Застосування газоподібного озону та його водного розчину для інактивації патогенних мікроорганізмів: огляд літератури

Автор(и)

  • Тарас П’ятковський Тернопільський національний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України https://orcid.org/0000-0003-1240-1680

DOI:

https://doi.org/10.61751/bmbr.2706-6290.2023.3.47

Ключові слова:

озон, бактерицидні властивості, дезінфекція, нетермічна обробка, безпека

Анотація

Завдяки своїм потужним окислювальним властивостям озон є перспективним засобом дезінфекції і може використовуватися, як альтернатива традиційним засобам. Метою даної роботи було проведення аналізу літературних даних стосовно ефективності газоподібного озону та його водного розчину проти патогенних та умовно патогенних мікроорганізмів чи їх сурогатів. Опрацьовано більше 150 англомовних джерел, з яких 72 вибрано для даного огляду. Для ілюстрації ефективності озону проти бактерій, бактеріальних біоплівок та вірусів дані з вибраних публікацій зібрано у таблицях по відповідних групах мішеней дії дезінфектанта. У випадках представлення даних у оглянутих публікаціях у вигляді кінетичних кривих обиралися максимальні значення інактивації. Показано, що як газоподібний озон, так і його водний розчин знайшли широке застосування завдяки їх потужним бактерицидним властивостям. Зазначається, що озон є ефективним окисником, який знешкоджує грам-негативні, грам-позитивні та спороутворюючі мікроорганізми, утворені ними біоплівки, а також грибки, найпростіші, віруси та пріони. Серед галузей, які впровадили чи можуть впровадити застосування озону є медицина (включаючи стоматологію та фармацію), а також харчова промисловість та рекреаційна галузь. Однією з помітних переваг застосування озону є його відносно короткий період напіврозпаду з перетворенням у нетоксичний кисень. Також зазначається, що обробка озоном є нетермічною і дозволяє його застосовувати для обробки свіжих фруктів та овочів. Основними недоліками та проблемою для безпечного впровадження є токсичність озону при перевищенні гранично допустимої концентрації у повітрі, корозійна активність та вибухонебезпечність при високих концентраціях

Отримано: 01.06.2023| Переглянуто: 04.08.2023 | Прийнято: 31.08.2023

Біографія автора

Тарас П’ятковський, Тернопільський національний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України

Кандидат медичних наук, доцент 46001, майдан Волі, 1, м. Тернопіль, Україна

Посилання

Yuliana T, Prihastanti E, Nurchayati Y. Potential of aqueous ozone for the in vitro sterilization procedure of Solanaceae. Asian J Pharm Clin Res. 2020;13(10):138–41. DOI: 10.22159/ajpcr.2020.v13i10.38945

Murakami M, Nagano K, Hamaoka K, Kato D, Kawai T, Murakami H, Hasegawa Y. Ozone water bactericidal and cleaning effects on oral diseases-related planktonic and bacterial biofilms. J Hard Tissue Biol. 2021;30(1):27–32. DOI: 10.2485/jhtb.30.27

Marino M, Maifreni M, Baggio A, Innocente N. Inactivation of foodborne bacteria biofilms by aqueous and gaseous ozone. Front Microbiol. 2018;9:2024. DOI: 10.3389/fmicb.2018.02024

Ziyaina M, Rasco B. Inactivation of microbes by ozone in the food industry: A review. Afr J Food Sci. 2021;15(3):113–20. DOI: 10.5897/AJFS2020.2074

Alimohammadi M, Naderi M. Effectiveness of ozone gas on airborne virus inactivation in enclosed spaces: A review study. J Int Ozone Assoc. 2021;43(1):21–31. DOI: 10.1080/01919512.2020.1822149

Wolf C, von Gunten U, Kohn T. Kinetics of inactivation of waterborne enteric viruses by ozone. Environ Sci Technol. 2018;52(4):2170–77. DOI: 10.1021/acs.est.7b05111

Rangel K, Cabral FO, Lechuga GC, Carvalho JPRS, Villas-Bôas MHS, Midlej V, De-Simone SG. Detrimental effect of ozone on pathogenic bacteria. Microorganisms. 2022;10(1):40. DOI: 10.3390/microorganisms10010040

Yousefi B, Banihashemian SZ, Khatibiyan Feyzabadi Z, Hasanpour S, Kokhaei P, Abdolshahi A, et al. Potential therapeutic effect of oxygen-ozone in controlling of COVID-19 disease. Med Gas Res. 2022;12(2):33–40. DOI: 10.4103/2045-9912.325989

