставляет изучать их реальную эффективность. В случае дезинтеграции биопленки критическим параметром является разрушение клеточной компоненты и матрикса. Отметим сложное пространственное строение пористого материала, что упрощает формирование биопленки, но значительно усложняет ее дезинтеграцию. Бактериальную пленку формировали на поверхности пористой гранулы гидропонного покрытия (элемент тепличного производства) в контролируемых условиях лабораторного эксперимента, для чего разработали специальный реактор. Источником биопленки служила водная суспензия, содержащая планктонную форму бактерий (бифидобактерии и/или кишечная палочка). Выбор микроорганизмов обусловлен следующими обстоятельствами. Для формирования пленки бактерии используют два основных механизма: адгезию и механическое закрепление посредством специальных клеточных устройств (жгутик, псевдоподия, вырост цитоплазматической мембраны, ворсинка). Используемая нами композиция микроорганизмов моделирует указанные механизмы. Молочнокислые бактерии относят к группе представителей микрофлоры, формирующих биопленку посредством адгезии. Соответственно, кишечная палочка закрепляется на поверхности за счет дополнительного механического сцепления с микрорельефом с помощью жгутика. Помимо моделирования различных способов формирования биопленки, выбор видов микроорганизмов для эксперимента обусловлен технологическими причинами. В их ряду необходимость удаления кишечной палочки (патогенные штаммы), которая может быть внесена в тепличное хозяйство водой из системы полива. В этом случае эффективность разрушения Е. coli в составе пленки определит безопасность выращиваемой растениеводческой продукции. Молочнокислые бактерии попадают в тепличное хозяйство в виде биоудобрений, которые используют в растениеводстве, например в составе консорциума «эффективных микроорганизмов». Сканирующая электронная микроскопия в сочетании с разработанной технологией формирования бактериальной пленки показала себя в качестве эффективного инструмента для визуализации тонкого строения биопленки, выращенной на поверхности пористого материал. Исследование тонкого строение рельефа поверхности биопленки, выращенной на гидропонной грануле, выполнены на базе ЦКП «Структурно-функциональные исследования биосистем» (ИТЭБ РАН, г. Пущино). С тем, чтобы унифицировать процедуру получения пленки, использовали доступные препараты (Колибактерин, Бификол), рекомендованные Минздравом РФ в качестве источников пробиотических микроорганизмов. Оба препарата содержат лиофильно высушенные живые бактерии кишечной палочки М-17 (ГКПМ № 240418), ДНК которых использовали как генетический маркер (ген uidA E.coli) на наличие в образце клеток или их фрагментов (PCR-RT анализ). Указанный ген уникален для данного микроорганизма, т.к. не встречается у эволюционно родственных видов или родов бактерий и не имеет близких гомологов в геномах бактерий других родов. Полученные данные показывают, что генетический материал E.Coli обнаружен в исходной бактериальной пленке (контроль). В образцах, обработанных потоком ЭХАР, количество ДНК было на пределе чувствительности метода, что указывает на эффективность разрушения клеточной компоненты бактериальной пленки. Удаление клеточной компоненты необходимое, но не достаточное условие для полного разрушения бактериальной пленки. Важной структурной компонентой микробной колонии является внеклеточный матрикс, который выполняет трофическую и информационную функцию. Остаточный слой матрикса толщиной несколько десятков нанометров, модифицирует поверхность подложки, что служит аттрактором для быстрой регенерации биопленки. Задача молекулярного анализа наличия следов матрикса решена посредством масс-спектрометрии вторичных ионов биомолекул методом ToF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectroscopy). Появление молекулярного спектра подложки после удаления с ее поверхности биопленки свидетельствует о полном удалении следов матрикса. В этой части исследования проводили в ЦКП «Анализ химических, биологических систем и природных материалов: масс-спектральная