Inaktivierungskinetik von 280 nm UV

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2186 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Nicht-tuberkulöse Mykobakterien (NTM) sind opportunistische Erreger von Sanitäranlagen (OPPPs), die eine belastende, durch Wasser übertragene Atemwegserkrankung verursachen. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber chemischen Desinfektionsmitteln und dem erneuten Wachstum von Biofilmen in Trinkwasserverteilungssystemen kann die Behandlung besser mit kleinen UV-Desinfektionsgeräten am Point-of-Use (POU), beispielsweise an einem Wasserhahn oder Duschkopf, durchgeführt werden. Ultraviolette Leuchtdioden (UV-LEDs) sind für solche Anwendungen gut geeignet, für eines der wichtigsten NTM, Mycobacterium abscessus, liegen jedoch keine Daten zur Fluenz-Reaktion vor. In dieser Studie wurde ein 280-nm-UV-LED-Gerät im Labormaßstab verwendet, um M. abscessus in einer Wassermatrix zu bestrahlen. Das Fluence-Response-Profil war sigmoidal und zeigte sowohl Schulter- als auch Tailing-Phänomene. Eine einfache lineare Regression und das Inaktivierungskinetikmodell von Geeraerd ergaben k-Werte von 0,36 bzw. 0,37 cm2/mJ, was zeigt, dass M. abscessus UV-resistenter ist als Pseudomonas aeruginosa und Legionella pneumophila, was darauf hindeutet, dass NTM zu den UV-resistentesten gehören OPPPs. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass eine 280-nm-UV-LED-Bestrahlung eine wirksame und praktische Option zur Inaktivierung von M. abscessus an der POU sein kann. Von Desinfektionsgeräten, die eine Fluenz von 10 mJ/cm2 liefern können, wird erwartet, dass sie eine Inaktivierung von M. abscessus um fast 2 log (99 %) erreichen.

Weltweit haben im Jahr 2020 immer noch 2 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sicher verwalteter Trinkwasserversorgung, und mikrobiologisch kontaminiertes Trinkwasser verursacht schätzungsweise jedes Jahr 485.000 Todesfälle durch Durchfall1. Selbst in ausgereiften Trinkwassersystemen mit leistungsstarken Desinfektionsprozessen kam es zu einem Anstieg von Ausbrüchen aufgrund opportunistischer Sanitärerreger (OPPPs) (auch Biofilm-assoziierte Krankheitserreger genannt), die hauptsächlich aus nichttuberkulösen Mykobakterien (NTM), Legionella spp. und anderen bestehen Pseudomonas spp., die aufgrund des selektiven Drucks in den Bedingungen des Trinkwasseraufbereitungs- und -verteilungssystems dominieren können2. Diese Krankheitserreger sind resistent gegen chemische Desinfektion, können mit frei lebenden Amöben assoziieren und wachsen nachweislich in Wasserverteilungssystemen und insbesondere in den Sanitäranlagen von Gebäuden. Dort führen lange Verweilzeiten, geringe Restdesinfektionsmittelmengen und unzureichende Warmwassertemperaturen dazu, dass sich OPPPs vermehren und in Biofilmen verbleiben. Klinisch wurden OPPPs mit Ausbrüchen in Verbindung gebracht und stellen eine dauerhafte Expositionsquelle dar, insbesondere für gefährdete Personen. Aus diesen Gründen wurden Arten der drei oben genannten Gattungen in die Fünfte Kandidatenliste für Trinkwasserkontaminanten (CCL 5)3 der US-Umweltschutzbehörde (US EPA) aufgenommen, eine „Liste von Kontaminanten, die derzeit keinem vorgeschlagenen oder verkündeten nationalen Gesetz unterliegen“. Es ist jedoch bekannt oder wird erwartet, dass sie in öffentlichen Wassersystemen vorkommen.“

Um die wichtigsten durch Wasser übertragenen Krankheitserreger zu identifizieren, untersuchten Collier et al.4 17 durch Wasser übertragene Infektionskrankheiten in den USA und stellten fest, dass die OPPPs (NTM, Pseudomonas, Legionella) zwar nicht für die meisten Fälle verantwortlich waren, aber die meisten Krankenhauseinweisungen und Todesfälle verursachten . Von den insgesamt 7.150.000 im Inland erworbenen durch Wasser übertragenen Krankheiten wurden schätzungsweise 68.900 (NTM-Infektion), 15.900 (Pseudomonas-Pneumonie) und 11.000 (Legionärskrankheit) durch OPPPs verursacht. OPPPs führten zu besonders hohen Hospitalisierungsraten von 74,8 % (NTM-Infektion), 97,2 % (Pseudomonas-Pneumonie) und 98,1 % (Legionärskrankheit). NTM-Infektionen verursachten die meisten Krankenhauseinweisungen (51.400), gefolgt von Otitis externa (23.200) und Pseudomonas-Pneumonie (15.500). Unter den insgesamt 6.630 Todesfällen dominierten erneut OPPPs, die schätzungsweise 3.800 (NTM-Infektion), 730 (Pseudomonas-Pneumonie) und 995 Todesfälle (Legionärskrankheit) ausmachten. Insgesamt waren 83 % aller durch Wasser übertragenen Todesfälle im Inland auf die Übertragung von Atemwegserkrankungen zurückzuführen. Die gesamten direkten Gesundheitskosten von durch Wasser übertragenen Krankheiten in den USA wurden auf 3,33 Milliarden US-Dollar geschätzt, wobei die drei OPPP-bedingten Krankheiten (die im Inland erworbene, durch Wasser übertragene Atemwegserkrankungen darstellen) 2,39 Milliarden US-Dollar (71,8 %) ausmachten. Die NTM-Infektion war insgesamt die teuerste Krankheit (1,53 Milliarden US-Dollar), gefolgt von Otitis externa (564 Millionen US-Dollar) und Pseudomonas-Pneumonie (453 Millionen US-Dollar). Im Gegensatz zu historischen Studien vor der weit verbreiteten Wasseraufbereitung und Abwasserentsorgung haben Collier et al. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die heutige durch Wasser übertragene Krankheitslast hauptsächlich von Umweltpathogenen (z. B. OPPPs) herrührt, im Gegensatz zu enterischen Pathogenen, die vor der Verbreitung leicht behandelt werden können.

