280 nm UV の不活化反応速度

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2186 (2023) この記事を引用

978 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

非結核性マイコバクテリア (NTM) は、厄介な水系呼吸器疾患を引き起こす日和見的施設配管病原体 (OPPP) です。化学消毒剤や飲料水配水システムにおけるバイオフィルムの再増殖に対する耐性があるため、蛇口やシャワーヘッドなどの使用場所 (POU) で小型の紫外線消毒ユニットを使用すると、より適切に処理を実行できます。紫外発光ダイオード (UV-LED) はこのような用途に適していますが、最も重要な NTM の 1 つである Mycobacterium abscessus についてはフルエンス応答データが入手できません。この研究では、ベンチスケールの 280 nm UV-LED 装置を使用して、水マトリックス中の M. abscessus を照射しました。フルエンス応答プロファイルは S 字状であり、ショルダー現象とテーリング現象の両方を示しました。単純な線形回帰と Geeraerd の不活化反応速度モデルにより、それぞれ k 値 0.36 と 0.37 cm2/mJ が得られ、M. abscessus が緑膿菌やレジオネラニューモフィラよりも UV 耐性が高いことが明らかになり、NTM が最も UV 耐性が高いものの 1 つであることが示唆されます。 OPPP。この研究の結果は、280 nm UV-LED 照射が POU で M. abscessus を不活性化するための効果的かつ実用的な選択肢となり得ることを示唆しています。 10 mJ/cm2 のフルエンスを供給できる消毒ユニットは、ほぼ 2 log (99%) の M. abscessus の不活化を達成すると予想されます。

2020 年の時点でも、世界では 20 億人が安全に管理された飲料水サービスを利用できず、微生物に汚染された飲料水により、毎年 485,000 人の下痢による死亡者が発生すると推定されています1。高性能の消毒プロセスを備えた成熟した飲料水システムであっても、主に非結核性抗酸菌（NTM）、レジオネラ属菌、 Pseudomonas spp.は、飲料水の処理および配水システムの条件における選択圧により優勢になる可能性があります2。これらの病原体は化学消毒に耐性があり、自由生活性アメーバと関連する可能性があり、配水システム全体、特に敷地内の配管内で増殖することが示されています。そこでは、長い滞留時間、低い残留消毒剤レベル、および不十分な熱水温度により、OPPP が増幅し、バイオフィルム内に残留します。臨床的には、OPPP はアウトブレイクに関連しており、特に脆弱な個人にとっては持続的な暴露源となります。これらの理由により、上記の 3 属の種は、米国環境保護庁 (US EPA) の第 5 次飲料水汚染物質候補リスト (CCL 5)3 に追加されました。これは、「現在提案または公布されている国家規制の対象になっていない汚染物質のリスト」です。主要な飲料水規制であるが、公共水道システムでは導入されることが知られているか、導入されることが予想されている。」

最も重要な水系病原体を特定するために、Collier ら 4 は米国の 17 の感染性水系感染症を調査し、OPPP (NTM、シュードモナス、レジオネラ菌) がほとんどの症例を占めていないものの、入院と死亡のほとんどを引き起こしていることを発見しました。。国内で感染した水系感染症の症例数は合計 7,150,000 件で、OPPP に起因する症例は 68,900 件（NTM 感染症）、15,900 件（シュードモナス肺炎）、11,000 件（レジオネラ症）と推定されています。 OPPP は、74.8% (NTM 感染症)、97.2% (緑膿菌肺炎)、98.1% (レジオネラ症) という特に高い入院率を引き起こしました。 NTM 感染による入院が最も多く (51,400 人)、次いで外耳炎 (23,200 人)、シュードモナス肺炎 (15,500 人) でした。合計6,630人の死亡のうち、やはりOPPPが大半を占め、3,800人（NTM感染症）、730人（シュードモナス肺炎）、995人（レジオネラ症）の死亡を占めていると推定されている。全体として、呼吸器疾患を引き起こす水系感染が、国内の水系感染による死亡全体の 83% を占めました。米国における水系疾患による直接医療費の総額は 33 億 3,000 万ドルと推定され、そのうち 3 つの OPPP 関連疾患（国内で感染する水系呼吸器疾患を代表する）が 23 億 9 千万ドル（71.8%）を占めています。 NTM 感染症が全体で最も費用がかかった疾患（15 億 3,000 万ドル）で、次いで外耳炎（5 億 6,400 万ドル）、シュードモナス肺炎（4 億 5,300 万ドル）でした。水処理と衛生が普及する以前の歴史的研究とは対照的に、Collier et al. 結果は、今日の水系感染症の負担は、流通前に容易に処理できる腸内病原体ではなく、主に環境病原体（OPPPなど）に由来していることを示唆しています。