микроскопия и фемтосекундная лазерная микроскопия-спектроскопия» (ИХФ РАН, г. Москва). Анализ данных показывает, что на поверхности гранулы всех образцов остался биоорганический слой. Таким образом, обработка пористого образца потоком ЭХАР не дала полного удаления бактериальной пленки. Метод ToF-SIMS анализа поверхности не может быть применен в качестве повседневного метода производственной лаборатории. Однако молекулярный анализ, наряду с морфологическим контролем, может быть рекомендован при тестировании эффективности новых подходов, разработанных для разрушения биопленки на поверхности. Данные ToF-SIMS согласуются с результатами визуального наблюдения ультраструктуры поверхности гранулы и генетического анализа. Отметим то, что в проекте не была поставлена задача достижения абсолютной дезинфекции пористой поверхности. Такое требование не соответствует условиям и технологиям тепличного производства. Однако факт разрушения клеточной компоненты бактериальной пленки потоком ЭХАР говорит о профилактической возможности удаления патогенной флоры, в случае заражения гидропонных покрытий, например при поливе. В результате ультраструктурного анализа показана сложная многослойная архитектура бактериальной пленки, сформированной на поверхности керамзитовой гранулы. Объемная структура гранулы качественно отличается от плоской поверхности труб из ПВХ, что обусловило разную эффективность действия ЭХАР. В случае бактериальной пленки, образованной микроорганизмами с разными механизмами прикрепления к поверхности, еще раз подтвердилось преимущественное аккумулирование на нижнем уровне клеток E.coli, обладающих жгутиками (пилями). На верхнем уровне закрепляются клетки молочнокислых бактерий, которые при обработке ЭХАР удаляются в первую очередь. Полезным устройством для наблюдения роста и дезинтеграции бактериальной пленки является оптическая проточная ячейка, которая позволяет изучать процессы в интерактивном режиме. В данной работе ячейка, разработанная ранее, была модифицирована, в результате чего появились новые полезные свойства. Помимо дополнительного удобства при работе на световом микроскопе, ячейка стала многоразовой и конструктивно реализована возможность извлекать подложку с биопленкой с целью визуализации ее ультраструктуры (сканирующая электронная микроскопия) и проведения аналитических исследований. В течение отчетного периода на международных научных мероприятиях представлено 3 доклада: IV Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в области генетики, селекции, семеноводства и размножения растений», приглашенный устный доклад "ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД УДАЛЕНИЯ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ПЛЕНКИ С ПОВЕРХНОСТИ", 06.09.2018 г., - Ялта, Никитский ботанический сад – Национальный научный центр РАН. ХIII Международная научная конференция "АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ БФФХ - 2018", СЕКЦИЯ 4. БИОФИЗИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ, приглашенный устный доклад "Electrochemically reduced water removes biofilm formed with lactic bacteria", 19.09.2018 г., - Севастополь, Севастопольский государственный университет. XVII Всероссийский конгресс диетологов и нутрициологов, секция 9. Совместный симпозиум Российского научного фонда и Российской академии наук "Фундаментальные исследования в стратегии управления качеством и безопасностью пищевой продукции", приглашенный устный доклад "Формирование бактериальной пленки в системе транспорта жидкости, моделирующей трубопровод", 29.10.2018 г., - Москва, Рэдиссон САС Славянская. По итогам представления полученных результатов на секции 9 совместного симпозиума РНФ и РАН в рамках XVII Всероссийского конгресса диетологов и нутрициологов материалы для обсуждения их научной общественностью размещены на информационных ресурсах Еженедельной газеты научного сообщества ПОИСК (https://www.poisknews.ru/magazine/40122/) и Официальном сайте Российского научного фонда (http://rscf.ru/ru/node/est-nevredno-uchenye-sosredotochilis-na-kachestve-produktov).

