Removal of pathogenic bacterial biofilms by combinations of oxidizing compounds

Abstract

Bacterial biofilms are commonly formed on medical devices and food processing surfaces. The antimicrobials used have limited efficacy against the biofilms; therefore, new strategies to prevent and remove these structures are needed. Here, the effectiveness of brief oxidative treatments, based on the combination of sodium hypochlorite (NaClO) and hydrogen peroxide (H2O2) in the presence of copper sulfate (CuSO4), were evaluated against bacterial laboratory strains and clinical isolates, both in planktonic and biofilm states. Simultaneous application of oxidants synergistically inactivated planktonic cells and prevented biofilm formation of laboratory Escherichia coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium, Klebsiella pneumoniae, and Staphylococcus aureus strains, as well as clinical isolates of Salmonella enterica subsp. enterica, Klebsiella oxytoca, and uropathogenic E. coli. In addition, preformed biofilms of E. coli C, Salmonella Typhimurium, K. pneumoniae, and Salmonella enterica exposed to treatments were removed by applying 12 mg/L NaClO, 0.1 mmol/L CuSO4, and 350 mmol/L H2O2 for 5 min. Klebsiella oxytoca and Staphylococcus aureus required a 5-fold increase in NaClO concentration, and the E. coli clinical isolate remained unremovable unless treatments were applied on biofilms formed within 24 h instead of 48 h. The application of treatments that last a few minutes using oxidizing compounds at low concentrations represents an interesting disinfection strategy against pathogens associated with medical and industrial settings.

Des biofilms bactériens se forment souvent sur la surface de dispositifs médicaux et d’équipements de traitement des aliments. Puisque les antibiotiques actuels n’ont que peu d’emprise sur eux, il est nécessaire d’élaborer de nouvelles stratégies aptes a` prévenir et éliminer ces structures. Dans la présente étude, on a évalué l’efficacité de brefs traitements d’oxydants, basés sur une combinaison de NaClO et de H2O2 en présence de CuSO4, pour contrer des souches bactériennes de laboratoire et des isolats cliniques en phase planctonique ou sous forme de biofilm. L’application simultanée d’oxydants a inactivé les cellules planctoniques de manière synergique tout en prévenant la formation de biofilm formé par des souches de laboratoire d’Escherichia coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium, Klebsiella pneumoniae et Staphylococcus aureus ainsi que des isolats cliniques de Salmonella enterica subsp. enterica, Klebsiella oxytoca et E. coli uropathogène. En outre, des biofilms préformés d’E. coli C, Salmonella Typhimurium, K. pneumoniae et Salmonella enterica exposés aux traitements ont été éliminés en appliquant 12 mg/L de NaClO, 0,1 mmol/L de CuSO4 et 350 mmol/L de H2O2 pendant 5 min. On a eu besoin de 5 fois plus de NaClO pour venir a` bout de K. oxytoca et Staphylococcus aureus et l’isolat clinique d’E. coli était impossible a` éliminer a` moins de raccourcir la durée de formation de ses biofilms (24 h au lieu de 48 h). L’application d’une durée de quelques minutes de traitements a` base de substances oxydantes a` faibles concentrations représente une stratégie attrayante pour lutter contre les pathogènes associés aux installations médicales et industrielles.