NTM の重大な医療費/負担と発生率の上昇を考慮して、NTM がこの研究の焦点として選択されました。 NTM は、結核やハンセン病の原因となる抗酸菌以外の抗酸菌です。それらは、ゆっくりと増殖するマイコバクテリア (SGM) と急速増殖するマイコバクテリア (RGM) に分けられ、臨床的には一般的に M. avium complex (MAC; M. avium、M. intraculare、および M. chimaera からなる) および M. abscessus によって代表されます。複合体（MABS;M.a.abcessus、M.a.massiliense、M.a.bolletii亜種からなる）。 2 つのタイプの相対的な有病率は地理に関連しています。RGM は世界中の NTM 分離株の 10 ～ 20% を占めますが、東アジアの一部では 50% にも達します5。どちらも重要な飲料水汚染物質です。MAC は CCL 1 (1998 年) 以来米国 EPA の CCL の一部であり、M. アブセサスは最近 CCL 5 に追加されました。NTM 感染は最も一般的に慢性肺疾患として現れます 6、および北米での疫学研究、ヨーロッパ、アジア、オーストラリアではいずれも、過去 20 年間に NTM の発症率が増加していることがわかっています7。治療は難しく、長期間（場合によっては数年）にわたる多剤療法が必要であり、場合によっては手術が必要になる場合もあります8。天然水および飲料水は、NTM9 によるヒトへの主な感染源となります。 NTM は日和見病原体であり、丈夫なバイオフィルムを形成し、都市の配水システムや家庭の配管システムなどの湿った環境に存続する可能性があります10。従来の治療ラインを使用して NTM をある程度効率的に (約 2 log) 減少させることは可能ですが 9、再増殖によりこの段階での治療は無駄になってしまいます。研究では、たとえ出口での数値が非常に低かったり、場合によっては検出できない場合でも、処理施設の出口と比較して配水システムでは NTM が 10 ～ 25,000 倍増加していることが判明しました 9,11。結局のところ、家庭用水システムに関する大多数の研究は、水源、処理方法、水質に関係なく、配管システムには一般に、そしてしばしば持続的にマイコバクテリアが定着していることを示しています12。さらに、肺感染症の主な感染源は、特にシャワーヘッドからの NTM 含有エアロゾルの吸入によるものと考えられています 13。いくつかの研究では、シャワーヘッドと水道水からの臨床分離株と環境分離株で同一の遺伝子型が同定されています14。 Gebert ら 15 は、米国とヨーロッパの 656 世帯のシャワーヘッドのバイオフィルムサンプルを分析し、シャワーヘッドに 2 つの病原性 NTM 系統 (MAC および MABS) が豊富に含まれる地域と、NTM 肺疾患の発生率が高い地域との間の一致を発見しました。したがって、病原性 NTM への慢性的な曝露を減らすために、NTM 処理は水処理プラントではなく、使用時点 (POU) の紫外線 (UV) 処理に焦点を当てるべきであると提案されています 16,17。一部の NTM 種は UV 損傷の光修復を示すため、飲料水や廃水を UV 放射で処理する場合には考慮する必要があります 18。さらに、マイコバクテリアは、その独特の脂質に富んだ細胞壁のために遍在的に凝集することが知られている19。単純な凝集やバイオフィルムの脱落により、天然水や飲料水でも凝集塊が発生することが予想されます。凝集は微生物を紫外線から遮蔽し、それによってその微生物の認識される不活化動態に影響を与える可能性があるため、NTM の UV 処理に対する凝集の影響を考慮する必要があります。

最近、可視 LED が蛍光灯や白熱灯に取って代わるのと同様に、UV 発光ダイオード (UV-LED) が、従来の水銀 UV ランプに代わる可能性のある新しい UV 放射源として登場しました20。 UV-LED の主な利点には、小型、高い耐久性、設計の柔軟性、波長の調整機能、ウォームアップ期間なし、水銀不使用、長寿命 (UVA/UVB で達成され、UVC LED での登場が予定されている) が含まれます 21。 265 nm と 280 nm の UV-LED は、発光ピークがヌクレオチドの吸収ピーク（約 260 ～ 265 nm）に近いため一般的ですが、280 nm UV-LED は実用化に向けてより高い電気効率を備えています22。これらの特性により、UV-LED は、農村地域や発展途上国 23 での水の POU 消毒や、シャワーヘッド 24 やその他の配管設備への組み込みなど、従来は実現不可能であった用途に適しています。一定レベルの消毒性能を実現する UV リアクターを設計するには、特定の波長または発光スペクトルの UV 放射に対する標的微生物のフルエンス応答を知る必要があります。異なる微生物種は殺菌 UV 範囲で異なるスペクトル感度を有することを考慮すると、25低圧 UV (LP UV) ランプからの 254 nm 光に対する微生物のフルエンス応答を単純に利用して、異なる波長または発光スペクトルの UV-LED を使用する装置を設計することは不可能です。 NTM に関する最近のフルエンス応答データは不足しており、我々の知る限り、UV 源に対する M. abscessus のフルエンス応答を報告した研究はありません。したがって、この研究の目的は、水マトリックス中の 280 nm UV-LED 光に対する M. abscessus ATCC 19977 (標準株) のフルエンス応答を示すことです。その結果は次のことが期待されます。(1) 飲料水中の優先病原体である NTM の UV 感受性とその治療戦略を解明する。 (2) UV 反応器の設計、特に NTM が最適に処理される POU の UV-LED 消毒ユニットの設計を支援します。

