medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2022-101-5-572-577medlit-2279Research ArticleМЕТОДЫ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙMETHODS OF HYGIENIC AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONSМикробиологический контроль качества сточной воды методом видовой идентификации микроорганизмов с применением MALDI-TOF MSMicrobiological quality control of wastewater by species identification of microorganisms using MALDI-TOF MShttps://orcid.org/0000-0002-8194-1536СтрелецкийАлексей ВладимировичStreletskiyAleksey V.

ФГБУ «ЦСП» ФМБА России, 119121, г. Москва.

e-mail: streletsky@cspmz.ru

For correspondence: Aleksey V. Streletskiy, Centre for Strategic Planning and Management of Medical and Biological Health Risks of the Federal Medical and Biological Agency, Moscow, 119121, Russian Federation.

e-mail: streletsky@cspmz.ru

streletsky@cspmz.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4795-0751СухинаМ. А.SukhinaMarina A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5098-5379АвтономоваА. В.AvtonomovaAnastasiya V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0260-6677ЕкатеринчеваЕ. С.EkaterinchevaEkaterina S.noemail@neicon.ruТолкачеваЛ. Р.TolkachevaLarisa R.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9728-3075ГрицюкО. В.GritsyukOlga V.noemail@neicon.ruНовожиловК. А.NovozhilovKonstantin A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3350-5753ВодяноваМ. А.VodyanovaMariya A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4772-9686ЗагайноваА. В.ZagainovaAngelika V.noemail@neicon.ruФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Федерального медико-биологического агентстваРоссияCenter for Strategic Planning and Management of Medical and Biological Health Risks of the Federal Medical and Biological AgencyRussian FederationФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Федерального медико-биологического агентства; ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр колопроктологии имени А.Н. Рыжих» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияCenter for Strategic Planning and Management of Medical and Biological Health Risks of the Federal Medical and Biological Agency; National Medical Research Center of Coloproctology named after A.N. RyzhikhRussian Federation2022070620221015572577Copyright © Стрелецкий А.В., Сухина М.А., Автономова А.В., Екатеринчева Е.С., Толкачева Л.Р., Грицюк О.В., Новожилов К.А., Водянова М.А., Загайнова А.В., 20222022Стрелецкий А.В., Сухина М.А., Автономова А.В., Екатеринчева Е.С., Толкачева Л.Р., Грицюк О.В., Новожилов К.А., Водянова М.А., Загайнова А.В.Streletskiy A.V., Sukhina M.A., Avtonomova A.V., Ekaterincheva E.S., Tolkacheva L.R., Gritsyuk O.V., Novozhilov K.A., Vodyanova M.A., Zagainova A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/2279Введение

Введение. Одной из главных задач оказания медицинской помощи при инфекционных заболеваниях является быстрое установление инфекционного агента. Не менее значима задача своевременного принятия профилактических мер в целях предотвращения кишечных инфекций, распространяющихся водным путём. Поэтому ускоренные методы идентификации микроорганизмов позволяют в краткие сроки установить степень микробного загрязнения воды, в том числе сточной, и, следовательно, их потенциальную опасность для водных объектов и здоровья человека.

Цель работы — оценить эффективность применения метода матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации времяпролётной масс-спектрометрии, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI-TOF MS), для идентификации бактерий при проведении микробиологического контроля качества сточной воды.

Материалы и методы

Материалы и методы. В рамках работы проводили бактериологический посев образцов сточной воды на этапе очистки с Курьяновской станции аэрации для определения индикаторных показателей в соответствии с МУ 2.1.5.800-99 «Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод» и МУК 4.2.1884-04 «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов», выделенные микроорганизмы идентифицировали с помощью MALDI-TOF MS и проводили секвенирование гена 16S рРНК.

