Historia elektrolizowanej wody w dezynfekcji

Pierwotny pomysł bezpośredniego zastosowania wody elektrolizowanej (kwas podchlorawy powstający w wyniku elektrolizy wody i soli) do zadań sanitarnych w uzdatnianiu wody oraz dezynfekcji instytucji medycznych powstał w Rosji w XX wieku. Od lat 80 XX wieku woda elektrolizowana do celów dezynfekcyjnych znalazła szerokie zastosowanie, w szczególności w Japonii. Poza właściwościami anty-mikrobiologicznym, dodatkowym atutem wody elektrolizowanej jest jej bardzo niska toksyczność dla człowieka i środowiska. Świadczy o tym niedawne zatwierdzenie wody elektrolizowanej jako możliwy dodatek do żywności (przedłużający jej świeżość oraz zapobiegający gniciu) przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska oraz Japońskie Ministerstwo Zdrowia, Pracy i Opieki Społecznej (Hricova et al. 2008).

Na dzień dzisiejszy woda elektrolizowana posiada doskonale udokumentowane działanie anty-mikrobiologiczne. Oznacza to, że jej potwierdzoną badaniami skuteczność w niszczeniu bakterii, grzybów jak również i pleśni. Obszerne zestawienie badań z tego obszaru można znaleźć w opublikowanej w zeszłym roku książce pt. „Electrolyzed Water in Food: Fundamentals and Applications” (tłum. Woda elektrolizowana i żywność: Podstawy i Zastosowania) wydanej pod przewodnictwem prof. Ting Ding’aNiestety we wspomnianej książce, jak i ogólnie pojętym świecie naukowym badań brakowało jednoznacznej analizy mogącej potwierdzić lub zaprzeczyć skuteczności wody elektrolizowanej w walce z wirusami. Chcąc wypełnić tą lukę oraz starając się odpowiedzieć na owe nurtujące pytanie przygotowana została dokładna i skrupulatna analizę na podstawie dostępnych badań z zakresu wirusobójczości wody elektrolizowanej. Całość dość obszernej analizy znajdzie się w przygotowywanej publikacji naukowej pt. „Metaanaliza wirusobójczości wody elektrolizowanej z uwzględnieniem parametrów krytycznych”. W niemniejszym artykule zawarte zostały tylko kluczowe wnioski w celu przybliżenia ogólnych konkluzji z niej płynącej.

Kwas podchlorawy i jego wirusobójczość

Wielkość wirionów (pojedynczych wirusów) znajduje się w zakresie nanometrów. Przyjmuje się, że rozmiar przeciętnego wirusa znajduje się w zakresie ok. 100 nm (np. grypa, HIV). Dla porównania, przeciętna wielkość bakterii to ok. 2-3 mikrometry. Wirusy są więc 10-30 razy mniejsze niż bakterie. Przeciętna komórka ssaka posiada wielkość ok 10-30 mikrometry, co oznacza, że wirusy ludzkie są przeciętnie mniejsze od 100 do 100 razy od komórek, które infekują (Louten 2016). 

Analiza światowej literatury z zakresu wirusobójczego działania wody elektrolizowanej wskazuje, iż zawarty w niej związek aktywny (kwas podchlorawy) posiada silne działanie destrukcyjne na wirusy. Badania w środowisku laboratoryjnym (suspensyjne, wkraplanie wirusa do roztworu wody elektrolizowanej) potwierdzają działanie antywirusowe wody elektrolizowanej względem wszystkich wirusów jakie były poddane badaniu.

Działanie wirusobójcze kwasu podchlorawego ma podstawy chemiczne i jest powtarzalne dla wszystkich przebadanych rodzin wirusów. W skrócie, wysoki potencjał oksydacyjno-redukcyjny wody elektrolizowanej daje mu możliwość utlenienia kwasów nukleinowych wirusowych zawartych w nukleokapsydzie wirusa, powodując jego trwałą i nieodwracalną degradacje. Co więcej, kwas podchlorawy trwale niszczy wypustki na powierzchni wirusów powodując ich nieaktywność patogenną. Dodatkowym mechanizmem pozwalającym na skuteczniejszą wirusobójczość w odróżnieniu np. do środków zawierających podchloryn sodu (ClO-) jest brak ładunku kwasu podchlorawego, co pozwala mu przenikać przez ścianki lipidowe (niepolarne) wirusów osłonkowych wykazując wysoką skuteczność w ich zwalczaniu.

