Синергізм з іншими біоцидами біологічної активності поверхнево-активних речовин, синтезованих в різних умовах культивування Rhodococcus erythropolis IMB AC-5017 та Acinetobacter calcoaceticus IMB B-7241

Abstract

Мікробні поверхнево­активні речовини (ПАР) володіють широким спектром біологічної активності (антифунгальна та антибактеріальна, антиадгезивна дія, здатність до руйнування біоплівок), що дає можливість розглядати їх як альтернативні антибіотикам та комерційним антифунгальним препаратам природні сполуки. Тим не менше, широке використання таких продуктів мікробного синтезу обмежено рядом причин повязаних з використанням дороговартісних субстратів, складних методів виділення цільового продукту і, що найважливіше, впливом умов культивування продуцента на властивості синтезованих метаболітів. Разом з тим, наявні літературні дані стосуються переважно дослідження впливу різних концентрації джерела вуглецю (здебільшого глюкози) та азоту на концентрацію кінцевого продукту, і лише в поодиноких роботах наявні дані щодо біологічних властивостей ПАР, синтезованих в різних умовах культивування. Тим не менше, інтерес до таких мікробних метаболітів зростає, досліджуються нові сфери їх використання, в тому числі і у суміші з іншими сполуками. Не виключено, що синергічні властивості поверхнево­активних речовин, отриманих у різних умовах культивування продуцентів, у суміші з іншими біоцидами будуть відрізнятися від властивостей монопрепаратів. Дисертаційна робота присвячена дослідженню можливості прояву синергізму біологічної активності (антимікробної, антиадгезивної та ролі у руйнуванні моно­ та двовидових біоплівок) суміші поверхнево­активних речовин, синтезованих у різних умовах культивування Rhodococcus erythropolis IMB Ac­5017 та Acinetobacter calcoaceticus IМВ В­7241 з комерційними антибіотиками, антифунгальними речовинами та ефірними оліями. Встановлено, що синтезовані в різних умовах культивування штамів­ продуцентів поверхнево­активні речовини проявляють синергізм біологічної активності з різними біоцидами. Так, ПАР синтезовані R. erythropolis IMB Ac­5017 на гліцерині ріхної якості, проявляли синергічну антимікробну активність з офлоксацином, ципрофлоксацином та ефірною олією чайного дерева щодо Pseudomonas sp. MI­2, Escherichia coli ІЕМ­1, Staphylococcus aureus БМС­1. Мінімальні інгібуючі концентрації суміші ПАР з антибіотиками щодо досліджуваних тест­культур становили 0,8­25,5 мкг/мл і були нижчими, ніж встановлені для монопрепаратів антибіотиків (500­2500 мкг/мл) та ПАР 3,2­102,5 мкг/мл Використання поверхнево­активних речовин у суміші з ефірною олєю чайного дерева дало змогу знизити МІК останньої щодо досліджуваних бактерій з 156­625 до 2,4­19,5 мкг/мл. Незалежно від наявності у середовищі культивування A. calcoaceticus ІМВ В­7241 одновалентних катіонів − активаторів НАДФ+­залежної глутаматдегідрогенази (ключового ферменту біосинтезу аміноліпідів, відповідальних за антимікробну активність ПАР), синтезовані ПАР проявляли синергізм антифунгальної активності у суміші з клотримазолом, флуконазолом та знижували МІК антифунгальних препартів щодо Candida tropicalis РЕ­2, Candida albicans Д­6 та Candida utilis БМС­65 у 4­32 рази. Використання суміші ефірних олій кориці та лемонграсу з ПАР, синтезованими A. calcoaceticus ІМВ В­7241 за наявності у середовищі одновалентних катіонів дало змогу знизити МІК ефірних олій щодо досліджуваних дріждів з 156 до 8,5−39 мкг/мл. За використання поверхнево­активних речовин, синтезованих R. erythropolis IMB Ac­5017 як на традиційних субстратах (етанол) та і просмислових відходах (пересмажена соняшникова олія) у суміші з офлоксацином, ципрофлоксацином чи ефірною олією