Результаты

Результаты. Были исследованы и идентифицированы 5 штаммов музейных эталонных культур и 22 выделенных из проб сточных вод бактериальных изолята, выращенных на селективных средах (агар Эндо, энтерококк-агар и хромогенных средах), методом MALDI-TOF MS. Правильность видовой идентификации была подтверждена секвенированием специфических участков гена 16S рРНК.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Для бактерий рода Salmonella методом MALDI-TOF MS удалось достоверно идентифицировать только род.

Заключение

Заключение. В рутинной практике микробиологических исследований идентификация микроорганизмов основана на определении их культуральных, тинкториальных свойств, а также биохимической активности, определение которых требует больших финансовых и временных затрат. Применение метода MALDI-TOF MS позволяет существенно сократить время идентификации микроорганизмов и делает её возможной уже при появлении видимого роста микроорганизмов.

Участие авторов

Участие авторов: Стрелецкий А.В., Сухина М.А., Водянова М.А., Загайнова А.В. — концепция и дизайн исследования, статистическая обработка, написание текста, редактирование; Автономова А.В. — статистическая обработка, написание текста, редактирование; Екатеринчева Е.С., Толкачева Л.Р., Грицюк О.В., Новожилов К.А. — сбор и обработка материала, выполнение экспериментальной работы, статистическая обработка, написание текста, редактирование. Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование проведено в рамках НИР «Разработка унифицированных методов, включающих отбор проб, для осуществления определения микробиологического и паразитологического загрязнения сточных вод» (шифр «Сточные воды») № 145.001.21.6 от 12.11.2021 г.

Поступила

Поступила: 15.03.2022 / Принята к печати: 21.04.2022 / Опубликована: 31.05.2022

Introduction

Introduction. One of the main tasks of medical care for infectious diseases is the rapid identification of an infectious agent.

The purpose of the study is to evaluate the effectiveness of the MALDI mass spectrometry for identification bacteria for microbiological control of wastewater quality.

Materials and methods

Materials and methods. Samples of wastewater samples at the treatment stage from the Kuryanovskaya aeration station were analyzed in accordance with MU 2.1.5.800-99 “Management of state sanitary and epidemiological supervision of wastewater disinfection” by the identification method in accordance with MUK 4.2.1884-04 “Sanitary-microbiological and sanitary — parasitological water analysis of surface water bodies” with application MALDI-TOF MS and 16S rRNA gene sequencing.

Results

Results. 5 strains of museum reference cultures and 22 bacterial isolates from wastewater samples grown on selective media of Endo, Enterococcus and Chromococcus coliform agar were studied, identified by MALDI-TOF MS, and confirmed by sequencing of specific regions of the 16S rRNA gene in bacteria of the genus Salmonella by MALDI-TOF MS identified only gender.

Conclusion

Conclusion. In the routine practice of microbiological research, the identification of microorganisms is based on the determination of their cultural, tinctorial properties, and biochemical activity, the determination of which requires large financial and time costs. The use of the MALDI-TOF MS method makes it possible to reduce the time of identification of a microorganism when visible growth of microorganisms appears.

Contribution

Contribution: Streletskiy A.V., Sukhina M.A., Vodianova M.A., Zagainova A.V. — study concept and design, statistical processing, text writing, editing; Avtonomova A.V. — statistical processing, text writing, editing; Ekaterincheva E.S., Tolkacheva L.R., Gritsyuk O.V., Novozhilov K.A. — collection and processing of material, experimental work, statistical processing, text writing, editing. All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgement

Acknowledgement. The study had no sponsorship.