Westover C, Rahmatulloev S, Danko D, Afshin EE, O’Hara NB, Ounit R, et al. Ozone disinfection for elimination of bacteria and degradation of SARS-CoV2 RNA for medical environments. Genes. 2023;14(1):85. DOI: 10.3390/genes14010085

Tizaoui C. Ozone: A potential oxidant for COVID-19 virus (SARS-CoV-2). Ozone Sci Eng. 2020;42(5):378–85. DOI: 10.1080/01919512.2020.1795614

Hernaya TV. The effectiveness and accordance of physicochemical ways of disinfection of the water with hygienic demands. Ann Mechnikov Inst. 2006;1:1–11. Available from: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ami_2006_1_3

Shmychkova O, Protsenko V, Velichenko A. Wastewater treatment from pharmaceuticals: A review. Vopr Khim Khim Tekhnol. 2021;(3):4–31. DOI: 10.32434/0321-4095-2021-136-3-4-31

Ersoy ZG, Barisci S, Dinc O. Mechanisms of Escherichia coli and Enterococcus faecalis inactivation by ozone. LWT. 2019;100:306–13. DOI: 10.1016/j.lwt.2018.10.095

Asghari FBA, Dehghani MH, Dehghanzadeh R, Farajzadeh D, Shanehbandi D, Mahvi AH, et al. Performance evaluation of ozonation for removal of antibiotic-resistant Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa and genes from hospital wastewater. Sci Rep. 2021;11(1):e24519. DOI:10.1038/s41598-021-04254-z

Perry JJ, Peña-Melendez M, Yousef AE. Ozone-based treatments for inactivation of Salmonella enterica in tree nuts: Inoculation protocol and surrogate suitability considerations. Int J Food Microbiol. 2019;297:21–26. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2019.02.025

Choudhury B, Portugal S, Mastanaiah N, Johnson JA, Roy S. Inactivation of Pseudomonas aeruginosa and Methicillin-resistant Staphylococcus aureus in an open water system with ozone generated by a compact, atmospheric DBD plasma reactor. Sci Rep. 2018;8:e17573. DOI: 10.1038/s41598-018-36003-0

Li J, Li X, Li K, Tao T. Plasmas ozone inactivation of Legionella in deionized water and wastewater. Environ Sci Pollut Res. 2018;25(10):9697–7. DOI: 10.1007/s11356-018-1233-x

Dong S, Li J, Kim MH, Cho J, Park SJ, Nguyen TH, Eden JG. Deactivation of Legionella Pneumophila in municipal wastewater by ozone generated in arrays of microchannel plasmas. J Phys D Appl Phys. 2018;51(25). DOI: 10.1088/1361-6463/aac379

Mecha AC, Onyango MS, Ochieng A, Momba MNB. Modelling inactivation kinetics of waterborne pathogens in municipal wastewater using ozone. Environ Eng Res. 2020;25(6):890–97. DOI: 10.4491/eer.2019.432

Yáñez Noguez I, Orta de Velásquez MT, Atengueño Reyes K, Mendoza Garfias MB. Alternative treatment to remove resistant strains of Vibrio cholerae in water. J Environ Eng. 2020;146(10). DOI: 10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0001795

Epelle EI, Macfarlane A, Cusack M, Burns A, Okolie JA, Mackay W, et al. Ozone application in different industries: A review of recent developments. Chem Eng J. 2023;454(Part 2):e140188. DOI: 10.1016/j.cej.2022.140188

Demir F, Atguden A. Experimental investigation on the microbial inactivation of domestic well drinking water using ozone under different treatment conditions. Ozone Sci Eng. 2016;38(1):25–35. DOI: 10.1080/01919512.2015.1074534

Baysan A, Whiley RA, Lynch E. Antimicrobial effect of a novel ozone-generating device on micro-organisms associated with primary root carious lesions in vitro. Caries Res. 2000;34(6):498–1. DOI: 10.1159/000016630

Sung HJ, Song WJ, Kim KP, Ryu S, Kang DH. Combination effect of ozone and heat treatments for the inactivation of Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium, and Listeria monocytogenes in apple juice. Int J Food Microbiol. 2014;171:147–53. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2013.11.001

Panebianco F, Rubiola S, Chiesa F, Civera T, Di Ciccio PA. Effect of gaseous ozone on Listeria monocytogenes planktonic cells and biofilm: An in vitro study. Foods. 2021; 10(7):e1484. DOI: 10.3390/foods10071484