чайного дерева адгезія Pseudomonas sp MI­2, Enterobacter cloacae С­8 і Proteus vulgaris PА­12 до кахелю та сталі була у 2­2,1 та 2,6­3,1 рази нижчою, ніж після обробки монопрепатами ПАР, антибіотиків чи ефірної олії. Деструкції біоплівок бактеріальних Pseudomonas sp MI­2, Enterobacter cloacae С­8 і Proteus vulgaris PА­12 та дріжджових Candida albicans Д­6, Candida tropicalis РЕ­2 та Candida utilis БМС­65 біоплівок за дії ПАР, синтезованих штамами IMB Ac­5017 та IМВ В­7241 в різних умовах культивування, у суміші з ефірними оліями, антибіотиками чи антифунгальними препаратами, був 1,9­2,7 та 1,3­3,5 разів вищим порівняно з встановленим для монопрепаратів ПАР, антибіотиків, антифунгальних речовин чи ефірних олій. Поверхнево­активні речовини, синтезовані A. calcoaceticus ІМВ В­7241 та R. erythropolis IMB Ac­5017 за наявності у середовищі культивування клітин еукарітичного (Saccharomyces cerevisiae БТМ­1) індуктора у суміші з офлоксацином, ципрофлоксацином та ефірною олією чайного дерева знижували МІК останніх щодо бактеріальних (Pseudomonas sp MI­2, E.cloacae С­8 і P. vulgaris PА­12) та дріжджових (C.albicans Д­6, C. tropicalis РЕ­2 та C. utilis БМС­65) тест­культур у 2,0–40 та 15–960 разів відповідно. Деструкція двовидових бактеріально­бактеріальних і бактеріально­ дріжджових біоплівок за дії комплексу ефірної олії чайного дерева з ПАР, синтезованих A. calcoaceticus ІМВ В­7241 та R. erythropolis IMB Ac­5017 за наявності S. cerevisiae БТМ­1 була в 1,3–1,8 та 1,2­2,9 разів вищою порівняно із використанням монопрепаратів ПАР чи ефірної олії. Отже, незалежно від умов культивування, синтезовані A. calcoaceticus ІМВ В­7241 та R. erythropolis IMB Ac­5017 поверхнево­активні речовини можуть бути використані у суміші з комерційними антибіотиками, антифунгальними препаратами та ефірними оліями для зниження ефективної концентрації останніх у боротьбі з патогенними мікроорганізмами здатними до формування біоплівок. Microbial surfactants have a wide range of biological activity (antifungal and antibacterial, anti­adhesive action, the ability to destroy biofilms), which makes it possible to consider them as natural compounds alternative to antibiotics and commercial antifungal drugs. However, the widespread use of such microbial synthesis products is limited by a number of reasons related to the use of expensive substrates, complex methods for isolating the target product and, most importantly, the influence of the producer’s cultivation conditions on the properties of the synthesized metabolites. At the same time, the available literature data mainly concerns the study of the influence of different concentrations of a carbon source (mainly glucose) and nitrogen on the concentration of the final product, and only a few studies contain data on the biological properties of surfactants synthesized under various cultivation conditions. Nevertheless, interest in such microbial metabolites is growing, and new areas of their use are being explored, including in mixtures with other compounds. It is possible that the synergistic properties of surfactants obtained under different cultivation conditions of producers in a mixture with other biocides will differ from the properties of monopreparations. The dissertation work is devoted to the study of the possibility of synergism of biological activity (antimicrobial, anti­adhesive and role in the destruction of mono­ and two­species biofilms) of a mixture of surfactants synthesized under various cultivation conditions of Rhodococcus erythropolis IMV Ac­5017 and Acinetobacter calcoaceticus IMV B­7241, antifungal substances and essential oils. It has been established that surfactants