Antimicrobial properties of oxygen-active disinfectants

Abstract

Oxygen-active disinfectants are widely used for the nonspecific prevention of infectious diseases: hydrogen peroxide, chlorine dioxide, potassium fluoride peroxyhydrate, perborates, persulfates, perphosphates, and percarbonates. These compounds have a broad spectrum of antimicrobial activity against bacteria (including Mycobacterium tuberculosis), viruses, fungi, and spores of bacilli.

The primary exposure “targets” exposure for oxygen-containing disinfectants are proteins and lipids in the cytoplasmic membranes of bacterial cells and the spore membranes of bacterial spores. When a bacterial cell is exposed to hydrogen peroxide at the stage of contact with the cytoplasmic membrane, hydrogen peroxide decomposes into highly reactive hydroxyl radicals, which have a destructive effect on the membranes. Hydroxyl radicals are powerful oxidizing agents, have a short existence and interact with lipids, proteins, and nucleic acids. Lipid oxidation, mainly unsaturated fatty acids, leads to increased membrane permeability. During the membrane protein oxidation consisting of amino acids with disulfide bonds, the latter are converted into –SH-radicals, forming cross-links at amino groups and resulting in protein-lipid complexes. The proteins are oxidized and denatured, leading to cell death. Hydroxyl radicals and other intermediate decomposition products of hydrogen peroxide, such as hydronium cation (Н₃О⁺) and perhydroxylanion (НО^2-), have damaging effects.

This article analyzes scientific papers on the mechanism of action of oxygen-active disinfectants on vegetative cells and bacterial spores.

Keywords

oxygen-active disinfectants / hydrogen peroxide / hydroxyl radicals / cytoplasmic membrane / bacteria / bacterial spores / spore membranes / inactivation of bacteria and spores / bactericidal and sporicidal action

References

[1] Shandala MG. Actual tasks of scientific support of disinfection practice. Disinfection affairs. 2008;(2):23–26. (In Russ).

[2] Шандала М.Г. Актуальные задачи научного обеспечения дезинфекционной практики // Дезинфекционное дело. 2008. № 2. С. 23–26.

[3] Ivanova EB. The relevance of disinfection measures in ensuring biological safety. Dezinfektsiya. Antiseptika. 2010;(1):20–25. (In Russ).

[4] Иванова Е.Б. Актуальность дезинфекционных мероприятий в обеспечении биологической безопасности // Дезинфекция. Антисептика. 2010. № 1. С. 20–25.

[5] Shestopalov NV. Disinfectology and disinfection business is the basis of non-specific prevention of infectious diseases. Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2013;(1):105–108. (In Russ).

[6] Шестопалов Н.В. Дезинфектология и дезинфекционное дело ― основа неспецифической профилактики инфекционных болезней // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2013. № 1. С. 105–108.

[7] Fedorova LS. Theory and practice of improving disinfectants. Moscow: Medicine; 2006. 214 p. (In Russ).

[8] Фёдорова Л.С. Теория и практика совершенствования дезинфицирующих средств. Москва: Медицина, 2006. 214 с.

[9] Vetkina IF, Komarinskaya LV, Ilyin YuI, Solovieva MV. A modern approach to the choice of disinfectants in the system of prevention of nosocomial infections (HAI). FARM indeks Praktik [online resource]. 2005;(7):13–20. (In Russ).

[10] Веткина И.Ф., Комаринская Л.В., Ильин Ю.И., Соловьева М.В. Современный подход к выбору дезинфицирующих средств в системе профилактики внутрибольничных инфекций (ВБИ) // ФАРМ индекс Практик [интернет-ресурс]. 2005. № 7. С. 13–20.

[11] Pkhakadze TYa. Antiseptic and disinfectants in the prevention of nosocomial infections. Clinical microbiology and antimicrobial chemotherapy. 2002;4(1):42–48. (In Russ).

[12] Пхакадзе Т.Я. Антисептические и дезинфицирующие средства в профилактике нозокомиальных инфекций // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2002. Т. 4, № 1. С. 42–48.