Czynniki wpływające na efektywność dezynfekcji wody elektrolizowanej wobec wirusów

Działanie wirusobójcze podobnie jak bakteriobójcze w znacznym stopniu zależy od stężenia substancji aktywnej (wolnego chloru) w wodzie elektrolizowanej oraz jej potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (ORP), czyli pośrednio od pH. Analogicznie jak w przypadku bakterii, wyższe stężenie oraz wyższe ORP skutkuje szybszym oraz bardziej skutecznym działaniem dezynfekcyjnym. Dodatkowym czynnikiem wzrostu skuteczności wirusobójczej jest wydłużenie czasu kontaktu środka z powierzchnią dezynfekowaną. Badania wody elektrolizowanej pochodzącej od 3 różnych dostawców technologii wskazały, iż dla obojętnej wody elektrolizowanej (pH = 6.4) skuteczne stężenie wirusobójcze wynosi ok. 40 ppm, natomiast dla wody kwaśnej (pH = 2.8) jest już skuteczne przy 30 ppm (Fang et al. 2016). Należy jednak zaznaczyć, iż występowały różnice w wynikach w zależności od doboru technologii produkcji elektrolizowanej wody (ryc. 1).

Ryc. 1. Porównanie wyników wody elektrolizowanej pochodzącej od różnych producentów względem ich wirusobójczości (lewy – wirusowe zapalenie wątroby typu A (HVB-A), prawy – mysi norowirus (MNV-1)) (Fang et al. 2016). 

Nanorysy i nanoszczeliny powierzchni kontra zamgławianie

W przypadku zastosowań powierzchniowych wody elektrolizowanej należy zwrócić uwagę na czystość oraz strukturę powierzchni. Badania wskazują, iż powierzchnie zanieczyszczone związkami  organicznymi (np. zatłuszczone) słabiej sobie radzą w testach na wirusobójczość. Nie jest to jednak warunek krytyczny. Powierzchnie zanieczyszczone, które zostały przemyte środkami czyszczącymi (mydłem) przed rozprowadzeniem wody aktywnej, uzyskały w testach redukcję ilości wirusów o 3 log10 (czyli 99.9% wirusów) co oznaczało pozytywny wynik w ocenie dezynfekcyjności (Tuladhar et al. 2012). 

Bardzo ważna jest metoda aplikacji środka dezynfekującego na skuteczność w ograniczaniu wirusów, które mogą się znajdować w pęknięciach nie widocznych nawet pod zwykłym mikroskopem optycznym – tzw. nano-rysach i nano-szczelinach. Powierzchnie na których mogły się znajdować nano-szczeliny nie wypadały zadowalająco w testach przy użyciu ściereczki nasączonej wodą elektrolizowaną, nawet przy silnym stężeniu i wysokim ORP. Przyczyna takiego zjawiska jest dwojaka. Po pierwsze, podczas nanoszenia substancji aktywnej ściereczką na powierzchni pozostaje tylko bardzo cienki film środka aktywnego. Po drugie, biorąc pod uwagę, iż struktury wirusowe mają wielkość w zakresie 100 nm, nano-rysy powierzchniowe pozwalają im znaleźć w sobie schronienie i skutecznie ustrzec się przed destrukcją. Tak więc można stwierdzić, iż ilość środka przy nałożeniu ściereczką może okazać się niewystarczająca do zwalczenia wirusów w przypadkach, gdy na powierzchni znajdują się nano-rysy lub nano-szczeliny. Należy zwrócić uwagę, iż większość powierzchni podlegających dezynfekcji posiada właśnie taką strukturę.

W przeciwieństwie do nanoszenia ściereczką, w dezynfekcji poprzez zamgławianie do powierzchni potrzebującej dociera znacznie większa ilość wody elektrolizowanej, w tym środka aktywnego. Co więcej, w procesie środek dociera na powierzchnie jednostajnie oraz jego dystrybucja na niej przebiega równomiernie. Wyniki badań wskazują, że taka forma dezynfekcji może być bardziej skuteczna w przypadku występowania wirusów na powierzchniach porowatych. Można przypuszczać, że większa ilość środka aktywnego na powierzchni utrzymuje potencjał ORP na dłużej pozwalając na skuteczną dyfuzję kwasu podchlorawego w głąb nano-szczelin, w których mogą znajdować są wirusy (Park et al. 2007; Hakim et al. 2012). Przewiduje się, że podobny efekt do zamgławiania powinna dać metoda spryskiwania powierzchni, niemniej jednak na daną chwilę, literaturze nie występują badania w tej materii, które mógłby by to w pełni potwierdzić.