Aufgrund ihrer erheblichen Gesundheitskosten/-belastung und der steigenden Inzidenzraten wurden NTM als Schwerpunkt dieser Studie ausgewählt. NTM sind Mykobakterien, die keine Tuberkulose oder Lepra verursachen. Sie werden in langsam wachsende Mykobakterien (SGM) und schnell wachsende Mykobakterien (RGM) unterteilt, die im Allgemeinen klinisch durch den M. avium-Komplex (MAC; bestehend aus M. avium, M. intrazelluläre und M. chimaera) und M. abscessus repräsentiert werden Komplex (MABS; bestehend aus den Unterarten M. a. abscessus, M. a. massiliense und M. a. bolletii). Die relative Prävalenz der beiden Typen hängt mit der Geographie zusammen – RGM macht weltweit 10–20 % der NTM-Isolate aus, in Teilen Ostasiens jedoch bis zu 50 %5. Beide sind wichtige Trinkwasserverunreinigungen – MAC ist seit CCL 1 (1998) Teil der CCL der US-Umweltbehörde EPA, während M. abscessus kürzlich zu CCL 5 hinzugefügt wurde. Eine NTM-Infektion manifestiert sich am häufigsten als chronische Lungenerkrankung6 und epidemiologische Studien aus Nordamerika , Europa, Asien und Australien haben in den letzten zwei Jahrzehnten steigende NTM-Inzidenzraten festgestellt7. Die Behandlung ist schwierig und erfordert eine Multimedikamententherapie über lange Zeiträume (manchmal Jahre), und möglicherweise ist eine Operation erforderlich8. Natürliche Gewässer und Trinkwasser bilden die Hauptquelle für die Infektion des Menschen mit NTM9. NTM sind opportunistische Krankheitserreger und können robuste Biofilme bilden und in feuchten Umgebungen, wie z. B. kommunalen Wasserverteilungssystemen und Haushaltsinstallationssystemen, überleben10. Zwar ist es mit herkömmlichen Behandlungslinien möglich, eine einigermaßen effiziente (ungefähr 2 Logarithmus) Reduzierung des NTM zu erreichen9, aber das erneute Wachstum macht die Behandlung in diesem Stadium zu einem vergeblichen Aufwand. Studien haben einen 10- bis 25.000-fachen Anstieg von NTM in Verteilungssystemen im Vergleich zu Auslässen von Kläranlagen festgestellt, selbst wenn die Zahlen am Auslass sehr gering oder manchmal nicht nachweisbar waren9,11. Letztendlich zeigen die meisten Studien zu häuslichen Wassersystemen, dass Sanitärsysteme im Allgemeinen und oft dauerhaft von Mykobakterien besiedelt sind, unabhängig von der Wasserquelle, der Aufbereitung oder der Wasserqualität12. Darüber hinaus geht man davon aus, dass die Hauptquelle einer Lungeninfektion das Einatmen von NTM-haltigen Aerosolen ist, insbesondere aus Duschköpfen13. Mehrere Studien haben identische Genotypen in klinischen und umweltbedingten Isolaten aus Duschkopf- und Leitungswasser identifiziert14. Gebert et al.15 analysierten Duschkopf-Biofilmproben aus 656 Haushalten in den USA und Europa und fanden eine Übereinstimmung zwischen Regionen, in denen Duschköpfe eine hohe Häufigkeit von zwei pathogenen NTM-Linien (MAC und MABS) enthielten, und Regionen mit hohen Raten an NTM-Lungenerkrankungen. Daher wurde vorgeschlagen, dass sich die NTM-Behandlung auf die UV-Behandlung am Einsatzort (Point-of-Use, POU) und nicht auf die Wasseraufbereitungsanlage konzentrieren sollte, um die chronische Exposition gegenüber pathogenem NTM zu verringern16,17. Einige NTM-Arten weisen eine Photoreparatur von UV-Schäden auf, die bei der Behandlung von Trink- oder Abwasser mit UV-Strahlung berücksichtigt werden muss18. Darüber hinaus ist bekannt, dass Mykobakterien aufgrund ihrer einzigartigen lipidreichen Zellwände allgegenwärtig verklumpen19. Auch in natürlichen Gewässern und im Trinkwasser kann es aufgrund einfacher Aggregation oder Ablösung von Biofilmen zu Verklumpungen kommen. Da die Verklumpung Mikroben vor UV-Strahlung schützen und dadurch die wahrgenommene Inaktivierungskinetik dieses Mikroorganismus beeinflussen kann, muss die Auswirkung der Verklumpung auf die UV-Behandlung von NTM berücksichtigt werden.