 

Публикации

1. Буданцев А.Ю., Демьянов А.Ю., Погорелова М.А. МИКРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КЛЕТОК ВОЛОСКОВ ТЫЧИНОЧНЫХ НИТЕЙ ТРАДЕСКАНЦИИ ЦИТОЛОГИЯ, ISSN 0041-3771 (Cell and Tissue Biology, ISSN 1990-519X, Pleiades Publishing, Ltd.; Springer Science), Том 60, № 8, С. 653-658 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.31116/tsitol.2018.08.10

2. Погорелов А.Г., Кузнецов А.Л., Панаит А.И., Погорелова М А., Суворов О.А., Иваницкий Г.Р. BACTERIAL FILM DISINTEGRATION WITH ELECTROCHEMICALLY REDUCED WATER ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК (Doklady Biochemistry and Biophysics, Pleiades Publishing, Ltd.), Doklady Biochemistry and Biophysics, 2019, Vol. 486, pp. 1–3, ISSN 1607-6729 (Russian Text, published in Doklady Akademii Nauk, 2019, Vol. 486, No. 3., ISSN 0869-5652) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S1607672919030098

3. Погорелов А.Г., Кузнецов А.Л., Погорелова В.Н., Суворов О.А., Панаит А.И., Погорелова М.А. РАЗРУШЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ПЛЕНКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННЫМ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ БИОФИЗИКА (Biofizika, Biophysics (Russian Federation); Maik Nauka/Interperiodica Publishing): ISSN русской версии: 0006-3029. ISSN английской версии: 0006-3509, - (год публикации - 2019)

4. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Суворов О.А., Козлов И.В. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ЗАРАЖЕНИЯ И ДЕЗИНФЕКЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКА МОЛОКА (Издательский дом "Отраслевые ведомости"), ПЕРЕРАБОТКА МОЛОКА, 2019. - № 5. - С.62-65 (год публикации - 2019) https://doi.org/10/33465/2222-5455-2019-5-62-65

5. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Суворов О.А., Погорелов А.Г. ELECTROCHEMICALLY REDUCED WATER REMOVES BIOFILM FORMED WITH LACTIC BACTERIA Russian Journal of Biological Physics and Chemistry (Актуальные вопросы биологической физики и химии), vol. 3, No. 2, pp. 447-450 (том 3, № 2, с. 447-450) (год публикации - 2018)

6. Панаит А.И., Погорелов А.Г. THE ROLE OF OSO4 FIXATION IN THE CONTRAST FORMATION OF CELLULAR MEMBRANE STRUCTURES JOURNAL OF BIOENERGETICS AND BIOMEMBRANES (BIOPHYSICS - Q2). BIOMEMBRANES 2018. SPRINGER/PLENUM PUBLISHERS, JOURNAL OF BIOENERGETICS AND BIOMEMBRANES, 2018. 50(6): 568-569 (Springer US). BIOMEMBRANES 2018. 291 (год публикации - 2018)

7. Погорелова Мария Александровна, Кузнецов Александр Львович, Суворов Олег Александрович, Козлов Игорь Владимирович, Погорелов Александр Григорьевич УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ГИДРОПОННОГО ПОКРЫТИЯ -, № 188140, дата государственной регистрации 01.04.2019 (год публикации - )

8. - ЕСТЬ НЕВРЕДНО. УЧЕНЫЕ СОСРЕДОТОЧИЛИСЬ НА КАЧЕСТВЕ ПРОДУКТОВ Еженедельная газета научного сообщества ПОИСК, 23 ноября 2018 г. НАУКА № 47 (2018) (год публикации - )