synthesized under different cultivation conditions of producer strains exhibit synergistic biological activity with different biocides. Thus, surfactants synthesized by R. erythropolis IMV Ac­5017 on glycerol of various qualities showed synergistic antimicrobial activity with ofloxacin, ciprofloxacin and tea tree essential oil against Pseudomonas sp. MI­2, Escherichia coli IEM­1, Staphylococcus aureus BMS­1. The minimum inhibitory concentrations (MIC) of a mixture of surfactants and antibiotics against to the test cultures were 0.8­25.5 μg/ml and were lower than those established for monopreparations of antibiotics (500­2500 μg/ml) and surfactants 3.2­102.5 µg/ml The use of surfactants in a mixture with tea tree essential oil made it possible to reduce the MIC of the latter against the studied bacteria from 156­625 to 2.4­19.5 µg/ml. Regardless of the presence in the cultivation medium of A. calcoaceticus IMV B­7241 of monovalent cations ­ activators of NADP+­dependent glutamate dehydrogenase (the key enzyme in the biosynthesis of aminolipids responsible for the antimicrobial activity of surfactants), the synthesized surfactants reduced the MIC of antifungal drugs against Candida tropicalis PE­2, Candida albicans D­6 and Candida utilis BMS­65 by 4­32 times. The use of a mixture of cinnamon and lemongrass essential oils and surfactants synthesized by A. calcoaceticus IMV B­ 7241 in the presence of monovalent cations in the medium made it possible to reduce the MIC of essential oils relative to the yeast under study from 156 to 8.5­ 39 μg/ml. When using surfactants synthesized by R. erythropolis IMV Ac­5017 on both traditional substrates (ethanol) and industrial waste (overcooked sunflower oil) in a mixture with ofloxacin, ciprofloxacin or tea tree essential oil, adhesion of Pseudomonas sp MI­2, Enterobacter cloacae С­8 and Proteus vulgaris PA­12 to tiles and steel was 2­2.1 and 2.6­3.1 times lower than after treatment with monosurfactants, antibiotics or essential oils. Destruction of biofilms of bacterial Pseudomonas sp MI­2, E. cloacae C­8 and P. vulgaris PA­12 and yeast C.albicans D­6, C. tropicalis РЕ­2 and C. utilis БМС­65 biofilms under the action of surfactants synthesized in various strain cultivation conditions IMV B­7241, mixed with essential oils, antibiotics or antifungal drugs, was 1.9­2.7 and 1.3­3.5 times higher compared to that established for monosurfactants, antibiotics, antifungal substances or essential oils. Surfactants synthesized by A. calcoaceticus IMV B­7241 and R. erythropolis IMV Ac­5017 in the presence of an inducer in the culture medium of eukaryotic (Saccharomyces cerevisiae BTM­1) cells in a mixture with ofloxacin, ciprofloxacin and tea tree essential oil reduced the MIC of the latter against bacterial (Pseudomonas sp MI­2, E.cloacae С­8 and P. vulgaris PA­12) and yeast (C.albicans D­6, C. tropicalis РЕ­2 and C. utilis БМС­65) test cultures 2.0–40 and 15–960 times, respectively. The destruction of two­species bacterial­bacterial and bacterial­yeast biofilms under the action of a tea tree essential oil complex from surfactants synthesized by A. calcoaceticus IMV B­7241 and R. erythropolis IMV Ac­5017 in the presence of S. cerevisiae BTM­1 was 1.8 and 1.2 ­2.9 times higher compared to the use of monosurfactants or essential oils. Therefore, regardless of the cultivation conditions, surfactants synthesized by A. calcoaceticus IMV B­7241 and R. erythropolis IMV Ac­5017 can be used in a mixture with commercial antibiotics, antifungal drugs and essential oils to reduce the effective concentration of the latter in the fight against microorganisms capable of forming biofilms.