Vor kurzem hat sich die UV-Leuchtdiode (UV-LED) als neuartige UV-Strahlungsquelle herausgestellt, die das Potenzial hat, herkömmliche Quecksilber-UV-Lampen zu ersetzen, ähnlich wie sichtbare LEDs Leuchtstoff- und Glühlampen ersetzen20. Zu den Hauptvorteilen von UV-LEDs gehören geringe Größe, hohe Haltbarkeit, Designflexibilität, die Möglichkeit, Wellenlängen anzupassen, keine Aufwärmphase, kein Quecksilber und eine lange Lebensdauer (erreicht für UVA/UVB und zunehmend für UVC-LEDs)21. Die 265-nm- und 280-nm-UV-LEDs sind aufgrund der Nähe ihrer Emissionspeaks zu denen der Nukleotidabsorption (ca. 260–265 nm) üblich, während 280-nm-UV-LEDs für den praktischen Einsatz eine höhere elektrische Effizienz aufweisen22. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich UV-LEDs für traditionell nicht realisierbare Anwendungen, z. B. für die POU-Desinfektion von Wasser in ländlichen Gebieten oder Entwicklungsländern23 oder für den Einbau in einen Duschkopf24 oder andere Sanitärarmaturen. Um UV-Reaktoren für eine bestimmte Desinfektionsleistung zu entwerfen, muss die Fluenzreaktion des Zielmikroorganismus auf UV-Strahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Emissionsspektrums bekannt sein – wobei zu berücksichtigen ist, dass verschiedene Mikrobenarten unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten im keimtötenden UV-Bereich aufweisen25, heißt es Es ist nicht möglich, einfach die Fluenzreaktion eines Mikroorganismus auf 254-nm-Licht einer Niederdruck-UV-Lampe (LP-UV) zu nutzen, um ein Gerät zu entwerfen, das UV-LEDs einer anderen Wellenlänge oder eines anderen Emissionsspektrums verwendet. Aktuelle Daten zur Fluenz-Reaktion für NTM sind rar, und nach unserem besten Wissen gibt es keine Studien, die über die Fluenz-Reaktion von M. abscessus auf irgendeine UV-Quelle berichtet haben. Ziel dieser Studie ist es daher, die Fluenzreaktion von M. abscessus ATCC 19977 (Typstamm) auf 280 nm UV-LED-Licht in einer Wassermatrix darzustellen. Von den Ergebnissen wird erwartet, dass sie (1) die UV-Empfindlichkeit eines vorrangigen Krankheitserregers, NTM, im Trinkwasser und seine Behandlungsstrategien aufklären; und (2) das Design von UV-Reaktoren unterstützen, insbesondere für UV-LED-Desinfektionseinheiten an der POU, wo NTM am besten behandelt werden.

Eine Reinkultur von Mycobacteroides abscessus ATCC 19977 (American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA) (homotypisches Synonym Mycobacterium abscessus ATCC 19977) wurde vermehrt und bei –80 °C gehalten, und die zweite Passage wurde zur Bestrahlung verwendet. Die Stammlösung wurde in 10 ml Gesamtvolumen Middlebrook 7H9-Brühe (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) mit 10 % (v/v) Middlebrook ADC Enrichment (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) und Glycerin (2 ml) kultiviert /L). Das Röhrchen wurde 46 Stunden lang bis zur späten Log-Phase bei 37 °C unter Schütteln inkubiert. Die Suspension wurde dreimal in phosphatgepufferter Lösung (PBS, pH 7,4) gewaschen und zur Bestrahlung auf etwa 106 koloniebildende Einheiten pro 1 ml (KBE/ml) in PBS verdünnt. Die verbleibende Konzentration lebensfähiger Mikroorganismen wurde mithilfe eines CFU-Assays bestimmt. Einhundert Mikroliter der bestrahlten Lösung wurden in zweifacher Ausfertigung auf Middlebrook 7H10-Agarplatten (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) ausgebreitet, die 10 % (v/v) Middlebrook OADC Enrichment (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) enthielten Glycerin (5 ml/L). Die Platten wurden in Parafilm® „M“ (Bemis, Neenah, WI, USA) eingewickelt und bei 37 °C im Dunkeln inkubiert. Die Kolonien wurden nach 7 Tagen gezählt.