Mycobacteroides abscessus ATCC 19977 (American Type Culture Collection、米国バージニア州マナサス) (同型同義語 Mycobacterium abscessus ATCC 19977) の純粋培養を増殖させ、-80 °C で維持し、2 回目の継代を照射に使用しました。原液は、10% (v/v) Middlebrook ADC Enrichment (Becton Dickenson、米国メリーランド州スパークス) およびグリセロール (2 mL) を含む総量 10 mL の Middlebrook 7H9 ブロス (Becton Dickenson、米国メリーランド州スパークス) 中で培養しました。 /L)。チューブを対数期後期まで 37 °C で 46 時間振盪インキュベートしました。懸濁液をリン酸緩衝溶液（ＰＢＳ、ｐＨ７．４）で３回洗浄し、照射のためにＰＢＳで１ｍＬ当たり１０６コロニー形成単位（ＣＦＵ／ｍＬ）のオーダーまで希釈した。生存微生物の残存濃度は、CFU アッセイを使用して測定されました。 100 マイクロリットルの照射溶液を、10% (v/v) Middlebrook OADC Enrichment (Becton Dickenson、Sparks、MD、USA) を含む Middlebrook 7H10 寒天プレート (Becton Dickenson、Sparks、MD、USA) 上に二重に広げてプレーティングしました。グリセロール (5 mL/L)。プレートをParafilm®「M」（Bemis、Neenah、WI、USA）で包み、暗所で37℃でインキュベートしました。 7日後にコロニーを数えた。

UV-LED 装置は、円形の回路基板に取り付けられた 4 つの下向き UV-LED で構成されていました。回路基板の背面は放熱ペーストを備えたヒートシンクに接触し、ファンが冷却を提供しました。 UV-LED (日機装技研株式会社、石川県) のピーク発光波長は 280 nm でした。 UV-LED は、55.1 V で 544 mA の定電流を供給する電源ユニットによって駆動されました。図 1 に、UV-LED 装置、照射条件下での寸法、および測定器で測定した UV-LED ボードの発光スペクトルを示します。分光放射計 (USR-45DA、ウシオ電機株式会社、東京、日本)。

(a) UV-LED 装置。 (b) 分光放射計を使用して測定した UV-LED 基板の発光スペクトル。 (c) 照射条件下での UV-LED セットアップの寸法。

260 ～ 340 nm の領域で Fe2+ 生成の量子収率が 1.25 と安定しているため、フルエンス率の決定にはフェリオシュウ酸光量計が選択されました 26。平均表面フルエンス率は、Bolton らの方法に従って 1.39 mW/cm2 と測定されました 27。この値は表面測定値を表すため、ボルトンとリンデンのプロトコルに従って、水係数（溶液を通した吸光度を考慮）と発散係数（溶液を通したビームの発散による放射照度の減少を考慮）によって調整されました28。溶液全体で平均フルエンス率 1.06 mW/cm2 が得られます。フルエンスは、このフルエンス率と露光時間の積として計算されました。

５ミリリットルの微生物ＰＢＳ懸濁液を、内径２．６６ｃｍ、深さ０．９１ｃｍのペトリ皿に等分した。ペトリ皿を UV-LED の下の中央に置き、照射中に小さな撹拌棒を使用して撹拌しました。ディッシュをゼロおよび指定された曝露時間 t の間照射して、それぞれ時間 0 および指定された曝露時間 t における CFU/mL である N0 および Nt を求めました。ペトリ皿の 3 つのバッチをランダムな順序で照射しました。光再活性化を最小限に抑えるために、黄色の照明下で照射を実行しました。

フルエンス応答曲線の線形部分は、次のように記述される単純な対数線形モデル 29 に当てはめられました。

ここで、N0 と Nt は以前に定義した通りで、k はフルエンスに基づく不活化速度定数 (cm2/mJ)、F は時間 t におけるフルエンス (mJ/cm2) です。

シグモイドフルエンス応答曲線の場合、ショルダー効果とテーリング効果の両方を考慮した Geeraerd et al.30 の不活化反応速度モデルを比較に使用しました。

ここで、Nres は耐性部分集団または実験アーチファクトの影響 (CFU/mL)、k は非線形フィッティングによる不活化速度定数 (cm2/mJ)、tl はショルダー長 (mJ/cm2) を表します。

回帰分析は、GraphPad Prism 9 (GraphPad Software、米国カリフォルニア州サンディエゴ) を使用して実行されました。非線形曲線の場合、適合度は二乗平均平方根誤差 (RMSE) を使用して評価され、値が低いほど適合度が高いことを示します。一方、対数線形モデルには決定係数 (R2) が使用されました。

280 nm UV-LED光に曝露したPBS中のM. abscessusのフルエンス応答曲線を図2に示します。結果は、280 nm UV-LED照射がM. abscessusに対してかなりの殺菌効果があることを示しています。 10 ～ 40 mJ/cm2 を供給できる市販の超小型 280 nm UV-LED POU 水消毒装置 31 でさえ、M. abscessus の約 2 ～ > 4 log の不活化を達成すると期待されます。飲料水供給システムの遠位部位の研究では、培養可能なマイコバクテリアの総濃度が 10 ～ 3500 CFU/L32 であることが判明しました。膿瘍菌画分を実質的に排除するために、UV-LED 消毒ユニットをフルエンス > ~ 15 mJ/cm2 で設計することをお勧めします。

280 nm UV-LED 放射線に曝露した PBS 溶液中の M. abscessus のフルエンス応答プロファイル。対数線形モデル (赤い点線) と Geeraerd のモデル (緑の線) に基づく回帰曲線が示されています。各データポイントは平均 (n = 3) であり、誤差バーは値の範囲を表します。