9. - Есть невредно. Ученые сосредоточились на качестве продуктов Официальный сайт Российского научного фонда, 30 ноября 2018 г. Метки: Сельское хозяйство, источник: Газета «Поиск» (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Выполненные работы и полученные научные результаты в отчетный период связаны с изучением действия метастабильных фракций электрохимически активированного водного раствора (ЭХАР) на бактериальную пленку, сформированную на поверхности тест-объекта, который моделирует плодоовощную продукцию. Проблема обусловлена тем, что формирование бактериальной пленки приводит к заражению и, в результате, к порче сельскохозяйственной продукции (плодов, овощей, фруктов, ягод, цветов и т.д.). С учетом резистентности биопленки к дезинфицирующим препаратам, использование их в высоких концентрациях и/или увеличение длительности обработки может привести к накоплению бактерицидов и их переносу по пищевой цепочке. Поэтому актуальным представляется использовать ЭХАР, который обладает широким бактерицидным спектром действия и экологически безопасен. При выполнении проекта на основе плотного геля разработан тест-объект, который воспроизводит основные физико-химические свойства поверхности плодоовощной продукции. В их ряду: наличие микрорельефа и микропор, плотность (~10% сухого остатка), влажность (~90% воды), состав основных электролитов (~100 мМ К+, ~5 мМ Na+), вязко-упругие свойства (гель), растительный полимер в качестве основной компоненты матрицы. Рост пленки инициировали нанесением на поверхность агарового геля планктонной формы микроорганизмов в виде капли водной суспензии доступного препарата, который рекомендован в качестве биологически активной добавки к пище — источника пробиотических микроорганизмов. С целью унификации условий формирования бактериальной пленки в процессе отработки методики подготовки проб провели генетический анализ нескольких коммерческих препаратов, содержащих штамм E.coli. В состав отобранного препарата входят также молочнокислые бактерии. Бинарная система указанных видов микроорганизмов обеспечивает оба механизма (адгезию, механическое сцепление), используемых бактериями для закрепления на поверхности. В результате получали биопленку в виде отдельных кластеров, каждый из которых включает в себя несколько бактериальных колоний. Подложка из плотного агарового геля с заданными параметрами и бинарная система клеток позволили создать условия, моделирующий рост бактериальной пленки на поверхности плодоовощной продукции. Для дезинтеграции бактериальной пленки, сформированной на поверхности тест объекта, разработан и введен в эксплуатацию действующий лабораторный стенд, который обеспечивает обработку поверхности субмикронными частицами аэрозоля в среде «сухой туман». С целью визуализации ультраструктуры бактериальной пленки, сформированной на поверхности тест объекта, разработана методика подготовки препарата для сканирующей электронной микроскопии. Данный подход может быть распространен на другие объекты, свойства которых соответствуют характерным признакам мягких биологических тканей растительного происхождения. Используя разработанную методику, проведено сравнительное изучение на ультраструктурном уровне клеточного состав и матрикса бактериальной пленки поверхности на тест объекта в процессе ее деградации в потоке жидкости и в среде субмикронных частиц «сухой туман». Ультраструктурный анализ показал сложную многослойную архитектуры колонии, сформированную двумя видами бактерий. На нижнем уровне находятся клетки E.coli, над ними накапливаются молочнокислые бактерии, от внешней среды колонию отделяет барьерная пленка. Электронная микроскопия относится к классу трудоемких методов, которые используют для визуализации уникальных образцов и ситуаций, но редко применяют для массовых лабораторных исследований. Поэтому эффективность удаления бактериальной пленки ЭХАР определяли также PCR-RT методом, который разработан для генетического экспресс теста. В нашем случае оценивали наличие гена кишечной палочки в образцах тест объекта, что служит критерием полноты дезинтеграции биопленки, в состав которой входит данная бактерия. Ген uidA является уникальным для E.coli, так как не встречается у эволюционно родственных видов или родов бактерий и не имеет близких гомологов в геномах бактерий других родов. Чтобы подготовить препарат, с поверхности тест объекта срезали колонии бактерий с тонким слоем подлежащего агарового геля, который растворяли в дистиллированной воде, а суспензию клеток и их фрагментов исследовали посредством PCR-RT анализ, используя праймеры, специфичные к ДНК кишечной палочки. Полученные данные показывают, что клетки кишечной палочки и/или ее фрагменты остаются во всех исследованных образцах, что подтверждает данные ультраструктурных наблюдений. Отметим, следы ДНК в пробе после действия ЭХАР не означает наличия живых бактерий, так как используемый вариант PCR-RT идентифицирует весь пул нуклеиновых кислот, включая клеточные фрагменты и инактивированные микроорганизмы. Обязательным структурным элементом микробиологической колонии является внеклеточный матрикс, основная функция состоит в том, чтобы формировать архитектуру биопленки, снабжать бактерии питательными веществами, регулировать внутренний гомеостаз, обеспечивать обмен генетической информацией. Отсутствие следов матрикса может служить признаком полного удаления бактериальной пленки, а не только ее клеточной составляющей. Поэтому был применен метод молекулярной спектрометрии (ToF-SIMS) тонких слоев биоорганического материала. Для данного метода разработана методика подготовки препарата тест объекта и затем получен масс-спектр, который содержит несколько десятков пиков, что свидетельствует о сложном молекулярном составе анализируемого препарата, т.