Das UV-LED-Gerät bestand aus 4 nach unten gerichteten UV-LEDs, die auf einer kreisförmigen Leiterplatte montiert waren. Auf der Rückseite der Platine befand sich ein Kühlkörper mit Wärmeleitpaste, ein Lüfter sorgte für Kühlung. UV-LEDs (Nikkiso Giken Co. Ltd., Ishikawa, Japan) hatten eine Spitzenemissionswellenlänge von 280 nm. Die UV-LEDs wurden von einem Netzteil betrieben, das einen konstanten Strom von 544 mA bei 55,1 V lieferte. Abbildung 1 zeigt das UV-LED-Gerät, seine Abmessungen unter den Bestrahlungsbedingungen und das Emissionsspektrum der UV-LED-Platine, gemessen von a Spektroradiometer (USR-45DA, Ushio Inc., Tokio, Japan).

(a) UV-LED-Gerät. (b) Emissionsspektrum der UV-LED-Platine, gemessen mit einem Spektroradiometer. (c) Abmessungen des UV-LED-Aufbaus unter den Bestrahlungsbedingungen.

Aufgrund der stabilen Quantenausbeute von 1,25 für die Fe2+-Erzeugung im Bereich von 260–340 nm26 wurde die Ferrioxalat-Aktinometrie zur Bestimmung der Fluenzrate gewählt. Die durchschnittliche Oberflächenfluenzrate wurde nach der Methode von Bolton und Kollegen27 mit 1,39 mW/cm2 gemessen. Da es sich bei diesem Wert um eine Oberflächenmessung handelte, wurde er gemäß dem Protokoll von Bolton und Linden28 um den Wasserfaktor (der die Absorption durch die Lösung berücksichtigt) und den Divergenzfaktor (der die Abnahme der Bestrahlungsstärke aufgrund der Strahldivergenz durch die Lösung berücksichtigt) angepasst Ergeben Sie eine durchschnittliche Fluenzrate von 1,06 MW/cm2 während der gesamten Lösung. Fluenz wurde als Produkt dieser Fluenzrate und Expositionszeit berechnet.

Fünf Milliliter der mikrobiellen PBS-Suspension wurden aliquotiert in Petrischalen mit einem Innendurchmesser von 2,66 cm und einer Tiefe von 0,91 cm. Petrischalen wurden unter den UV-LEDs platziert und während der Bestrahlung mit einem kleinen Rührstab gerührt. Die Schalen wurden für Null und die angegebene Belichtungszeit t bestrahlt, um N0 und Nt zu erhalten, die KBE/ml zum Zeitpunkt Null bzw. für die angegebene Belichtungszeit t. Drei Chargen der Petrischalen wurden in zufälliger Reihenfolge bestrahlt. Die Bestrahlung wurde unter gelbem Licht durchgeführt, um die Photoreaktivierung zu minimieren.

Der lineare Teil der Fluenz-Reaktionskurve wurde an ein einfaches logarithmisch-lineares Modell29 angepasst, das beschrieben wird durch:

wobei N0 und Nt wie zuvor definiert sind, k die fluenzbasierte Inaktivierungsratenkonstante (cm2/mJ) und F die Fluenz (mJ/cm2) zum Zeitpunkt t ist.

Im Fall einer sigmoidalen Fluence-Response-Kurve wurde zum Vergleich das Inaktivierungskinetikmodell von Geeraerd et al.30 verwendet, das sowohl Schulter- als auch Tailing-Effekte berücksichtigt:

Dabei stellt Nres eine resistente Subpopulation oder den Effekt experimenteller Artefakte (KBE/ml) dar, k ist die Inaktivierungsratenkonstante durch nichtlineare Anpassung (cm2/mJ) und tl ist die Schulterlänge (mJ/cm2).

Die Regressionsanalyse wurde mit GraphPad Prism 9 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA) durchgeführt. Für die nichtlineare Kurve wurde die Anpassungsgüte mithilfe des quadratischen Mittelfehlers (Root Mean Square Error, RMSE) bewertet, wobei niedrigere Werte eine bessere Anpassung anzeigen, während für das logarithmisch lineare Modell das Bestimmtheitsmaß (R2) verwendet wurde.

Die Fluenz-Reaktionskurve von M. abscessus in PBS, die 280 nm UV-LED-Licht ausgesetzt wurde, ist in Abb. 2 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass 280 nm UV-LED-Bestrahlung eine erhebliche keimtötende Wirkung auf M. abscessus hat. Selbst einige im Handel erhältliche ultrakompakte 280-nm-UV-LED-POU-Wasserdesinfektionsgeräte31, die 10–40 mJ/cm2 liefern können, würden voraussichtlich eine Inaktivierung von M. abscessus um ~ 2 bis > 4 log erreichen. Untersuchungen an den distalen Standorten von Trinkwasserverteilungssystemen haben Gesamtkonzentrationen kultivierbarer Mykobakterien von 10 bis 3500 KBE/L32 ergeben. Wir empfehlen, von UV-geführte Desinfektionseinheiten mit Fluenzen> ~ 15 MJ/CM2 ausgelegt zu werden, um die M. abscessus-Fraktion praktisch zu beseitigen.

Fluenz-Reaktionsprofil für M. abscessus in PBS-Lösung, exponiert mit 280 nm UV-LED-Strahlung. Dargestellt sind Regressionskurven, die auf einem logarithmisch-linearen Modell (rote gepunktete Linie) und dem Geeraerd-Modell (grüne Linie) basieren. Jeder Datenpunkt ist der Mittelwert (n = 3) und Fehlerbalken stellen den Wertebereich dar.