「ショルダー」領域と「テーリング」領域を持つシグモイド曲線が観察されました。ショルダーリングに関する我々の観察は、水銀ランプを使用した M. avium に関する 2 つの研究 16,33 と一致しています。ショルダー領域について提案されている説明には次のものが含まれます。(1) 微生物の塊が存在し、塊のすべてのメンバーが不活化されるまでコロニー形成が中断されない。 (2) 重要な成分の再合成速度がその破壊速度を超える状態34。 (3) 1 つまたは複数の種類の重要なコンポーネントを多数破壊する必要がある (シングルヒット複数ターゲット現象) 35。テーリングの理由には、耐性亜集団または実験アーチファクト (Nres) の存在が含まれる可能性があり、これには凝集効果も含まれます 30。 Coohill と Sagripanti36 は、凝集が制御されると、同じ細菌における最大 6 log 不活化のテーリングが軽減されることを発見しました。 Bohrerova と Linden37 は、ろ過によって大きな粒子が除去された M. terrae の廃水懸濁液の UV 消毒効率が向上したことを報告しました。マイコバクテリアは、厚くワックス状の細胞壁があるため、培養中で特に凝集する傾向があり 38、39、40、固体培地と液体培地の両方からの M. abscessus の懸濁液で顕著な凝集が観察されています 41、42。したがって、凝集が、この研究で示されたショルダーリングおよびテーリング現象の原因である可能性があります。ショルダー長 (tl) は 4.1 mJ/cm2 で、これは大腸菌および緑膿菌の 280 nm における以前の報告 22 (それぞれ 1.95 mJ/cm2 および 1.01 mJ/cm2) よりも長かったが、枯草菌の胞子の長さよりは短かった ( 8.24mJ/cm2）。興味深いことに、M. abscessus の不活化速度定数 (後述) も前述の微生物の不活化速度定数の間にあり、肩の長さと UV 感受性の間に相関関係がある可能性を示唆しています。

モデルパラメータ、適合度の尺度、および 1、2、3、および 4 対数不活化に対応するフルエンスを表 1 に示します。対数線形モデルは曲線の線形部分のみに適合し、R2 値が得られました。 0.984の。全体的な S 字形状に合わせて、Geeraerd のモデルによって RMSE が 0.138 となり、より適切な適合が得られました。

k 値は微生物の UV 感受性を反映します。フルエンスはフルエンス率（バッチ実験では通常一定）と曝露時間の積であるため、フルエンスベース（cm2/mJ）と時間ベース（s−1）の不活化速度定数の両方を定義できます。この議論と比較では、フルエンスに基づく不活化速度定数のみが使用されます。 M. abscessus の UV に対するフルエンス応答は我々の知る限りこれまでに報告されていないため、飲料水の消毒における MAC、他の NTM、および参照微生物の研究が比較のために選択されました。最近の研究による k 値の比較を表 2 に示します。完全を期すため、同様の UV-LED 波長、LP UV (253.7 nm の単色) および中圧 UV (MP UV、253.7 nm の波長範囲で多色) のデータも示しています。微生物の 280 nm UV-LED データが利用できない場合は、約 185 ～ 600 nm) が含まれました。ヌクレオチドや他の生体分子による吸収の違いにより、UV 感度は波長に大きく依存するため 43、異なる波長の k 値を直接比較することは不適切です。同様の方法論を用いた研究 22,44 に基づくと、k280 (280 nm におけるフルエンスベースの不活化速度定数) 値は、M. abscessus が緑膿菌や L. ニューモフィラより耐性があり、アデノウイルス、MS2 コリファージよりも耐性がはるかに低いことを示しています。バクテリオファージ Qβ、枯草菌胞子。この研究における M. abscessus の k280 は、大腸菌の k280 の約 0.64 倍でした (k280 = 0.56 cm2/mJ、k254 = 0.81 cm2/mJ)22。 Hayes ら 16 によると、3 つの M. avium 分離株からの平均 k254 は 0.41 cm2/mJ で、これは Rattanakul と Oguma によって大腸菌について報告された k254 の約 0.51 倍です 22。 Shin ら 45 は、2 つの M. avium 分離株の k254 が 0.17 cm2/mJ であると報告しており、これは Rattanakul と Oguma 22 が E. coli について報告した値の 0.21 倍であり、これらの分離株はほとんどの寄生原虫や病原性細菌よりもはるかに耐性があったと指摘している。、多くの病原性ウイルスに匹敵しますが、ロタウイルスやアデノウイルスほど耐性はありません。方法論的な違いを考慮し、NTM 内の UV 感受性がある程度類似していると仮定すると、我々の結果は M. avium 研究の結果や参照飲料水病原体の全体的な感受性パターンと一致しているように見えます。