е. о наличии остатков всех структурных элементов бактериальной пленки. Такой результат предсказуем и не противоречит данным ультраструктурного наблюдения и также генетического анализа. Конечно, молекулярная спектрометрия в версии ToF-SIMS, как и электронная микроскопия, не применима в качестве повседневного метода анализа в производственных условиях. Однако молекулярный анализ, наряду с ультраструктурным контролем, может быть востребован при тестировании новых методов дезинфекции. Удачным примером служит комплексное исследование дезинтеграции бактериальной пленки, сформированной на внутренней поверхности системы циркуляционного реактора (модель трубопровода). Возможно, отсутствие на поверхности ПВХ трубки крупного рельефа и пористости обусловило полное удаление бактериальной пленки. Наличие застойных зон, например пор на поверхности керамзитовых гранул (модель гидропонного покрытия в тепличном производстве), снижает качество любой дезинфицирующей обработки. В данном случае фрагменты микроорганизмов и матрикса, оставшиеся после обработки бактериальной пленки, делают молекулярный анализ не результативным. Основная цель этапа заключалась в том, чтобы в контролируемых условиях испытательного стенда исследовать режим дезинтеграции бактериальной пленки, сформированной на поверхности тест объекта, в среде частиц ЭХАР. К сожалению, в электростатическом поле высокой напряженности метастабильная фракция воды очень быстро теряет свои уникальные свойства. Поэтому, для производства аэрозоля воды применили метод «сухой туман», основанный на ультразвуковой генерации субмикронных частиц. Однако под действием ультразвука ЭХАР также стремится восстановить состояние исходной воды, например, для замкнутого объема у/з обработка в течение 15 минут меняет окислительно-восстановительный потенциал католита с -760 мВ до +2000 мВ, а анолита с +800 мВ до +700 мВ. Поэтому необходимо в конструкции испытательного стенда учесть условие непрерывного потока свежего ЭХАР. Обсуждая режим дезинтеграции бактериальной пленки в среде «сухого тумана», следует также учитывать фактор агрегации частиц аэрозоля, что вызывает конденсацию влаги. Опыт исследования дезинтеграции биопленки, сформированной на гидропонном покрытии, показал, что некорректно ставить задачу абсолютной дезинфекции поверхности пористого материала посредством ЭХАР. Данная проблема, возможно, решается отжигом материала при высоких температурах, что в цикле производства и хранения не приемлемо для плодоовощной продукции. Притом, что характеристики ее поверхности (рельеф, микропоры, вязкоупругие свойства) и наличие оводненной биологической матрицы, обогащенной субстратом, способствует автономному от внешней среды формированию бактериальной пленки. Полученные результаты показывают основные тенденции дезинтеграции бактериальной пленки, сформированной на поверхности тест объекта, в результате обработки аэрозолем ЭХАР в виде «сухой туман». Наиболее эффективный режим реализуется при действии аэрозоля католита с последующей обработкой аэрозолем анолита. При этом католит удаляет поверхностную пленку колонии, играющую роль барьера от внешней среды, и разрыхляет межклеточный матрикс, что облегчает диффузию анолита в тело биопленки с последующим разрушением микроорганизмов. Следует отметить, что не удается полностью удалить бактериальную пленку, причиной чего является прорастание колонии бактерий вглубь подложки (10% агаровый гель). Такой эффект обусловлен, возможно, наличием микропор на поверхности тест объекта и/или его вязко упругой консистенцией. Таким образом, факт разрушения бактериальной пленки аэрозолем ЭХАР говорит о профилактическом потенциале данного вида обработки. По-видимому, такой вид экологически безопасной дезинфекции поверхности будет особенно востребован применительно к такой нежной продукции, как ягоды, листья салата, плоды с тонкой кожурой, а также лепестки цветов. Во многом выраженность эффекта дезинтеграции зависит от зрелости бактериальной пленки и особенностей конкретного вида плодоовощной продукции и продуктов растениеводства. В течение отчетного периода на научных конференциях представлено три устных доклада, четвертый доклад перенесен в связи с объективными обстоятельствами; в научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection), «Скопус» (SCOPUS) и РИНЦ, опубликовано шесть работ, в т.ч. монография. Результаты интеллектуальной деятельности: 10.01.2020 опубликован патент № 194989 (заявл. № 2018116021 от 27.04.2018), 28.01.2020 подано заявление о выдаче патента на полезную модель № 2020103420