[13] Gerasimov VN, Dyatlov IA, Gaytrafimova AR, et al. Experimental selection of peroxide composite disinfectants with a sporicidal effect. Disinfection affairs. 2014;(2):9–14. (In Russ).

[14] Герасимов В.Н., Дятлов И.А., Гайтрафимова А.Р., и др. Экспериментальный отбор перекисных композиционных дезинфектантов, обладающих спороцидным эффектом // Дезинфекционное дело. 2014. № 2. С. 9–14.

[15] Gavrilova IA, Zhavnerko GK, Titov LP. Atomic force microscopy of morphostructural changes in Pseudomonas aeruginosa exposed to a biocide based on alkyldimethylbenzylammonium chloride and polyhexamethyleneguanidine. Doklady Nacionalʹnoj akademii nauk Belarusi. 2013;57(5):81–87. (In Russ).

[16] Гаврилова И.А., Жавнерко Г.К., Титов Л.П. Атомно-силовая микроскопия морфоструктурных изменений Pseudomonas aeruginosa, подвергшихся воздействию биоцида на основе алкилдиметилбензиламмония хлорида и полигексаметиленгуанидина // Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2013. Т. 57, № 5. С. 81–87.

[17] Mc Donnell G, Russell AD. Antiseptics and disinfectants: Activity, astion and resistance. Clin Microbiol Rev. 1999;12(1):147–179. doi: 10.1128/CMR.12.1.147

[18] Mc Donnell G., Russell A.D. Antiseptics and disinfectants: Activity, astion and resistance // Clin Microbiol Rev. 1999. Vol. 12, N 1. P. 147–179. doi: 10.1128/CMR.12.1.147

[19] Lengeler J, Drews G, Schlegel G. Modern microbiology. Moscow: Mir; 2005. 325 р. (In Russ).

[20] Ленгелер Й., Древс Г., Шлегель Г. Современная микробиология. Москва: Мир, 2005. 325 с.

[21] Vorobyev AA, Bykov AS, Boychenko MN, et al. Medical microbiology, virology and immunology. Ed. by A.A. Vorobyov. 3rd revised and updated. Moscow: Meditsinskoe informatsionnoe agentstvo; 2022. 704 p. (In Russ).

[22] Воробьев А.А., Быков А.С., Бойченко М.Н., и др. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология / под ред. А.А. Воробьева. 3-е изд., испр. Москва: Медицинское информационное агентство, 2022. 704 с.

[23] Korchak GI, Klimenko IV, Surmasheva EV, et al. Mechanisms of resistance of bacteria and viruses to disinfectants and antiseptics. Enviroxment & Health. 2019;(4):70–79. (In Russ). doi: 10.32402/dovkil2019.04.070

[24] Корчак Г.И., Клименко И.В., Сурмашева Е.В., и др. Механизмы резистентности бактерий и вирусов к дезинфектантам и антисептикам // Enviroxment & Health. 2019. № 4. С. 70–79. doi: 10.32402/dovkil2019.04.070

[25] Legotsky SA. Preparation, study of properties, stabilization of recombinant endolysin of bacteriophage S-394 and development of a method for effective lysis of gram-negative bacteria [dissertation abstract]. Moscow; 2016. 29 р. (In Russ).

[26] Легоцкий С.А. Получение, изучение свойств, стабилизация рекомбинантного эндолизина бактериофага S-394 и разработка способа эффективного лизиса грамотрицательных бактерий: Автореф. дис. … канд. хим. наук. Москва, 2016. 29 с.

[27] Fedorova LS, Tsvirova IM, Levchuk NN, Belova AS. Oxygen-active disinfectants (Literature review). Disinfection affairs. 2013;(2):28–33. (In Russ).

[28] Федорова Л.С., Цвирова И.М., Левчук Н.Н., Белова А.С. Кислородактивные дезинфицирующие средства (обзор литературы) // Дезинфекционное дело. 2013. № 2. С. 28–33.