UV リアクターの検証に通常使用される微生物を考慮すると、M. abscessus と同様の UV 感受性とフルエンス応答曲線 (つまり、ショルダーとテーリングを示す) の両方を備えた代替微生物を同定することは困難でした。その不活化動態はショルダーリングやテーリングのない対数線形ですが、リアクター検証の代用として一般的に使用される二本鎖 DNA ウイルスである T1UV は、M. abscessus に対して同等の UV 感受性を示します。 Ward ら 46 は、k254 が 0.23 cm2/mJ である T1UV の対数線形フルエンス応答曲線を発見しました。これは、T1UV が M. abscessus (k280 = 0.356 cm2/mJ) よりも UV に対する感受性が若干低いことを示唆しています。 Beck et al.25 は、1、2、3、および253.7 nmの波長可変レーザーを使用したT1UVのそれぞれ4 logの不活化。同グループは、T1UV の相対スペクトル感度 (作用スペクトル) も提供し、253.7 nm および 280 nm の放射線に対する T1UV の UV 感度が類似していることを示しました。 T1UV の 1 および 2 log 不活化のフルエンスは M. abscessus のフルエンスよりわずかに低く、3 および 4 log 不活化のフルエンスは M. abscessus のフルエンスよりわずかに高い。この変化は、M. abscessus のフルエンス応答曲線のショルダーリングによるものである可能性があり、低フルエンスでは知覚される UV 感度が低下する可能性があります。 280 nm における M. abscessus の代替微生物としての T1UV の適合性を確認するには、特に凝集の制御に関するさらなる研究を実施する必要があります。

LP UV、遊離塩素、クロラミン、オゾン、二酸化塩素に対するマイコバクテリアと選択された新興病原体の感受性が、Jacangelo et al.47 によって比較されました。データは、マイコバクテリア (M. avium と M. fortuitum に代表される) が、ほぼすべての消毒剤の中で最も耐性のある微生物の 1 つであることを示しましたが、化学消毒剤では特にそうです。 Taylor ら 48 は、5 種類の M. avium 分離株に対する塩素、クロラミン、二酸化塩素、およびオゾンの影響を研究し、塩素については CT99.9% (消毒剤の濃度 (百万分の 1) と時間の積) であることを発見しました。 (分) から 99.9% 不活化) 値は 51 ～ 204 の範囲でした。これらの値は大腸菌の値より 580 ～ 2300 倍高かった。二酸化塩素とオゾンの CT99.9% 値は、大腸菌の値より (それぞれ) 100 倍と 50 倍以上高かった。凝集は制御されており、研究者らは、M. avium 株のほとんどが研究した 4 つの化学消毒剤に対して高い耐性を持っていると結論付けました。このような高い CT 値は、化学的消毒がマイコバクテリアの制御に効果的な方法ではないことを示唆しています。対照的に、私たちの結果と文献は、マイコバクテリアが一般的な UV 消毒フルエンス (通常、大規模リアクターでは 40 mJ/cm2、一部の UV-LED POU 水消毒装置では 10 ～ 40 mJ/cm2) で効果的に不活化できることを示しています。

OPPP および POU の飲料水処理に関連して、NTM および NTM を含むエアロゾルへの曝露を減らすために、POU を中心としたいくつかの戦略が提案されています49。これらには、給湯器の水を抜く、給湯器の温度を 55 °C に上げる、水道水から井戸水に切り替える、微生物フィルター (孔径 0.2 μm 以下) を取り付ける、粒状活性炭 (GAC) フィルターの使用を避ける (微生物の増殖を促進する) などが含まれます。 NTM の通過を妨げずに排出する）、シャワーヘッドを大きな穴のあるものに交換する、毎月シャワーヘッドを消毒する、浴室のエアロゾルを減らす、蛇口からエアレーターを外す、10 分間お湯を沸騰させる。これらの戦略の多くは非効率的で時間がかかり、実行不可能である可能性があり、あるいは新たな問題を引き起こす可能性があり、ほとんどは NTM エクスポージャーのリスクをある程度不確実な程度に軽減するだけです。 NTM の POU 消毒方法に関する最近の研究では、一般に、ろ過または UV ベースの方法が最も実現可能で効率的で低コストであると考えられています50。 Falkinham49 は、孔径 0.2 μm 以下の浄水フィルターが NTM の通過を防止し、蛇口やシャワーヘッドの交換用フィルターが主に病院市場向けに入手可能であると指摘しています。ただし、フィルターは 30 日ごとに交換する必要があり、費用がかかります (たとえば、月あたり 50 ～ 100 ドル)。同様の市販の 0.2 μm インラインフィルターは、定格フィルター寿命の間 M. smegmatis の通過を防ぐことが Norton らによって示されました 50。一方、GAC システムは M. abscessus および M. avium の数を大幅に減らすことができませんでした。同グループは、水道水に適応させた M. abscessus、M. avium、M. chimaera の混合懸濁液を使用して、68 日間の抗酸菌懸濁液の通過を防ぐ中空糸の 2 段階膜濾過システムも評価しました。日の評価期間。最後に、2 つの異なるウォーターボトル UV 滅菌システム、「Mountop」と「SteriPEN」を同じ混合懸濁液でチャレンジし、メーカーのガイドラインに従って 1 日 1 回 7 日間 UV 処理し、その後、週 1 回、最大 56 日間処理しました。両方の UV システムは、4 日間毎日処理した後、混合懸濁液 CFU で > 4 log の減少を達成しましたが、処理ボトルと対照ボトルの差は SteriPEN システムでのみ顕著でした。これは、Mountop ランプがボトルの蓋の中に配置されていたのに対し、SteriPEN デバイスが水に浸かったことが原因であると考えられます。混合懸濁液とバイオフィルム関連 CFU を 56 日後に分析したところ、両方のボトルで > 4 log 減少が維持されました。どちらの UV システムも、90 秒サイクルの小型 LP UV 水銀ランプを使用しており、1 回の処理でどちらのボトル内の細菌負荷も大幅に減少しました (0.8 ～ 1.8 log)。フルエンス率が決定されていないため、その結果を現在の研究と比較することは困難です。全体として、便利でアクセスしやすく実用的な方法で NTM を制御するためのインライン POU とバッチシステムの両方の有効性が明確に実証されました。この研究の結果は、UV-LED 消毒ユニットの設計を改善することが期待されます。