 

Публикации

1. Гулин А., Надточенко В., Солодина А., Погорелова М., Панаит А., Погорелов А. A novel approach for 3D reconstruction of mice full-grown oocytes by time-of-flight secondary ion mass spectrometry Analytical and Bioanalytical Chemistry. Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2019, Analytical and Bioanalytical Chemistry (2019). pp 1–9. https://doi.org/10.1007/s00216-019-02237-8 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1007/s00216-019-02237-8

2. Гулин А.А., Надточенко В.А., Погорелова В.Н., Мельников М.Я., Погорелов А.Г. Пробоподготовка биологических тканей и клеток для их анализа методом времяпролетной вторично-ионной масс-спектрометрии ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ (переводная версия: Journal of Analytical Chemistry, ISSN 1061-9348, Springer, Pleiades Publishing, Q3, SJR 2018 0.31), ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2020, том 75, № 6, с. 483–495 (переводная версия: Journal of Analytical Chemistry, ISSN 1061-9348, Springer, Pleiades Publishing, Q3, SJR 2018 0.31) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.31857/S0044450220060092

3. Погорелов А.Г., Кузнецов А.Л., Суворов О.А., Ипатова Л.Г., Погорелова М.А., Панаит А.И. Разрушение бактериальной пленки посредством католита Сборник статей международной научно-практической конференции «ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ, ПРОМЫШЛЕННАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ – 2019», Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность – 2019: сборник статей. Севастополь, 23-26 сентября 2019г., сс. 1289-1292. (год публикации - 2019)

4. Погорелова М.А., Суворов О А., Кузнецов А.Л., Панаит А.И., Погорелов А.Г. Актуальные проблемы безопасного обеззараживания гидропонных субстратов агропромышленных комплексов Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Пищевые и биотехнологии". – 2020. – Т. 8, № 1. – С. 12-21., Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Пищевые и биотехнологии". – 2020. – Т. 8, № 1. – С. 12-21. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.14529/food200102

5. Погорелова М.А., Суворов О.А., Воложанинова С.Ю., Козлов И.В., Панаит А.И., Погорелов А.Г. Inhibiting Effect of Electrochemically Activated Aqueous Solutions on Growth Biofilms International Journal of Pharmaceutical Research and Allied Sciences, International Journal of Pharmaceutical Research and Allied Sciences. – 2019. – Vol. 8(2). – P. 150–156 (год публикации - 2019)

6. Погорелова М.А., Бахир В.М., Козлов И.В., Кузнецов А.Л., Погорелов А.Г., Суворов О.А. Биоплёнки в АПК: архитектура, функция и дезинтеграция Москва: Издательство ООО «Франтера», 2020. – 156 с. Рукопись монографии прошла этап предпечатной подготовки и будет опубликована по завершению Режима самоизоляции из-за ситуации с распространением коронавирусной инфекции (COVID-19), - (год публикации - 2020)

7. Погорелова М.А., Кузнецов А.Л., Панаит А.И., Суворов О.А., Козлов И.В., Погорелов А.Г. Устройство для обработки плодоовощной продукции жидкостным капельным туманом, произведенным из дезинфицирующих средств -, - (год публикации - )

