Diệt khuẩn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa diệt khuẩn

Diệt khuẩn (bactericidal activity) là quá trình tiêu diệt vi khuẩn bằng cách phá hủy cấu trúc tế bào hoặc chức năng sinh học của chúng, thường nhằm đạt mức giảm số lượng khuẩn lâm sàng hoặc an toàn theo yêu cầu. Thuật ngữ này phân biệt rõ với ức chế khuẩn (bacteriostatic), vốn chỉ dừng sự phát triển của vi khuẩn mà không tiêu diệt hoàn toàn.

Mục tiêu diệt khuẩn có thể bao gồm nhiều loại vi khuẩn Gram‑dương, Gram‑âm và một số vi khuẩn kỵ khí. Trong thực hành y tế, thực phẩm hay xử lý nước, thuật ngữ này được định nghĩa qua mức giảm log (log reduction) được chuẩn hóa, ví dụ giảm ≥5 log10 (99.999 %) được xem là diệt khuẩn hiệu quả với mục đích tiệt trùng cấp thấp hoặc trung.

Các phương pháp diệt khuẩn vật lý

Phương pháp vật lý tiêu diệt vi khuẩn thường dựa vào nhiệt, bức xạ hoặc áp lực để phá hủy màng tế bào và cấu trúc sinh học. Các cách phổ biến và ứng dụng tiêu biểu gồm:

• Autoclave (nhiệt ẩm áp suất): 121 °C, 15–20 phút, phù hợp cho dụng cụ y tế chịu nhiệt.
• Tia UV‑C (254 nm): phá hủy DNA vi khuẩn, dùng khử trùng không khí, bề mặt, nước.
• Siêu âm (cavitation): tạo bong bóng nổ phá tế bào, dùng trong dung dịch và chất lỏng.
• Lọc màng 0.22 µm: không tiêu diệt mà loại bỏ khuẩn trong dung dịch nhạy cảm như vaccine, huyết thanh.

Các thiết bị autoclave thường được xây dựng theo tiêu chuẩn EN 285 hoặc ANSI/AAMI ST79, yêu cầu giám sát áp suất, nhiệt độ và thời gian. Tiêu chuẩn tia UV‑C như EPA/OSHA khuyến nghị thời gian chiếu tùy cường độ nguồn sáng và khoảng cách từ nguồn đến bề mặt.

Các tác nhân hóa học diệt khuẩn

Chất hóa học diệt khuẩn hoạt động chủ yếu qua cơ chế phá vỡ màng tế bào, biến tính protein hoặc oxy hóa thành phần nội bào. Một số chất phổ biến:

• Cồn isopropyl 70 %: phá màng lipid, hiệu quả nhanh nhưng bay hơi nhanh, cần tiếp xúc ≥30 giây.
• Natri hypochlorite (0,5–1 %): oxy hóa enzyme, dùng khử trùng bề mặt, xử lý nước thải.
• Hydrogen peroxide 3–6 %: sinh gốc hydroxyl phá DNA và màng tế bào, áp dụng xử lý vết thương, bề mặt.
• Glutaraldehyde 2 %: khử khuẩn cấp cao cho nội soi, dụng cụ y tế không chịu nhiệt.

Các hóa chất này đều có hiệu quả diệt khuẩn tập trung và thời gian tiếp xúc nhất định. Ví dụ hydrogen peroxide 6 % cần ≥10 phút để đạt ≥5 log10 giảm vi khuẩn. Nồng độ, độ pH, nhiệt độ và chất hữu cơ hiện diện đều ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng.

Chỉ số diệt khuẩn và thử nghiệm

Hiệu quả diệt khuẩn được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu định lượng:

• Log reduction: giảm số lượng vi khuẩn theo cơ số 10. Ví dụ log reduction = 3 → giảm 99,9 %.
• D‑value: thời gian cần để giảm 90 % (1 log) vi khuẩn ở điều kiện xác định.

Công thức tính log reduction:

$\text{Log\,Reduction} = \log_{10}\left(\frac{N_0}{N}\right)$

Trong đó \(N_0\) là số vi khuẩn ban đầu và \(N\) là số vi khuẩn còn lại sau xử lý. Một thiết bị hoặc quy trình diệt khuẩn hiệu quả thường yêu cầu đạt mức giảm ≥4–6 log tùy tiêu chuẩn ứng dụng. Phương pháp thử nghiệm điển hình gồm spread plate, membrane filtration, zone inhibition test, và thử nghiệm theo ASTM E2197 hay EN 13697.

Ứng dụng diệt khuẩn trong y tế

Diệt khuẩn trong y tế giữ vai trò trọng yếu trong việc ngăn ngừa lây nhiễm chéo, bảo vệ bệnh nhân và nhân viên y tế khỏi nguy cơ nhiễm trùng bệnh viện (HAIs). Các dụng cụ y tế sau khi sử dụng phải trải qua quá trình khử khuẩn hoặc tiệt trùng tùy theo mức độ tiếp xúc với cơ thể người, tuân theo hệ thống phân loại Spaulding.

Phân loại Spaulding chia thiết bị y tế thành ba nhóm:

• Dụng cụ quan trọng: tiếp xúc với mô vô trùng hoặc máu → yêu cầu tiệt trùng (ví dụ: dao mổ, kim tiêm).
• Dụng cụ bán quan trọng: tiếp xúc niêm mạc → yêu cầu khử trùng cấp cao (ví dụ: ống nội soi).
• Dụng cụ ít quan trọng: tiếp xúc da lành → chỉ cần làm sạch hoặc khử khuẩn mức trung (ví dụ: ống nghe).