Es wurde eine sigmoidale Kurve mit „Schulter“- und „Schwanz“-Bereichen beobachtet. Unsere Beobachtung der Schulterbildung steht im Einklang mit zwei Studien16,33 an M. avium unter Verwendung von Quecksilberlampen. Zu den vorgeschlagenen Erklärungen für die Schulterregion gehören: (1) das Vorhandensein klumpiger Mikroorganismen, bei denen die Kolonienbildung erst gestört wird, wenn alle Mitglieder des Klumpens inaktiviert werden; (2) ein Zustand, bei dem die Resyntheserate einer lebenswichtigen Komponente die Rate ihrer Zerstörung übersteigt34; und (3) die Notwendigkeit, eine große Anzahl einer oder mehrerer Arten kritischer Komponenten zu zerstören (Single-Hit-Multiple-Target-Phänomen)35. Gründe für das Tailing können das Vorhandensein einer resistenten Subpopulation oder experimentellen Artefakte (NRES), einschließlich erneut des Klumpeneffekts30, umfassen. Coohill und Sagripanti36 stellten fest, dass die Tailing-Bildung für bis zu 6 log-Inaktivierungen bei denselben Bakterien gemildert wurde, nachdem die Verklumpung kontrolliert wurde. Bohrerova und Linden37 berichteten über eine verstärkte UV -Desinfektionseffizienz von Abwassersuspensionen von M. terrae, bei denen große Partikel durch Filtration entfernt wurden. Mykobakterien sind aufgrund ihrer dicken, wachsartigen Zellwände 38,39,40 besonders anfällig für Kultur, und bei Suspensionen von M. abscessus sowohl aus festem und flüssigem Medien41,42 wurde eine signifikante Klumpen beobachtet. Somit war die Verklumpung wahrscheinlich eine Ursache für die in dieser Studie beobachteten Schulter- und Tailing-Phänomene. Die Schulterlänge (TL) betrug 4,1 mJ/cm2, was mehr als die zuvor gemeldete 22 bei 280 nm für Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa (1,95 mJ/cm2 bzw. 1,01 mJ/cm2), jedoch weniger als die von Bacillus subtilis sporen (Sporen (Sporen 8,24 mJ/cm2). Interessanterweise fällt die Inaktivierungsrate-Konstante von M. abscessus (unten diskutiert) ebenfalls zwischen denen der oben genannten Mikroorganismen, was auf eine mögliche Korrelation zwischen Schulterlänge und UV-Sensitivität hinweist.

Die Modellparameter, Maße der Anpassungsgüte und Fluenzen entsprechend der 1-, 2-, 3- und 4-Log-Inaktivierung sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das logarithmisch-lineare Modell wurde nur an den linearen Teil der Kurve angepasst und ergab einen R2-Wert von 0,984. Bei der Anpassung an die Gesamtform der sigmoidalen Form wurde das Modell von Geerds Modell mit einem RMSE von 0,138 zur Verfügung gestellt.

Der k-Wert spiegelt die UV-Empfindlichkeit von Mikroorganismen wider. Da Fluence das Produkt der Fluenzrate (im Allgemeinen konstant in einem Batch-Experiment) und Expositionszeit ist, können sowohl die Fluence-basierte (CM2/MJ) als auch die zeitbasierte (s-1) Inaktivierungsrate-Konstanten definiert werden. In dieser Diskussion und diesem Vergleich werden nur fluenzbasierte Inaktivierungsgeschwindigkeitskonstanten verwendet. Da die Fluenzantwort von M. abscessus auf UV zuvor nicht nach bestem Wissen berichtet wurde, wurden für den Vergleich Studien zu MAC, anderen NTM und Referenzmikroorganismen bei der Desinfektion von Trinkwasser ausgewählt. Der Vergleich von k-Werten aus jüngsten Studien ist in Tabelle 2 gezeigt. Für die Vollständigkeit sind Daten für ähnliche UV-geführte Wellenlängen sowie LP UV (monochromatisch bei 253,7 nm) und mittlerer Druck UV (MP UV; polychromatisch im Wellenlängenbereich von (ca. 185–600 nm) wurden einbezogen, wenn für den Mikroorganismus keine 280-nm-UV-LED-Daten verfügbar waren. Da die UV-Sensitivität aufgrund unterschiedlicher Absorption durch Nukleotide und andere Biomoleküle43 erheblich von der Wellenlänge abhängt, ist es unangemessen, K-Werte für unterschiedliche Wellenlängen direkt zu vergleichen. Basierend auf Studien mit einer ähnlichen Methodik22,44 zeigen die Werte von K280 (Fluence-basierte Inaktivierungsrate bei 280 nm), dass M. abscessus resistenter ist als P. aeruginosa und L. pneumophila und viel weniger resistent als adenovirus, MS2-Koliphage, Coliphage, Bakteriophage Qβ und B. subtilis-Sporen. Der k280-Wert von M. abscessus betrug in dieser Studie etwa das 0,64-fache des von E. coli (k280 = 0,56 cm2/mJ, k254 = 0,81 cm2/mJ)22. Nach Hayes et al.16 betrug der durchschnittliche K254 aus drei M. avium -Isolaten 0,41 cm2/mj, was etwa 0,51 mal der K254 von Rattanakul und Oguma22 für E. coli entspricht. Shin et al.45 berichteten für zwei M. avium -Isolate A K254 von 0,17 cm2/mj, was 0,21 -fach ist, was von Rattanakul und Oguma22 für E. coli berichtet wurde, und stellten fest, dass ihre Isolate viel resistenter waren als die meisten Protozoanparasiten und pathogenen Bakterien und vergleichbar mit vielen pathogenen Viren, aber nicht so resistent wie Rotavirus oder Adenovirus. Aus Gründen der methodischen Unterschiede und der Annahme einer gewissen Ähnlichkeit der UV-Sensitivität innerhalb von NTM scheinen unsere Ergebnisse mit denen aus M. avium-Studien und dem Gesamtempfindlichkeitsmuster von Referenzwasserpathogenen übereinzustimmen.