8. - Грантополучатели РНФ приняли участие в международной конференции по генетике и биотехнологии в животноводстве Пресс-служба РНФ, 30 сентября 2019 г., метки: Лента новостей, источник: Пресс-служба РНФ (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Идея проекта заключалась в фундаментальном исследовании антимикробных эффектов электрохимически активированных растворов (ЭХАР) применительно к микробным биопленкам, формирующимся на различных объектах агропищевых предприятий. Актуальность выбранного направления исследований обусловлена тем, что биопленка является источником устойчивого бактериального заражения и порчи сельскохозяйственной продукции, причиной сокращения сроков ее хранения, а также повреждения технологических элементов агропромышленной индустрии. Значительное увеличение доз дезинфицирующих препаратов и/или времени обработки не оправдывает себя не только из-за их относительной неэффективности, но и по причине вреда, наносимого окружающей среде. При выполнении экспериментальных исследований были получены новые знания о формировании бактериальных биопленок на различных объектах, моделирующих реальные объекты агропредприятий. Накопленная в ходе выполнения проекта база экспериментальных данных и приобретенный методологический опыт позволяют рекомендовать для решения сформулированной проблемы технологию получения и применения ЭХАР нового поколения, которые в метастабильном состоянии обладают выраженными бактерицидными свойствами. ЭХА растворы получают в процессе электрохимического синтеза из пресной воды или водных растворов хлорида натрия. В силу физико-химической метастабильности среды, содержащей множество активных форм хлора и кислорода (хлорноватистую кислоту, гипохлорит-ион, перекись водорода, озон, синглетный кислород и другие ионизированные и свободнорадикальные формы кислорода), микроорганизмы не могут выработать резистентность к воздействию биоцидного ЭХА раствора. В то же время для человека и животных растворы безопасны, так как подобные соединения образуются в живой клетке человека и животных в процессе фагоцитоза, в ответ на неблагоприятное воздействие внешней среды («природоподобное» биоцидное средство). Практическая и социальная значимость проекта заключаются в минимизации любой опасности, представляемой биоадгезией и/или образованием микробных биопленок в сельскохозяйственном производстве, поскольку после формирования биопленки ее полное удаление становится почти невозможным. Фрагменты биопленки, остающиеся на поверхности даже после санитарной обработки, могут в дальнейшем служить субстратом и питательной средой для любых живых бактерий, сохранившихся или новоприбывших для повторной колонизации рассматриваемых поверхностей. Научно обоснованное применение технологии электрохимической активации водных растворов рекомендуется как эффективный способ решения практических задач, связанных с уменьшением микробиологических рисков заражения оборудования и продукции, а также с поддержанием благоприятного санитарно-эпидемиологического уровня на агропредприятиях. В частности, по итогам проведенной научно-исследовательской работы можно выделить три направления, где посредством передовых аналитических методов была показана эффективность и перспективность ЭХА растворов: - обеззараживания трубопроводов (водопроводов, продуктопроводов) на предприятиях; - обеззараживания гидропонного покрытия в теплицах; - обеззараживания свежей плодоовощной продукции на этапах ее хранения и реализации. Практическое использования результатов проекта в аграрном секторе экономики, ориентированное на повышение уровня микробиологической безопасности при переработке сельскохозяйственной продукции, будет способствовать переходу к высокопродуктивному и экологически чистому агрохозяйству, рациональному применению высокоэффективных антимикробных средств для защиты сельскохозяйственной продукции. Формирование научных и технологических заделов При выполнении проекта применялись современные методы исследований микробных биопленок, сформированных на модельных поверхностях из различных материалов (ПВХ, стекло, нержавеющая сталь, керамзит, плотный агаровый гель). Модельные поверхности различались особенностями структуры, рельефа, наличием пор и трещин, адгезионными свойствами. Изучение на микроуровне архитектуры, функции и дезинтеграции биопленок потребовало и адаптации методов к определенному объекту в зависимости от его формы и строения, материала, особенностей поверхности. На каждом годовом этапе исследования был унифицирован процесс культивирования биопленок и созданы лабораторные стенды, на которых воспроизводятся условия роста биопленки и контролируются параметры протокола ее удаления. При выборе микроорганизмов учитывали особенности формирования ими пленки. Известно, что бактерии используют два основных механизма: адгезию и механическое закрепление посредством специальных клеточных устройств (жгутик, псевдоподия, вырост цитоплазматической мембраны, ворсинка). Использованные композиции микроорганизмов моделировали указанные механизмы. Молочнокислые бактерии относят к группе представителей