[29] Samoilenko II, Vasilyeva EI, Pavlova IB, Tumanyan MA. Mechanisms of the bactericidal action of hydrogen peroxide. Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 1983;(12):30–33. (In Russ).

[30] Самойленко И.И., Васильева Е.И., Павлова И.Б., Туманян М.А. Механизмы бактерицидного действия перекиси водорода // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 1983. № 12. С. 30–33.

[31] Shestopalov NV, Fedorova LS, Skopin AYu. Antimicrobial activity and minimum effective concentrations of chemical compounds found in disinfectants. Hygiene and Sanitation. 2019;98(10):1031–1036. (In Russ). doi: 10.47470/0016-9900-2019-98-10-1031-1036

[32] Шестопалов Н.В., Федорова Л.С., Скопин А.Ю. Антимикробная активность и минимальные эффективные концентрации химических соединений, входящих в состав дезинфекционных средств // Гигиена и санитария. 2019. Т. 98, № 10. С. 1032–1035. doi: 10.47470/0016-9900-2019-98-10-1031-1036

[33] Friedovich M. Oxygen radicals, hydrogen peroxide and oxygen toxicity Free radicals in biology. Vol. 1. Ed. by A. Pryor. Trans. from English. Moscow: Mir; 1979. Р. 272–378. (In Russ).

[34] Фридович М. Радикалы кислорода, пероксид водорода и токсичность кислорода Свободные радикалы в биологии. Т. 1 / под ред. А. Прайора. Пер. с англ. Москва: Мир, 1979. С. 272–378.

[35] Goncharuk EI. Communal hygiene. Kiev: Vysshaya shkola; 2000. 652 р. (In Russ).

[36] Гончарук Е.И. Коммунальная гигиена. Киев: Высшая школа, 2000. 652 с.

[37] Ozerov MYu, Karkishchenko VN, Popov DV, et al. Means for disinfection of objects contaminated with B. anthracis spores. Biomeditsina. 2009;(1):28–32. (In Russ).

[38] Озеров М.Ю., Каркищенко В.Н., Попов Д.В., и др. Средства для обеззараживания объектов, контаминированных спорами B. anthracis // Биомедицина. 2009. № 1. С. 28–32.

[39] Linley E, Denyer SP, McDonnell G, et al. Use of hydrogen peroxide as a biocide: New consideration of its mechanisms of biocidal action. J Antimicrob Chemother. 2012;67(7):1589–1596. doi: 10.1093/jac/dks129

[40] Linley E., Denyer S.P., McDonnell G., et al. Use of hydrogen peroxide as a biocide: New consideration of its mechanisms of biocidal action // J Antimicrob Chemother. 2012. Vol. 67, N 7. P. 1589–1596. doi: 10.1093/jac/dks129

[41] Vladimirov YuA. Free radicals in biological systems. Sorov Educational J. 2000;6(12):13–19. (In Russ).

[42] Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах // Соровский образовательный журнал. 2000. Т. 6, № 12. С. 13–19.

[43] Bukharin OV, Sgibnev AV, Cherkasov SV. Comparative characteristics of the antimicrobial effects of hydroxy radicals and hydrogen peroxide. Disinfection affairs. 2013;(3):38–42. (In Russ).

[44] Бухарин О.В., Сгибнев А.В., Черкасов С.В. Сравнительная характеристика антимикробных эффектов гидроксильных радикалов и пероксида водорода // Дезинфекционное дело. 2013. № 3. С. 38–42.

[45] Leggett MJ, Schwars S, Burke PA, et al. Mechanism of sporicidal activity for the synergistic combination of peracetic acid and hydrogen peroxide. Appl Environ Microbiol. 2015;82(4):1035–1039. doi: 10.1128/AEM.03010-15

[46] Leggett M.J., Schwars S., Burke P.A., et al. Mechanism of sporicidal activity for the synergistic combination of peracetic acid and hydrogen peroxide // Appl Environ Microbiol. 2015. Vol. 82, N 4. P. 1035–1039. doi: 10.1128/AEM.03010-15

Funding

РоспотребнадзорRospotrebnadzor

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-vector