Angesichts der Mikroorganismen, die typischerweise für die Validierung von UV-Reaktoren verwendet werden, war es schwierig, einen Ersatzmikroorganismus zu identifizieren, der sowohl eine ähnliche UV-Empfindlichkeit als auch eine ähnliche Fluenz-Reaktionskurve (d. h. mit Schulter- und Schwanzbildung) wie M. abscessus aufweist. Obwohl seine Inaktivierungskinetik logarithmisch linear ohne Shouldering oder Tailing verläuft, weist T1UV, ein doppelsträngiges DNA-Virus, das üblicherweise als Ersatz für die Reaktorvalidierung verwendet wird, eine vergleichbare UV-Empfindlichkeit wie M. abscessus auf. Ward et al.46 fanden eine logarithmisch lineare Fluenz-Reaktionskurve für T1UV mit einem k254 von 0,23 cm2/mJ, was darauf hindeutet, dass T1UV etwas weniger empfindlich gegenüber UV ist als M. abscessus (k280 = 0,356 cm2/mJ). Beck et al.25 berichteten über Fluenzen (± 95 % KI) von 4,3 (± 0,4), 8,5 (± 0,9), 12,8 (± 1,3) und 17,0 (± 1,8) mJ/cm2, um 1, 2, 3 und zu erreichen 4-Log-Inaktivierung von T1UV mit einem abstimmbaren 253,7-nm-Laser. Die Gruppe lieferte auch die relative spektrale Empfindlichkeit (Aktionsspektrum) von T1UV und zeigte, dass die UV-Empfindlichkeit von T1UV gegenüber 253,7-nm- und 280-nm-Strahlung ähnlich ist. Die Fluenzen für die 1- und 2-Log-Inaktivierung von T1UV sind etwas niedriger als die für M. abscessus, und die für die 3- und 4-Log-Inaktivierung sind etwas höher als die für M. abscessus. Diese Änderung kann auf eine Schulterbildung in der Fluenz-Reaktionskurve von M. abscessus zurückzuführen sein, die bei niedrigen Fluenzen zu einer geringeren wahrgenommenen UV-Empfindlichkeit führen kann. Weitere Studien, insbesondere mit Kontrollen zur Verklumpung, sollten durchgeführt werden, um die Eignung von T1UV als Ersatzmikroorganismus für M. abscessus bei 280 nm zu bestätigen.

Die Anfälligkeit von Mykobakterien und ausgewählten neu auftretenden Krankheitserregern gegenüber LP-UV, freiem Chlor, Chloraminen, Ozon und Chlordioxid wurde von Jacangelo et al.47 verglichen. Die Daten zeigten, dass Mykobakterien (vertreten durch M. avium und M. fortuitum) bei fast allen Desinfektionsmitteln, insbesondere aber bei chemischen Desinfektionsmitteln, zu den resistentesten Mikroben gehören. Taylor et al.48 untersuchten die Auswirkungen von Chlor, Chloramin, Chlordioxid und Ozon auf fünf M. avium-Isolate und fanden für Chlor einen CT99,9 % (das Produkt aus der Desinfektionsmittelkonzentration (in Teilen pro Million) und der Zeit). (in Minuten) bis 99,9% Inaktivierung) Werte im Bereich von 51 bis 204. Diese Werte waren 580–2300 -mal höher als die für E. coli. Für Chlordioxid und Ozon waren die Werte von CT99,9% über 100- bzw. 50-fach (jeweils) als die für E. coli. Die Verklumpung wurde kontrolliert und man kam zu dem Schluss, dass die meisten M. avium-Stämme gegenüber den vier untersuchten chemischen Desinfektionsmitteln äußerst resistent waren. Solche hohen CT -Werte legen nahe, dass chemische Desinfektion keine wirksame Methode zur Kontrolle von Mykobakterien ist. Im Gegensatz dazu deuten unsere Ergebnisse und die Literatur darauf hin, dass Mykobakterien bei üblichen UV-Desinfektionsfluenzen (typischerweise 40 mJ/cm2 in Großreaktoren und 10–40 mJ/cm2 in einigen UV-LED-POU-Wasserdesinfektionsgeräten) wirksam inaktiviert werden können.