Sprawdzona wirusobójczość wody elektrolizowanej

Z podsumowania przeprowadzonego przeglądu literaturowego wynika, iż woda elektrolizowana posiada właściwości wirusobójcze względem wszystkich przebadanych wirusów: ptasiej grypy (szczepy: H5N1, H9N2, H1N1), wirus polio Sabrin, adenowirus (typ 5), parechowirus (typ 1), mysi norowirus (MNV-1), ludzki norowirus (szczep: GI.4 oraz GII.4), wirus HVB-A, a także wirus opryszczki).

Z charakteru działania kwasu podchlorawego z wirusami można stwierdzić, że będzie on wykazywał takie samo zachowanie względem wszystkich rodzin wirusów ze względu na podobieństwa w ich chemicznej strukturze. W zastosowaniu najlepiej jest używać wody elektrolizowanej o stężeniu minimum 50 ppm i niskim pH wody w okolicach 3-4. Takie stężenie powinno skutkować najwyższym prawdopodobieństwem skuteczności wirusobójczej. Z uwagi, iż możliwość występowania niewidocznych gołym okiem nano-rys i nano-szczelin zaleca się metodę nanoszenia wody elektrolizowanej na powierzchnię za pomocą zamgławiania lub aerozolu (spryskiwania). W przypadkach powierzchni zanieczyszczonych rekomenduje się ich uprzednie umycie w celu maksymalizacji rezultatów wirusobójczych.

Informacje o autorze:

Mgr Inż. Przemysław Maziarka – obecnie doktorant (PhD reseracher) ze specjalnością w modelowaniu numerycznym procesów termochemicznej degradacji polimerów pochodzenia biomasowego i analizy mikrostruktur karbonizatów, badania finansowane Programu badań i innowacji Unii Europejskiej „Horyzont 2020” w ramach umowy o grant Marie Skłodowska-Curie, prowadzone na wydziale Bioinżynierii, katedry Zielonej Chemii i Technologii, na Uniwersytecie w Gandawie (Belgia). Absolwent (cum laude) Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Wydziału Energetyki i Paliw, Kierunku Technologia Chemiczna, były pracownik SITEF Energii A.S. oraz Działu Badań i Rozwoju PKN ORLEN S.A. 

Źródła: 

Fang J, Cannon JL, Hung Y-C (2016) The efficacy of EO waters on inactivating norovirus and hepatitis A virus in the presence of organic matter. Food Control 61:13-19. doi:https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2015.09.011 

Hakim H, Thammakarn C, Suguro A, Ishida Y, Kawamura A, Tamura M, Satoh K, Tsujimura M, Hasegawa T, Takehara K (2015) Evaluation of sprayed hypochlorous acid solutions for their virucidal activity against avian influenza virus through in vitro experiments. Journal of Veterinary Medical Science 77 (2):211-215. doi:10.1292/jvms.14-0413 

Hricova D, Stephan R, Zweifel C (2008) Electrolyzed Water and Its Application in the Food Industry. Journal of Food Protection 71 (9):1934-1947. doi:10.4315/0362-028X-71.9.1934 

Louten J (2016) Essential human virology. 1st edn. Academic Press Elsevier, London. doi:https://doi.org/10.1016/C2013-0-19118-0 

Park GW, Boston DM, Kase JA, Sampson MN, Sobsey MD (2007) Evaluation of Liquid- and Fog-Based Application of Sterilox Hypochlorous Acid Solution for Surface Inactivation of Human Norovirus. Applied and Environmental Microbiology 73 (14):4463-4468. doi:10.1128/aem.02839-06 

Tuladhar E, Hazeleger WC, Koopmans M, Zwietering MH, Beumer RR, Duizer E (2012) Residual Viral and Bacterial Contamination of Surfaces after Cleaning and Disinfection. Applied and Environmental Microbiology 78 (21):7769. doi:10.1128/AEM.02144-12