以前の NTM UV 消毒研究に対するこの研究の利点の 1 つは、テストされたフルエンスの数が多く、明確に定義されたフルエンス応答曲線が生成されたことです。フルエンスが少ない研究では解析が難しいショルダー現象とテーリング現象 45 が明確に表現されました。これらの詳細により、モデルのフィッティングが改善され、NTM の UV 不活化反応速度のより良い理解と特性評価が可能になりました。この研究の限界は、光再活性化に関する調査が欠如していることであるが、POU 処理水は光再活性化を引き起こす室内光または太陽光に短時間さらされる可能性がある。 M. avium については、McCarthy と Schaefer 33 は、UV 照射後の 30 分から 3 時間の可視光曝露後の光再活性化と暗部修復の両方を報告しましたが、Hayes ら 16 は、UV と蛍光灯の同時照射後は光再活性化はなく、暗部修復も見られないことを発見しました。。 M. terrae について、Bohrerova と Linden18 は、LP UV または MP UV 照射後のフルスペクトル照明への 30 分間の曝露下での光修復を評価しました。 CFU生存率アッセイおよびエンドヌクレアーゼ感受性部位（ESS）アッセイにより、それぞれ0.4〜10％および16〜43％の光修復が報告されており、LP UV照射とMP UV照射の間に統計的に有意な差はありませんでした。方法論の違いにより、NTM 種が光再活性化を行うかどうか、またどの NTM 種が光再活性化を行うかを確認するにはさらなる研究が必要です。私たちの実験では、光再活性化を最小限に抑えるために薄暗い黄色の照明の下で照射を実行しましたが、希釈とメッキは蛍光室の照明で実行され、各バッチの露光時間は同様でした。光反応が起こったとしても、結果は依然として保守的であろう。もう 1 つの制限は、凝集を制御できないことです。 Barr ら 51 は、フローサイトメトリー (FCM) で測定したところ、マイコバクテリアの凝集が CFU 数の主な決定要因であり、ボルテックス、超音波処理、遠心分離では破壊できないことを最近報告しました。したがって、実験中の各操作の前にボルテックスは少なくとも数秒間実行されましたが、より強力な方法は凝集をより良く破壊し、ショルダー現象とテーリング現象に影響を与える可能性があります。

この研究では、既知のフルエンスで既知の濃度の微生物の非流動混合溶液を含むペトリ皿を備えたバッチシステムを使用しましたが、実際の UV リアクターと POU 消毒ユニットは一般にフロースルーシステムです。この結果は、最初にシステムの還元等価フルエンス (REF) (mJ/cm2)、つまり一連の動作条件下での生物線量測定試験によって決定される UV 反応器によって送達される UV フルエンスを決定することによって、このようなフロースルーシステムに適用できます。次に、この研究からのフルエンス応答曲線を使用して、それらの運転条件下でその反応器を使用した場合の M. abscessus の予想される不活化を推定することができます。初期の設計段階であっても、コンピューターモデリングを使用してフルエンスを推定すると、曲線は再び予想される不活化を提供することができます。したがって、その結果は、現実世界の UV 消毒ユニットの性能を設計または推定するために使用できます。

結論として、280 nm UV-LED は水中での M. abscessus の消毒に効果的であり、10 mJ/cm2 のフルエンスで 2 log の不活化が期待されます。これは、POU 用途向けの市販のコンパクトな装置でも技術的に実現可能です。。不活化反応速度モデリングにより、M. abscessus は緑膿菌や L. pneumophila よりも耐性があることが示され、NTM が最も紫外線耐性のある OPPP の 1 つであることが示唆され、さらなる研究によりリアクターの検証に適切な代替微生物が得られる可能性があります。私たちの結果は、飲料水システムにおけるこれらの重要な病原体に対する UV-LED 消毒ユニットの設計に使用できます。

この記事には補足情報は含まれていません。この研究結果を裏付けるデータはこの記事に含まれています。さらに詳しい問い合わせは責任著者に問い合わせてください。

誰が。ファクトシート - 飲料水。世界保健機関 https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dring-water (2022)。

Falkinham, J.、Pruden, A. & Edwards, M. 日和見主義的前提の配管病原体: 飲料水中の重要性を増している病原体。病原体 4、373–386 (2015)。

記事 Google Scholar

米国EPA。汚染物質候補リスト 5 (CCL 5)。米国環境保護庁 https://www.epa.gov/ccl/contaminant-candidate-list-5-ccl-5 (2022)。

コリアー、SA et al. 米国における水系感染症の負担と直接的な医療費の推定。出現。感染する。ディス。 27、140–149 (2021)。

記事 Google Scholar

Hoefsloot、W. et al. 肺サンプルから分離された非結核性マイコバクテリアの地理的多様性: NTM-NET 共同研究。ユーロ。呼吸してください。 J. 42、1604–1613 (2013)。