Im Zusammenhang mit OPPPs und POU-Trinkwasserbehandlung wurden mehrere Strategien um die POU vorgeschlagen, um die Exposition gegenüber NTM- und NTM-beladenen Aerosols49 zu verringern. Dazu gehören: Wasserkocherüberwachung, Erhöhung der Temperatur des Warmwasserbereiters auf 55 ° C, das Umschalten von Rohrleitungen auf Brunnenwasser, die Installation mikrobiologischer Filter von NTM, ohne ihren Durchgang zu verhindern), die Duschköpfe durch große Löcher ersetzen, die Duschköpfe monatlich desinfizieren, die Aerosole mit Badezimmer reduzieren, Belüfter aus Wasserhähnen entfernen und 10 Minuten mit kochendem Wasser kocht. Viele dieser Strategien sind ineffizient, zeitaufwändig, möglicherweise nicht realisierbar oder können neue Probleme einführen, und die meisten verringern das Risiko einer NTM-Exposition in gewissem Maße nur. Jüngste Studien zu POU-Desinfektionsmethoden für NTM betrachten im Allgemeinen Filtrations- oder UV-basierte Methoden als die machbarsten, effizientesten und niedrigsten 50. Falkinham49 stellt fest, dass Wasserfilter mit ≤ 0,2 μm Porengrößen den Durchgang von NTM verhindern und Filter von Tap- und Duschkopf -Ersatzfiltern hauptsächlich für den Krankenhausmarkt erhältlich sind. Allerdings sollten die Filter alle 30 Tage ausgetauscht werden und sind teuer (z. B. 50–100 $/Monat). Ähnliche kommerziell erhältliche 0,2-μm-Inline-Filter haben von Norton et al.50 gezeigt, dass sie den Durchgang von M. smegmatis während der Nennfilterlebensdauer verhindern, während ein GAC-System die Anzahl von M. abscessus und M. avium nicht signifikant reduzieren konnte. Unter Verwendung einer gemischten Suspension aus an Leitungswasser angepassten M. abscessus, M. avium und M. chimaera evaluierte die Gruppe auch ein zweistufiges Hohlfasermembranfiltrationssystem, das den Durchgang der Mykobakteriensuspension für die gesamte 68-Jahre-Zeit verhinderte. Tag Bewertungszeitraum. Schließlich wurden zwei verschiedene UV-Sterilisationssysteme für Wasserflaschen, „Mountop“ und „SteriPEN“, mit der gleichen gemischten Suspension getestet und gemäß den Herstellerrichtlinien einmal täglich für 7 Tage UV-behandelt, gefolgt von einer einmal wöchentlichen Behandlung für bis zu 56 Tage. Beide UV-Systeme erreichten nach 4 Tagen täglicher Behandlung eine Reduzierung der gemischten Suspensions-KBE um > 4 log, obwohl der Unterschied zwischen behandelten und Kontrollflaschen nur für das SteriPEN-System signifikant war. Dies war wahrscheinlich auf das Eintauchen des SteriPEN-Geräts zurückzuführen, während sich die Mountop-Lampe im Flaschendeckel befand. Gemischte Suspension und biofilmassoziierte CFU wurden nach 56 Tagen untersucht, und in beiden Flaschen wurde eine Reduzierung um > 4 log aufrechterhalten. Beide UV-Systeme verwendeten eine kleine LP-UV-Quecksilberlampe mit einem 90-Sekunden-Zyklus, und eine einzige Behandlung reduzierte die Bakterienbelastung in beiden Flaschen deutlich (0,8–1,8 log). Da die Fluenzrate nicht bestimmt wurde, ist es schwierig, ihre Ergebnisse mit der aktuellen Studie zu vergleichen. Insgesamt wurde die Wirksamkeit sowohl von Inline-POE- als auch von Batch-Systemen zur Steuerung von NTM auf bequeme, zugängliche und praktische Weise deutlich demonstriert. Die Ergebnisse dieser Studie sollen das Design von UV-LED-Desinfektionsgeräten verbessern.

