Towards a risk assessment model for biocide use

Joana Maria Rosado da Silva Coelho

Key information

Authors:

Joana Maria Rosado da Silva Coelho (Joana Maria Rosado da Silva Coelho)

Supervisors:

Ana Teresa Correia de Freitas (Ana Teresa Correia de Freitas)

Published in

June 30, 2014

Abstract

Biocides are chemical agents that have long been applied for the control or destruction of microorganisms in a wide range of applications. Such is the extent of their use, that it is now commonplace to find product labels mentioning one or more biocides, notably in food, soaps, toothpastes, garments, contact lenses solutions, building products, and even in toys and mobile phone accessories. Despite this widespread and ever increasing use of biocides, there is still some controversy on their impact to the development of resistant microorganisms. In this thesis, we aim to develop mathematical tools for risk assessment on the use of biocides in the context of emerging bacterial resistance. Given the large impact of this microorganism in the economic and healthcare system, we focused this work on analysing data from Staphylococcus aureus. Performing a risk assessment for biocide use is overly complex to be developed in one single stage. Therefore, we propose a novel framework, on the bacterial response to the threat of biocides, composed of three separate risk assessments: biocide resistance, induced antibiotic resistance, and bacterial contamination. This PhD thesis gives important contributions to the first two mentioned risk assessments, namely unveiling antimicrobial associations, modelling the inhibitory action of a biocide, and assembling a mechanistic model for resistance acquisition. We conclude this thesis with an integrated risk analysis, in which we enforce the importance of continuously studying and monitoring the effect of the antimicrobials available in the market. Os biocidas são compostos químicos muito utilizados para o controlo e destruição de microorganismos, numa grande variedade de aplicações. O seu uso é de tal forma extenso que, actualmente, é comum encontrar um ou mais biocidas referidos nos rótulos de produtos, nomeadamente em comida, sabonetes, pastas de dentes, vestuário, líquidos de lentes de contacto, materiais de construção, e até mesmo em brinquedos e acessórios para telemóveis. Apesar deste crescente uso de biocidas, ainda existe alguma controvérsia acerca do seu impacto no aparecimento de microorganismos resistentes. Esta tese tem como objectivo o desenvolvimento de ferramentas matemáticas para a avaliação de risco do uso de biocidas, no contexto de emergência de bactérias resistentes. Este trabalho é direcionado para a análise de dados de Staphylococcus aureus, um microorganismo com grande impacto económico e no sistema de saúde. Realizar uma avaliação de risco para biocidas é extremamente complexo para ser desenvolvido num único passo. Por conseguinte, propomos um novo sistema de avaliação, relativo à resposta das bactérias à ameaça dos biocidas, composto por três avaliações de risco, a designar: resistência a biocidas, resistência induzida a antibióticos e contaminação bacteriana. Esta tese de doutoramento introduz importantes contribuições para as duas primeiras avaliações de risco referidas, revelando associações antimicrobianas, modelando a acção inibitória de um biocida e construindo um modelo mecanístico para a aquisição de resistência. Concluímos esta tese com uma proposta de análise de risco integrada, na qual reforçamos a importância de continuamente estudar e monitorizar o efeito dos antimicrobianos disponíveis no mercado.