Karim Shah NNA, Rahman RA, Chuan LT, Hashim DM. Application of gaseous ozone to inactivate Bacillus cereus in processed rice. J Food Process Eng. 2011;34(6):2220–32. DOI: 10.1111/j.1745-4530.2009.00566.x

Novak JS, Yuan JTC. Increased inactivation of ozone-treated Clostridium perfringens vegetative cells and spores on fabricated beef surfaces using mild heat. J Food Prot. 2004;67(2):342–6. DOI: 10.4315/0362-028x-67.2.342

Zhang F, Xi J, Huang JJ, Hu HY. Effect of inlet ozone concentration on the performance of a micro-bubble ozonation system for inactivation of Bacillus subtilis spores. Sep Purif Technol. 2013;114:126–33. DOI: 10.1016/j.seppur.2013.04.034

Wen G, Liang Z, Xu X, Cao R, Wan Q, Ji G, et al. Inactivation of fungal spores in water using ozone: Kinetics, influencing factors and mechanisms. Water Res. 2020;185:116218. DOI: 10.1016/j.watres.2020.116218

Sujayasree OJ, Chaitanya AK, Bhoite R, Pandiselvam R, Kothakota A, Gavahian M, et al. Ozone: An advanced oxidation technology to enhance sustainable food consumption through mycotoxin degradation. Ozone Sci Eng. 2022;44(1):17–37. DOI: 10.1080/01919512.2021.1948388

Afsah-Hejri L, Hajeb P, Ehsani RJ. Application of ozone for degradation of mycotoxins in food: A review. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2020;19(4):1777–8. DOI: 10.1111/1541-4337.12594

Wainwright KE, Miller MA, Barr BC, Gardner IA, Melli AC, Essert T, et al. Chemical inactivation of Toxoplasma gondii oocysts in water. J. of Parasitology. 2007;93(4):925–31. DOI: 10.1645/GE-1063R.1

Dumètre A, Le Bras C, Baffet M, Meneceur P, Dubey JP, Derouin F, et al. Effects of ozone and ultraviolet radiation treatments on the infectivity of Toxoplasma gondii oocysts. Vet Parasitol. 2008;153(3-4):209–13. DOI: 10.1016/j.vetpar.2008.02.004

Ran Z, Li S, Huang J, Yuan Y, Cui C, Williams CD. Inactivation of Cryptosporidium by ozone and cell ultrastructures. J Environ Sci. 2010;22(12):1954–59. DOI: 10.1016/S1001-0742(09)60345-4

Ogura AP, Sabogal-Paz LP. Detection of Cryptosporidium parvum oocysts in artificially contaminated filter backwash water and ozone treatment at pilot scale. Ozone Sci Eng. 2022;44(5):426–37. DOI: 10.1080/01919512.2021.1960148

Kondo Nakada LY, Franco RMB, Fiuza VRS, Santos LUD, Branco N, Guimarães JR. Pre-ozonation of source water: Assessment of efficacy against Giardia duodenalis cysts and effects on natural organic matter. Chemosphere. 2019;214:764–70. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2018.09.164

Predmore A, Sanglay G, Li J, Lee K. Control of human norovirus surrogates in fresh foods by gaseous ozone and a proposed mechanism of inactivation. Food Microbiol. 2015;50:118–25. DOI: 10.1016/j.fm.2015.04.004

Thurston-Enriquez JA, Haas CN, Jacangelo J, Gerba CP. Inactivation of enteric adenovirus and feline calicivirus by ozone. Water Res. 2005;39(15):3650–56. DOI: 10.1016/j.watres.2005.06.006

Hirneisen KA, Kniel KE. Inactivation of internalized and surface contaminated enteric viruses in green onions. Int J Food Microbiol. 2013;166(2):201–6. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2013.07.013

Hiroshi T, Sakurai M, Ishii K, Yoshiaki M. Inactivation of influenza virus by ozone gas. IHI Eng Rev. 2009;42(2):108–11. Available from: https://www.ihi.co.jp/var/ezwebin_site/storage/original/application/b6f9abdb0ce1b19fc059cf5dc1316ac5.pdf

Yano H, Nakano R, Suzuki Y, Nakano A, Kasahara K, Hosoi H. Inactivation of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) by gaseous ozone treatment. J Hosp Infect. 2020;106(4):837–38. DOI: 10.1016/j.jhin.2020.10.004