Ein Vorteil dieser Studie gegenüber früheren NTM-UV-Desinfektionsforschungen ist die hohe Anzahl der getesteten Fluenzen, die eine gut definierte Fluence-Response-Kurve erzeugten. Schulter- und Tailing-Phänomene, die in Studien mit weniger Fluenzen45 schwer zu analysieren sind, kamen deutlich zum Ausdruck. Diese Details verbesserten die Modellanpassung und ermöglichten ein besseres Verständnis und eine bessere Charakterisierung der UV-Inaktivierungskinetik von NTM. Eine Einschränkung dieser Studie ist die mangelnde Untersuchung der Photoreaktivierung, während mit mit mit PoU behandeltem Wasser in Kürze Raumlicht oder Sonnenlicht ausgesetzt sein kann, die die Photoreaktivierung auslöst. Für M. avium, McCarthy und Schaefer33 berichteten sowohl nach einer Photoreaktivierung nach 30 min bis 3 h sichtbarer Lichtbelastung nach UV . Für M. Terrae bewerteten Bohrerova und Linden18 die Photo-Repair unter 30 Minuten Exposition gegenüber Vollspektrumbeleuchtung nach LP-UV- oder MP-UV-Bestrahlung. Photo-Repair von 0,4–10% bzw. 16–43% nach dem CFU-Lebensfähigkeitstest und dem Assay (Endonuclease Sensitive Site) wurde ohne statistisch signifikanten Unterschied zwischen LP UV- und MP-UV-Bestrahlung gemeldet. Aufgrund unterschiedlicher Methoden sind weitere Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob und welche NTM-Arten eine Photoreaktivierung durchführen. In unserem Experiment wurde die Bestrahlung unter gedimmter gelber Beleuchtung durchgeführt, um die Photoreaktivierung zu minimieren, Verdünnung und Plattierung wurden in fluoreszierender Raumbeleuchtung durchgeführt, und die Belichtungszeit für jede Charge war ähnlich. Wenn eine Photoreaktion stattgefunden hätte, wären die Ergebnisse immer noch konservativ. Eine weitere Einschränkung ist die mangelnde Kontrolle der Verklumpung. Barr et al.51 berichteten kürzlich, dass die Klumpen von Mykobakterien eine Hauptdeterminante für die CFU -Anzahl war und nicht durch Wirbeling, Bohrung oder Zentrifugation gestört werden konnte, gemessen durch Durchflusszytometrie (FCM). Während die Vergewandung mindestens mehrere Sekunden vor jeder Manipulation während der Experimente durchgeführt wurde, können stärkere Methoden das Klumpen besser stören und die Schulter- und Tailing -Phänomene beeinflussen.

In dieser Studie wurde ein Batch-System mit Petrischalen verwendet, die gemischte, nicht fließende Lösungen von Mikroorganismen bekannter Konzentration und bekannter Fluenz enthielten, wohingegen reale UV-Reaktoren und POU-Desinfektionseinheiten im Allgemeinen Durchflusssysteme sind. Die Ergebnisse können auf solche Durchflusssysteme angewendet werden, indem zunächst die Reduktionsäquivalentfluenz (REF) (mJ/cm2) des Systems bestimmt wird, die von einem UV-Reaktor gelieferte UV-Fluenz, wie durch einen Biodosimetrietest unter einer Reihe von Betriebsbedingungen bestimmt. Anschließend kann die Fluenz-Reaktions-Kurve aus dieser Studie verwendet werden, um die erwartete Inaktivierung von M. abscessus unter Verwendung dieses Reaktors unter diesen Betriebsbedingungen abzuschätzen. Selbst in der anfänglichen Entwurfsphase kann die Kurve erneut die erwartete Inaktivierung liefern, wenn die Fluenz unter Verwendung der Computermodellierung geschätzt wird. Daher können die Ergebnisse verwendet werden, um die Leistung von UV-Desinfektionseinheiten der realen Welt zu entwerfen oder abzuschätzen.

Zusammenfassend lässt sich sagen . Die Inaktivierungskinetikmodellierung zeigte, dass M. abscessus resistenter ist als P. aeruginosa und L. pneumophila, was darauf hindeutet, dass NTM zu den uV-resistenten OPPPs gehört, und weitere Forschungen könnten zu angemessenen Ersatzmikroorganismen für die Validierung der Reaktoren führen. Unsere Ergebnisse können als Grundlage für die Gestaltung von UV-LED-Desinfektionsgeräten gegen diese wichtigen Krankheitserreger in Trinkwassersystemen dienen.

Dieser Artikel enthält keine zusätzlichen Informationen. Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind in diesem Artikel enthalten. Weitere Anfragen können an den entsprechenden Autor gerichtet werden.

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Diese Studie wurde von der Japan Society for the Promotion of Science (Grants-in-Aid for Scientific Research (A), 20H00257), dem Umweltministerium und dem Ministerium für Gesundheit, Arbeit und Soziales unterstützt. Die Autoren danken Nikkiso Co. Ltd. für den technischen Rat und die Unterstützung des UV-geführten Apparats. Wir danken außerdem Dr. Surapong Rattanakul für die Unterstützung bei der UV-LED-Belichtungspraxis und Herrn Zhongchun Zeng für die fruchtbaren Kommentare und Vorschläge beim Verfassen des Manuskripts.

Abteilung für Urban Engineering, Universität von Tokio, Tokio, 113-8654, Japan, Japan

Jack Jia Xin Song, Kumiko Oguma und Satoshi Takizawa

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KO konzipierte die Idee, stellte Ressourcen zur Verfügung, überwachte die Arbeit vom experimentellen Design bis zur Datenanalyse und -interpretation und verfasste das Manuskript. JJXS entwarf die Analyse, führte das Experiment zur Datenerfassung durch, implementierte die Gesamtanalyse, interpretierte die Daten, zeichnete die Zahlen und verfasste zunächst das Manuskript. ST überwachte die Datenanalyse und modifizierte das Manuskript.

Korrespondenz mit Jack Jia Xin Song.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Song, JJX, Oguma, K. & Takizawa, S. Inaktivierungskinetik von 280 nm UV-LEDs gegen Mycobacterium abscessus in Wasser. SCI Rep 13, 2186 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29338-w

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Eingegangen: 3. November 2022

Angenommen: 01. Februar 2023

Veröffentlicht: 07. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29338-w

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