記事 Google Scholar

グリフィス、DE et al. ATS/IDSA の公式声明: 非結核性抗酸菌症の診断、治療、予防。午前。Ｊ．レスピア．クリティカル。ケアメッド。 175、367–416 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

Ratnatunga、CN et al. 非結核性抗酸菌性肺疾患の増加。フロント。イムノール。 11、303（2020）。

記事 CAS Google Scholar

Desai、AN および Hurtado、R. 非結核性抗酸菌感染症。 JAMA 325、1574 (2021)。

記事 Google Scholar

ロレット、J.-F. & Dumoutier, N. 飲料水システムにおける非結核性抗酸菌症: 有病率データと制御手段のレビュー。内部。Ｊ．Ｈｙｇ．環境。ヘルス 222、628–634 (2019)。

記事 Google Scholar

CDC。非結核性抗酸菌症 (NTM) 感染症|HAI|CDC。 https://www.cdc.gov/hai/organisms/nontuberculous-mycobacteria.html (2019)。

Falkinham、JO、Norton、CD & LeChevallier、MW 飲料水配水システム内のマイコバクテリウム・アビウム、マイコバクテリウム・イントラセルラーレ、およびその他のマイコバクテリウムの数に影響を与える要因。応用環境。微生物。 67、1225–1231 (2001)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ヒルボーン、ED et al。ろ過処理を追加した後の飲料水システムにおける非結核性マイコバクテリアの残留。応用環境。微生物。 72、5864–5869 (2006)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Falkinham, J. 非結核性マイコバクテリアの生態学: ヒトへの感染はどこから来るのか? セミン。呼吸してください。クリティカル。ケアメッド。 34、095–102 (2013)。

記事 Google Scholar

西内裕、岩本哲、丸山 F. 一般的な非結核性抗酸菌病原体 Mycobacterium avium complex の感染源。フロント。医学。 4、27 (2017)。

記事 Google Scholar

ゲベール、MJ 他シャワーヘッドバイオフィルム中のマイコバクテリアの生態学的分析と人間の健康との関連性。 mBio 9、e01614-e1618 (2018)。

記事 Google Scholar

Hayes, SL、Sivagananesan, M.、White, KM & Pfaller, SL マイコバクテリウムアビウムコンプレックス (MAC) 微生物を不活化するための低圧紫外線の有効性を評価する。レット。応用微生物。 47、386–392 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

水中の病原性マイコバクテリア：公衆衛生への影響、監視および管理に関するガイド。（IWA出版、2004年）。

Bohrerova, Z. & Linden, KG UV 照射への曝露後の Mycobacterium terrae における DNA 損傷と修復の評価。Ｊ．Ａｐｐｌ．微生物。 101、995–1001 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

DePas, WH、Bergkessel, M. & Newman, DK 非結核性抗酸菌の凝集は、炭素と窒素のバランスによって調節されています。 MBio 10、e01715-e1719 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

村本裕一、木村正人、能田晋紫外発光ダイオードの開発と将来：UV-LED が UV ランプに取って代わる。半導体。科学。テクノロジー。 29、084004 (2014)。

記事 ADS CAS Google Scholar

チェン、J.、ローブ、S.、キム、J.-H. LED 革命: UV 消毒用途の基礎と展望。環境。科学。水耐性テクノロジー。 3、188–202 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Rattanakul, S. & Oguma, K. 緑膿菌、レジオネラ・ニューモフィラ、および代替微生物に対する UV-LED の不活化動態と効率。水耐性 130、31–37 (2018)。

記事 Google Scholar

Taghipour, F. & Oguma, K. UV LED システムの設計、操作、および水処理への応用。 UV ソリューション https://uvsolutionsmag.com/articles/2019/uv-led-system-design-operation-and-application-for-water-treatment/ (2019)。

Cates, EL & Torkzadeh, H. シャワーヘッドに UVC LED を組み込むことで日和見呼吸器病原体を防ぐことができますか?: 微生物の挙動とデバイス設計の考慮事項。水耐性 168、115163 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Beck, SE、Wright, HB、Hargy, TM、Larason, TC & Linden, KG 中圧紫外線 (UV) システムにおける病原体消毒の検証のためのアクションスペクトル。水耐性 70、27–37 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Rabani, J.、Mamane, H.、Pousty, D.、およびボルトン, JR 実践的な化学光量計: レビュー。フォトケム。フォトビオール。 97、873–902 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ボルトン、JR、ステファン、ミシガン州、ショー、追伸 & Lykke, KR フェリオシュウ酸カリウムおよびヨウ化ヨウ素酸カリウム光量計の量子収量の決定と、放射計検出器の校正方法。Ｊ．Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ．フォトビオール。化学。 222、166–169 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ボルトン、JR およびリンデン、KG ベンチスケール UV 実験におけるフルエンス (UV 線量) 決定方法の標準化。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．工学 129、209–215 (2003)。

記事 CAS Google Scholar

Severin, BF、Suidan, MT & Engelbrecht, RS 水の UV 消毒の動力学的モデリング。水耐性 17、1669–1678 (1983)。

記事 Google Scholar

Geeraerd, AH、Herremans, CH & Van Impe, JF 穏やかな熱処理中の微生物の不活性化を記述するための構造モデル要件。内部。 J. 食品微生物。 59、185–209 (2000)。