Hudson JB, Sharma M, Vimalanathan S. Development of a practical method for using ozone gas as a virus decontaminating agent. Ozone Sci Eng. 2009;31(3):216–23. DOI: 10.1080/01919510902747969

Wang Q, Markland S, Kniel KE. Inactivation of human norovirus and its surrogates on alfalfa seeds by aqueous ozone. J Food Prot. 2015;78(8):1586–91. DOI: 10.4315/0362-028X.JFP-15-029

Sangsanont J, Kurisu F, Furumai H, Katayama H. Ozone disinfection kinetics of poliovirus 1 determined by cell culture assay, RT-qPCR and ethidium monoazide qPCR reduction in a continuous quench-flow reactor. J Appl Microbiol. 2020;129(6):1530–40. DOI: 10.1111/jam.14787

Blanchard EL, Lawrence JD, Noble JA, Xu M, Joo T, Ng NL, et al. Enveloped virus inactivation on personal protective equipment by exposure to ozone. Version 2. medRxiv. [Preprint]. 2020. DOI: 10.1101/2020.05.23.20111435

Khadre MA, Yousef AE. Susceptibility of human rotavirus to ozone, high pressure, and pulsed electric field. J Food Prot. 2002;65(9):1441–46. DOI: 10.4315/0362-028X-65.9.1441

Sánchez G. Processing strategies to inactivate hepatitis A virus in food products: A critical review. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2015;14(6):771–84. DOI: 10.1111/1541-4337.12154

Brié A, Boudaud N, Mssihid A, Loutreul J, Bertrand I, Gantzer C. Inactivation of murine norovirus and hepatitis A virus on fresh raspberries by gaseous ozone treatment. Food Microbiol. 2018;70:1–6. DOI: 10.1016/j.fm.2017.08.010

Ding N, Neumann NF, Price LM, Braithwaite SL, Balachandran A, Belosevic M, El-Din MG. Ozone inactivation of infectious prions in rendering plant and municipal wastewaters. Sci Total Environ. 2014;470-471:717–25. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2013.09.099

Hara H, Chida J, Pasiana AD, Uchiyama K, Kikuchi Y, Naito T, et al. Vaporized hydrogen peroxide and ozone gas synergistically reduce prion infectivity on stainless steel wire. Int J Mol Sci. 2021;22(6):e3268. DOI: 10.3390/ijms22063268

Ding N, Neumann NF, Price LM, Braithwaite SL, Balachandran A, Mitchell G, et al. Kinetics of ozone inactivation of infectious prion protein. Appl Environ Microbiol. 2013;79(8):2721–30. DOI: 10.1128/AEM.03698-12

Oliver JC, Bredarioli PAP, Leandro FD, Ferreira CBRJ, Veiga SMOM, Dias ALT. Ozone against Pseudomonas aeruginosa biofilms in contact lenses storage cases. Rev Inst Med Trop Sao Paulo. 2019;61:e23. DOI: 10.1590/S1678-9946201961023

Harada AMM, Nascimento MSS. Effect of dry sanitizing methods on Bacillus cereus biofilm. Braz J Microbiol. 2021;52(2):919–26. DOI: 10.1007/s42770-021-00451-0

Tiwari M, Scannell A, O’Donnell C. Effect of ozone in combination with cleaning in place reagent (CIP) to control biofilms of spore-formers in food process environment. Biosyst Food Eng Res Rev. 2017;22:93–96. Available from: https://www.researchgate.net/profile/Thomas-Curran-5/publication/320878105_Biosystems_and_Food_Engineering_Research_Review_22/links/5a008ebc4585159634bb4a60/Biosystems-and-Food-Engineering-Research-Review-22.pdf#page=102

Shao L, Dong Y, Chen X, Xu X, Wang H. Modeling the elimination of mature biofilms formed by Staphylococcus aureus and Salmonella spp. Using combined ultrasound and disinfectants. Ultrason Sonochem. 2020;69:e105269. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2020.105269

Shynkaryk MV, Pyatkovskyy TI, Yousef AE, Sastry SK. Gaseous ozone treatment of baby spinach within the existing production chain for inactivation of Escherichia coli O157:H7. J Food Eng. 2016;191:10–18. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2016.06.025

Hirahara Y, Iwata K, Nakamuro K. Effect of citric acid on prolonging the half-life of dissolved ozone in water. Food Saf (Tokyo). 2019;7(4):90–94. DOI: 10.14252/foodsafetyfscj.D-19-00005