Received

Received: March 15, 2022 / Accepted: April 21, 2022 / Published: May 31, 2022

сточные водыобобщённые колиформные бактерииэнтерококкиE. coliMALDI-TOF MSсеквенирование гена 16S рРНКwastewatergeneralized coliform bacteriaenterococciE. coliMALDI-TOF MS16S rRNA gene sequencingReferencesBuszewski B., Rogowska A., Pomastowski P., Złoch M., Railean-Plugaru V. Identification of microorganisms by modern analytical techniques. J. AOAC Int. 2017; 100(6): 1607-23. https://doi.org/10.5740/jaoacint.17-0207Buszewski B., Rogowska A., Pomastowski P., Złoch M., Railean-Plugaru V. Identification of microorganisms by modern analytical techniques. J. AOAC Int. 2017; 100(6): 1607-23. https://doi.org/10.5740/jaoacint.17-0207Domon B., Aebersold R. Mass spectrometry and protein analysis. Science. 2006; 312(5771): 212-7. https://doi.org/10.1126/science.1124619Domon B., Aebersold R. Mass spectrometry and protein analysis. Science. 2006; 312(5771): 212-7. https://doi.org/10.1126/science.1124619Douthwaite S., Kirpekar F. Identifying modifications in RNA by MALDI mass spectrometry. Methods Enzymol. 2007; 425: 3-20. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(07)25001-3Douthwaite S., Kirpekar F. Identifying modifications in RNA by MALDI mass spectrometry. Methods Enzymol. 2007; 425: 3-20. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(07)25001-3Harvey D.J. Analysis of carbohydrates and glycoconjugates by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry: an update for 2015-2016. Mass Spectrom. Rev. 2021; 40(4): 408-565. https://doi.org/10.1002/mas.21651Harvey D.J. Analysis of carbohydrates and glycoconjugates by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry: an update for 2015-2016. Mass Spectrom. Rev. 2021; 40(4): 408-565. https://doi.org/10.1002/mas.21651Radionova A., Filippov I., Derrick P.J. In pursuit of resolution in time-of-flight mass spectrometry: A historical perspective. Mass Spectrom. Rev. 2016; 35(6): 738-57. https://doi.org/10.1002/mas.21470Radionova A., Filippov I., Derrick P.J. In pursuit of resolution in time-of-flight mass spectrometry: A historical perspective. Mass Spectrom. Rev. 2016; 35(6): 738-57. https://doi.org/10.1002/mas.21470Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M. Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules. Science. 1989; 246(4926): 64-71. https://doi.org/10.1126/science.2675315Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M. Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules. Science. 1989; 246(4926): 64-71. https://doi.org/10.1126/science.2675315De Carolis E., Vella A., Vaccaro L., Torelli R., Posteraro P., Ricciardi W., et al. Development and validation of an in-house database for matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry-based yeast identification using a fast protein extraction procedure. J. Clin. Microbiol. 2014; 52(5): 1453-8. https://doi.org/10.1128/jcm.03355-13De Carolis E., Vella A., Vaccaro L., Torelli R., Posteraro P., Ricciardi W., et al. Development and validation of an in-house database for matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry-based yeast identification using a fast protein extraction procedure. J. Clin. Microbiol. 2014; 52(5): 1453-8. https://doi.org/10.1128/jcm.03355-13Tanaka K., Waki H., Ido Y., Akita S., Yoshida Y., Yoshida T., Matsuo T. Protein and polymer analyses up to m/z 100 000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988; (8): 151-3.Tanaka K., Waki H., Ido Y., Akita S., Yoshida Y., Yoshida T., Matsuo T. Protein and polymer analyses up to m/z 100 000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988; (8): 151-3.Karas M., Bachmann D., Hillenkamp F. Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet laser desorption mass spectrometry of organic molecules. Anal. Chem. 1985; 57(14): 2935-9.Karas M., Bachmann D., Hillenkamp F. Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet laser desorption mass spectrometry of organic molecules. Anal. Chem. 1985; 57(14): 2935-9.Fenselau C., Demirev P.A. Characterization of intact microorganisms by MALDI mass spectrometry. Mass Spectrom. Rev. 2001; 20(4): 157-71. https://doi.org/10.1002/mas.10004Fenselau C., Demirev P.A. Characterization of intact microorganisms by MALDI mass spectrometry. Mass Spectrom. Rev. 2001; 20(4): 157-71. https://doi.org/10.1002/mas.10004Vaidyanathan S., Winder C.L., Wade S.C., Kell D.B., Goodacre R. Sample preparation in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of whole bacterial cells and the detection of high mass (>20 kDa) proteins. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002; 16(13): 1276-86. https://doi.org/10.1002/rcm.713Vaidyanathan S., Winder C.L., Wade S.C., Kell D.B., Goodacre R. Sample preparation in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of whole bacterial cells and the detection of high mass (>20 kDa) proteins. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002; 16(13): 1276-86. https://doi.org/10.1002/rcm.713Giebel R., Worden C., Rust S.M., Kleinheinz G.T., Robbins M., Sandrin T.R. Microbial fingerprinting using matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) applications and challenges. Adv. Appl. Microbiol. 2010; 71: 149-84. https://doi.org/10.1016/s0065-2164(10)71006-6Giebel R., Worden C., Rust S.M., Kleinheinz G.T., Robbins M., Sandrin T.R. Microbial fingerprinting using matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) applications and challenges. Adv. Appl. Microbiol. 2010; 71: 149-84. https://doi.org/10.1016/s0065-2164(10)71006-6Croxatto A., Prod’hom G., Greub G. Applications of MALDI-TOF mass spectrometry in clinical diagnostic microbiology. FEMS Microbiol. Rev. 2012; 36(2): 380-407. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2011.00298.xCroxatto A., Prod’hom G., Greub G. Applications of MALDI-TOF mass spectrometry in clinical diagnostic microbiology. FEMS Microbiol. Rev. 2012; 36(2): 380-407. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2011.00298.xHrabák J., Chudácková E., Walková R. Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (maldi-tof) mass spectrometry for detection of antibiotic resistance mechanisms: from research to routine diagnosis. Clin. Microbiol. Rev. 2013; 26(1): 103-14. https://doi.org/10.1128/cmr.00058-12Hrabák J., Chudácková E., Walková R. Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (maldi-tof) mass spectrometry for detection of antibiotic resistance mechanisms: from research to routine diagnosis. Clin. Microbiol. Rev. 2013; 26(1): 103-14. https://doi.org/10.1128/cmr.00058-12Huang A.M., Newton D., Kunapuli A., Gandhi T.N., Washer L.L., Isip J., et al. Impact of rapid organism identification via matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight combined with antimicrobial stewardship team intervention in adult patients with bacteremia and candidemia. Clin. Infect. Dis. 2013; 57(9): 1237-45. https://doi.org/10.1093/cid/cit498Huang A.M., Newton D., Kunapuli A., Gandhi T.N., Washer L.L., Isip J., et al. Impact of rapid organism identification via matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight combined with antimicrobial stewardship team intervention in adult patients with bacteremia and candidemia. Clin. Infect. Dis. 2013; 57(9): 1237-45. https://doi.org/10.1093/cid/cit498Kiehntopf M., Schmerler D., Brunkhorst F.M., Winkler R., Ludewig K., Osterloh D., et al. Mass spectrometry-based protein patterns in the diagnosis of sepsis / systemic inflammatory response syndrome. Shock. 2011; 36(6): 560-9. https://doi.org/10.1097/shk.0b013e318237ea7cKiehntopf M., Schmerler D., Brunkhorst F.M., Winkler R., Ludewig K., Osterloh D., et al. Mass spectrometry-based protein patterns in the diagnosis of sepsis / systemic inflammatory response syndrome. Shock. 2011; 36(6): 560-9. https://doi.org/10.1097/shk.0b013e318237ea7cvan Belkum A., Welker M., Erhard M., Chatellier S. Biomedical mass spectrometry in today’s and tomorrow’s clinical microbiology laboratory. J. Clin. Microbiol. 2012; 50(5): 1513-7. https://doi.org/10.1128/jcm.00420-12van Belkum A., Welker M., Erhard M., Chatellier S. Biomedical mass spectrometry in today’s and tomorrow’s clinical microbiology laboratory. J. Clin. Microbiol. 2012; 50(5): 1513-7. https://doi.org/10.1128/jcm.00420-12

The authors declare that there are no conflicts of interest present.