記事 CAS Google Scholar

アクイセンステクノロジー。 PearlAqua MicroTM データシート。アトランティカアグア https://www.atlantica-agua.com/fileuploads/noticias/pearlaqua-micro-2019.pdf (2019)。

Torvinen, E. et al. フィンランドの水と飲料水配水システムの水中のマイコバクテリア。応用環境。微生物。 70、1973 ～ 1981 年 (2004)。

記事 ADS CAS Google Scholar

McCarthy, CM & Schaefer, JO 紫外線照射に対する Mycobacterium avium の反応。応用微生物。 28、151–153 (1974)。

記事 CAS Google Scholar

Mossel、DAA 食品微生物学の要点: 高度な研究のための教科書 (Wiley、1995)。

Google スカラー

ワシントン州モーツ、R. ダーブラ、VM エドワーズ加熱された細菌の非対数生存曲線の解釈。 J.食品科学。 36、523–526 (1971)。

記事 Google Scholar

クーヒル、TP、サグリパンティ、J.-L. 生体防御に特に関連する、254nm 紫外線による細菌の不活化の概要。フォトケム。フォトビオール。 84、1084–1090 (2008)。

CAS Google スカラー

Bohrerova, Z. & Linden, KG 廃水中のマイコバクテリウムの紫外線および塩素消毒: 凝集の影響。水環境。解像度 78、565–571 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Klijn, N.、Herrewegh, AAPM & de Jong, P. Mycobacterium avium subsp. の熱不活化データパラ結核: 解釈への影響。Ｊ．Ａｐｐｌ．微生物。 91、697–704 (2001)。

記事 CAS Google Scholar

パリッシュ、T. & ロバーツ、DM Mycobacteria Protocols Vol. 1285 (Springer、2015)。

Google Scholar を予約する

9272 マイコバクテリウム。「水および廃水の検査のための標準方法」 (米国公衆衛生協会、2017)。 https://doi.org/10.2105/SMWW.2882.260

Brambilla, C. et al. マイコバクテリアが凝集すると、マクロファージを損傷する能力が高まります。フロント。微生物。 1562 年 7 月 (2016 年)。

記事 Google Scholar

Cowman, S.、van Ingen, J.、Griffith, DE、および Loebinger, MR 非結核性抗酸菌性肺疾患。ユーロ。呼吸してください。 J. 54、1900250 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

JR ボルトンおよびカリフォルニア州コットンの紫外線消毒ハンドブック (米国水道協会、2008 年)。

Google スカラー

Oguma, K.、Rattanakul, S.、およびボルトン, JR 水中のアデノウイルスへの UV 発光ダイオードの応用。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．工学 142、04015082 (2016)。

記事 Google Scholar

Shin, G.-A.、Lee, J.-K.、Freeman, R. & Cangelosi, GA UV 照射による Mycobacterium avium complex の不活化。応用環境。微生物。 74、7067–7069 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ウォード、DM 他スキムミルクの安全性に対する UV-C 処理: 微生物の不活化と細胞毒性評価への影響。 J. 食品プロセス工学 42、e12944 (2019)。

記事 Google Scholar

選択された消毒剤による水系の新興病原菌の不活化。 (AWWA 研究財団および米国水道協会、2002 年)。

Taylor、RH、Falkinham、JO、Norton、CD & LeChevallier、MW 塩素、クロラミン、二酸化塩素、および Mycobacterium avium のオゾン感受性。応用環境。微生物。 66、1702–1705 (2000)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Falkinham, JO 非結核性抗酸菌症 (NTM) の現在の疫学的傾向。カー。環境。 Health Rep. 3、161–167 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Norton, GJ、Williams, M.、Falkinham, JO & Honda, JR 水道水に関連する非結核性マイコバクテリアへの曝露を減らすための物理的対策。フロント。公衆衛生学 8、190 (2020)。

記事 Google Scholar

バー、DA et al. マイコバクテリアの絶対計数と単一細胞表現型解析のためのフローサイトメトリー法。科学。議員第 11 号、18661 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

本研究は、日本学術振興会（科学研究費補助金(A)、20H00257）、環境省、厚生労働省の助成を受けて行われました。 UV-LED 装置に関して技術的なアドバイスとサポートをしていただいた日機装株式会社に感謝いたします。また、UV-LED 露光の実践を支援してくれた Surapong Rattanakul 博士と、原稿草稿において有益なコメントと提案をくれた Zhongchun Zeng 氏にも感謝します。

東京大学大学院都市工学科、〒113-8654、東京

Jack Jia Xin Song, Kumiko Oguma & Satoshi Takizawa

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

KO はアイデアを考案し、リソースを提供し、実験計画からデータ分析と解釈に至るまでの作業を監督し、原稿を起草しました。 JJXS は分析を設計し、データを収集するための実験を実施し、全体的な分析を実行し、データを解釈し、図を描き、最初の原稿を作成しました。 ST はデータ分析を監督し、原稿を修正しました。

ジャック・ジア・シン・ソングへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Song、JJX、Oguma、K. &滝沢、S. 水中でのMycobacterium abscessusに対する280 nm UV-LEDの不活化動態。 Sci Rep 13、2186 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29338-w

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 11 月 3 日

受理日: 2023 年 2 月 1 日

公開日: 2023 年 2 月 7 日

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

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。

ニュース