Zhao YM, de Alba M, Sun DW, Tiwari B. Principles and recent applications of novel non-thermal processing technologies for the fish industry – a review. Crit Rev Food Sci Nutr. 2019;59(5):728–42. DOI:10.1080/10408398.2018.1495613

Magara Y, Itoh M, Morioka T. Application of ozone to water treatment and power consumption of ozone generating systems. Prog Nucl Energy. 1995;29(Suppl):175–82. DOI:10.1016/0149-1970(95)00041-H

Liu P, Song Y, Zhang Z. A novel dielectric barrier discharge (DBD) reactor with streamer and glow corona discharge for improved ozone generation at atmospheric pressure. Micromachines (Basel). 2021;12(11):e1287. DOI: 10.3390/mi12111287

Wang X, Wu D, Wu X. A long-term-stable continuous flow electrochemical ozone generator with high current efficiency. Sustain Energy Fuels. 2023;7(11):2680–89. DOI: 10.1039/d3se00258f

Subiksha PS. Ozone and its uses in root canal therapy – A review. J Pharm Sci Res. 2016;8(9):1073–76. Available from: https://www.jpsr.pharmainfo.in/Documents/Volumes/vol8Issue09/jpsr08091623.pdf

Wolkoff P, Clausen PA, Larsen ST, Hammer M, Nielsen GD. Airway effects of repeated exposures to ozone-initiated limonene oxidation products as model of indoor air mixtures. Toxicol Lett. 2012;209(2):166–72. DOI: 10.1016/j.toxlet.2011.12.008

Wiegman CH, Li F, Ryffel B, Togbe D, Chung KF. Oxidative stress in ozone-induced chronic lung inflammation and emphysema: A facet of chronic obstructive pulmonary disease. Front Immunol. 2020;11:1957. DOI: 10.3389/fimmu.2020.01957

Michaudel C, Mackowiak C, Maillet I, Fauconnier L, Akdis CA, Sokolowska M, et al. Ozone exposure induces respiratory barrier biphasic injury and inflammation controlled by IL-33. J Allergy Clin Immunol. 2018;142(3):942–58. DOI: 10.1016/j.jaci.2017.11.044

Valacchi G, Pagnin E, Corbacho AM, Olano E, Davis PA, Packer L, Cross CE. In vivo ozone exposure induces antioxidant/stress-related responses in murine lung and skin. Free Radic Biol Med. 2004;36(5):673–81. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2003.12.005

Gilmour MI, Park P, Selgrade MK. Ozone-enhanced pulmonary infection with streptococcus zooepidemicus in mice. The role of alveolar macrophage function and capsular virulence factors. Am Rev Respir Dis. 1993;147(3):753–60. DOI: 10.1164/ajrccm/147.3.753

Rangrazi A, Mirmortazavi A, Imani R, Nodehi D. Effect of ozone on corrosion behavior of a cobalt–chromium alloy used in removable partial denture framework: An in vitro study. J Adv Oral Res. 2021;12(2): 304–9. DOI:10.1177/23202068211015748

Pandiselvam R, Sunoj S, Manikantan MR, Kothakota A, Hebbar KB. Application and kinetics of ozone in food preservation. Ozone Sci Eng. 2017;39(2):115–26. DOI: 10.1080/01919512.2016.1268947

Li P, Wu C, Yang Y, Wang Y, Yu S, Xia S, Chu W. Effects of microbubble ozonation on the formation of disinfection by-products in bromide-containing water from Tai Lake. Sep Purif Technol. 2018;193:408–14. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.11.049

Manasfi T, Houska J, Gebhardt I, von Gunten U. Formation of carbonyl compounds during ozonation of lake water and wastewater: Development of a non-target screening method and quantification of target compounds. Water Res. 2023;237:e119751. DOI: 10.1016/j.watres.2023.119751

Koike K, Nifuku M, Izumi K, Nakamura S, Fujiwara S, Horiguchi S. Explosion properties of highly concentrated ozone gas. J Loss Prev Process Ind. 2005;18(4-6):465–68. DOI:10.1016/j.jlp.2005.07.020

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-09-29

Як цитувати

П’ятковський, Т. (2023). Застосування газоподібного озону та його водного розчину для інактивації патогенних мікроорганізмів: огляд літератури. Вісник медичних і біологічних досліджень, (3), 47–57. https://doi.org/10.61751/bmbr.2706-6290.2023.3.47

Номер

Розділ

Оригінальні дослідження