Phương pháp áp dụng trong y tế bao gồm hấp nhiệt ẩm (autoclave), khử trùng bằng khí ethylene oxide (EO), hydrogen peroxide plasma hoặc ngâm dung dịch glutaraldehyde. Việc lựa chọn phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc thiết bị, cũng như thời gian chu trình cho phép.

Diệt khuẩn trong công nghiệp thực phẩm và xử lý nước

Trong ngành thực phẩm, diệt khuẩn giúp kéo dài thời hạn sử dụng, ngăn ngừa bệnh truyền qua thực phẩm và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. Các phương pháp chính gồm:

• Thanh trùng (pasteurization): gia nhiệt 60–85°C trong vài phút để diệt vi khuẩn gây bệnh nhưng giữ lại chất lượng cảm quan.
• Tiệt trùng (sterilization): gia nhiệt ≥100°C trong thời gian dài hơn để diệt toàn bộ vi khuẩn và bào tử.
• Ozone, UV: diệt khuẩn bề mặt thực phẩm hoặc bao bì, không để lại dư lượng hóa học.

Trong xử lý nước, đặc biệt là nước sinh hoạt, quá trình diệt khuẩn giúp loại bỏ vi khuẩn gây bệnh như Escherichia coli, Salmonella hoặc Legionella. Các chất khử trùng thường dùng bao gồm chlorine (0.2–0.5 mg/L dư trong hệ thống phân phối), chloramine, ozone hoặc tia UV.

Theo US EPA, hệ thống xử lý nước phải đảm bảo đạt mức log reduction ≥4 đối với vi khuẩn và ≥5 với virus. Tùy vào chất lượng nguồn nước, phải bổ sung bước lọc trước khi áp dụng biện pháp khử khuẩn để tăng hiệu quả tiếp xúc hóa chất.

Cơ chế kháng diệt khuẩn của vi khuẩn

Một số vi khuẩn có khả năng sinh tồn trước tác nhân diệt khuẩn thông qua các cơ chế sinh học thích nghi, gây khó khăn trong xử lý và kiểm soát nhiễm khuẩn. Các cơ chế phổ biến gồm:

• Hình thành biofilm: lớp màng sinh học bảo vệ vi khuẩn khỏi tác nhân hóa học và vật lý.
• Thay đổi màng tế bào hoặc cấu trúc enzyme đích: làm giảm khả năng xuyên qua hoặc tác động của hóa chất.
• Tiết enzyme phân giải hóa chất: như catalase, peroxidase phân giải hydrogen peroxide.

Vi khuẩn kháng biofilm như Pseudomonas aeruginosa hay Staphylococcus aureus thường đòi hỏi các phương pháp xử lý tích cực hơn như ozone, chiếu UV công suất cao, hoặc kết hợp nhiệt và hóa chất. Việc sử dụng các chất diệt khuẩn sai nồng độ hoặc thời gian cũng góp phần tạo áp lực chọn lọc sinh ra chủng vi khuẩn kháng tác nhân diệt khuẩn.

So sánh diệt khuẩn và tiệt trùng

Mặc dù đôi khi bị sử dụng thay thế lẫn nhau, diệt khuẩn và tiệt trùng là hai khái niệm khác biệt trong kiểm soát vi sinh vật. Sự khác biệt chủ yếu nằm ở mức độ loại bỏ vi sinh và ứng dụng cụ thể.

Tiệt trùng là yêu cầu bắt buộc trong phòng mổ, phòng sạch, nghiên cứu vi sinh. Diệt khuẩn thường được sử dụng rộng rãi hơn, bao gồm cả sinh hoạt hàng ngày (rửa tay, lau bề mặt, khử trùng thực phẩm).

Yêu cầu an toàn và độc tính khi diệt khuẩn

Sử dụng sai cách các chất diệt khuẩn có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường. Một số hóa chất như chlorine, formaldehyde, hoặc glutaraldehyde có thể gây kích ứng, độc hại hoặc thậm chí sinh ung thư khi tiếp xúc lâu dài. Do đó, cần tuân thủ các nguyên tắc an toàn:

• Đọc kỹ bảng dữ liệu an toàn hóa chất (MSDS)
• Đeo thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE): găng tay, khẩu trang, kính
• Tránh pha trộn hóa chất không tương thích (ví dụ chlorine và acid tạo khí độc chlorine)
• Thông gió khu vực sử dụng hóa chất

Tiêu chuẩn quốc tế như OSHA HazCom và GHS (Globally Harmonized System) cung cấp hướng dẫn phân loại, ghi nhãn và lưu trữ chất diệt khuẩn một cách an toàn. Trong ngành công nghiệp, việc huấn luyện nhân viên định kỳ và thực hiện đánh giá rủi ro hóa chất là bắt buộc.

Kết luận

Diệt khuẩn là quá trình không thể thiếu trong kiểm soát an toàn sinh học, đặc biệt trong y tế, công nghiệp thực phẩm, và xử lý môi trường. Việc lựa chọn phương pháp, tác nhân và quy trình phù hợp phụ thuộc vào đặc tính vi khuẩn, bề mặt mục tiêu và mức độ khử khuẩn yêu cầu. Kết hợp giữa kiến thức vi sinh, công nghệ xử lý và an toàn hóa học là yếu tố quyết định thành công trong ứng dụng thực tế.