микрофлоры, формирующих биопленку посредством адгезии, кишечная палочка закрепляется на поверхности за счет дополнительного механического сцепления с микрорельефом с помощью жгутика. Соответственно были подобраны ЭХА растворы и режимы обработки модельного трубопровода, пористых керамзитовых гранул или 10 %-ного агарового геля. Качество удаления биопленки определяется разрушением ее клеточной компоненты и матрикса. Обработка бактериальной пленки ЭХА водным раствором, разрушая основные компоненты биопленки, производит значительный очищающий и дезинфицирующий эффект. Наблюдение изменений архитектуры биопленки в процессе ее дезинтеграции вели посредством сканирующей электронной микроскопии SEM. Сканирующая электронная микроскопия в сочетании с разработанной технологией формирования бактериальной пленки показала себя в качестве эффективного инструмента для визуализации тонкого строения биопленки, выращенной на поверхности каждого из использованных материалов. Эффективность обработки биопленки ЭХА водным раствором проверяли методом ПЦР в реальном времени PCR-RT генетического анализа по одиночным клеткам и клеточным фрагментам. На молекулярном уровне оценивали наличие на стенке трубки ПВХ гена кишечной палочки, что служит критерием полноты удаления биопленки, в составе которой находится данная бактерия. Результаты подтвердили, что в комплексе ультраструктурный и генетический подходы могут быть использованы для изучения эффективности процедуры удаления бактериальной пленки с поверхности. В этом случае критерием служит визуализация клеточной фракции или наличие ДНК характерной бактерии. Наличие на поверхности подложки остаточной органической массы является фактором, который служит аттрактором для новых микроорганизмов, способных заселить de novo поверхности микроорганизмами. Одним из критериев эффективности очистки от биопленки является морфологический анализ наличия на поверхности фрагментов матрикса или клеточной компоненты. ToF-SIMS позволяет пpоводить молекуляpное каpтиpование, котоpое дополняет данные тpадиционныx методов иccледования cтpоения клетки, напpимеp cветовой или электpонной микpоcкопии, а также электpонно-зондового микpоанализа. В исследованиях задача молекулярного анализа наличия следов матрикса была решена посредством масс-спектрометрии вторичных ионов биомолекул методом ToF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectroscopy). Таким образом, был разработан унифицированный протокол культивирования бактериальных биопленок, их морфологического анализа, дезинтеграции и оценки этого процесса взаимодополняющими методами электронной микроскопии, генетического и молекулярного анализа. В комплексе ультраструктурные наблюдения, генетический анализ и молекулярный контроль обеспечивают необходимый уровень верификации чистоты поверхности. Совокупность методических подходов и установленных закономерностей образования и дезинтеграции биопленок под действием электрохимически активированных растворов является научным и технологическим заделом для дальнейшего развития данного научного направления применительно к различным объектам и расширения сфер исследований, представляющих интерес для современного высокопродуктивного и экологически чистого агропромышленного комплекса. Создание новых или усовершенствование применяемых технологий Полученные результаты исследований послужили основой для создания новых научно обоснованных технологий обеззараживания с применением электрохимически активированных биоцидных растворов широкого спектра действия. В частности, разработаны технологические решения ряда прикладных задач в сельскохозяйственном производстве: (1) Разработаны технологические приемы эффективного обеззараживания внутренних поверхностей транспортной системе жидкости с застойными зонами как модели трубопровода сложной конфигурации посредством использования универсальных дезинфектантов (ЭХА растворов), что в случае внедрения на агропромышленных предприятиях будут способствовать решению проблемы микробиологической безопасности на производстве, и в конечном итоге обеспечивать защиту сельскохозяйственной продукции. (2) Разработаны режимы обеззараживания ЭХА растворами модельного гидропонного покрытия, позволяющие отмыть и дезинфицировать поверхности в модели полости, расположенной в пористом материале, что может снизить риски заражения растений и существенно повысить урожайность тепличных хозяйств; (3) Показаны перспективность профилактической обработки плодоовощной продукции аэрозолем электрохимически активированного водного раствора. Экологическая чистота предлагаемой системы дезинфекции обусловлена совокупностью технических решений, предусматривающих антимикробное воздействие на различные объекты (вертикальные и горизонтальные поверхности, воздушная среда) без применения традиционных химических препаратов стабильного состава, но с использованием химических соединений в метастабильном состоянии, синтезированных электрохимическим способом. Распыление раствора можно применять как основную, так и дополнительную меру, для усиления эффекта обеззараживания, комбинируя средства между собой.