紫外线与杀菌增效剂联合应用的研究进展

何慧灵, 黄海梅, 严 楚, 江析昕, 崔泽华,任 昊, 廖晓萍, 刘雅红, 孙 坚

(1. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室, 广东 广州 510006 ; 2. 华南农业大学兽医学院 国家兽医微生物耐药性风险评估实验室, 广东 广州 510642 ; 3. 华南农业大学兽医学院, 广东 广州 510642 ;4. 广州市白云区畜牧兽医站, 广东 广州 510550)

抗生素的不合理使用导致细菌耐药性的问题越来越普遍,减少抗菌药物的使用已成为全世界的共同目标,寻找可靠的抗生素替代物也成为当务之急。紫外线(Ultraviolet,UV)杀菌作为一种广谱且不易产生耐药性的灭菌方法,目前广泛应用于工业、畜牧业和临床等多个领域。然而,紫外线杀菌过程受到多种因素影响,使得其杀菌效果不理想。将紫外线和杀菌增效剂进行联合是提高紫外线杀菌效率快捷有效的方法之一。

1 紫外线概述

1.1 紫外线介绍 紫外线按波长可以划分:A波段(UVA,320～400 nm)、B波段(UVB,275～320 nm)、C波段(UVC,200～275 nm)和D波段(UVD,100～200 nm)。UVC能够杀死大部分细菌和病毒,主要作用机制是紫外线穿透微生物细胞膜,脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)吸收辐射能量导致其结构发生改变,阻止DNA的复制,最终导致细胞裂解死亡[1]。UVA 的杀菌机制主要是通过激发微生物的内源性光敏色素,使其与氧气反应形成活性氧(Reactive oxygen species,ROS),从而引发细胞氧化损伤,导致微生物失活[2]。

1.2 紫外线杀菌局限性 紫外线杀菌效果受到辐射剂量、照射强度和照射时间等因素影响,灭菌过程中可通过延长照射时间,增加照射强度以达到良好的杀菌效果。然而,增加照射时间会引起电耗能增加,增加照射强度易对物体本身性质产生影响。同时,紫外线灭活的微生物具有修复潜力,可通过光修复或暗修复来修复损伤的DNA[3]。此外,紫外线用于环境消毒时易对人体造成损伤,其直接照射皮肤时能够穿过人体皮肤表层到达真皮层深处(图1),长期暴露在紫外线照射下会导致光老化和免疫抑制,最终导致光致癌[4]。

2 紫外线杀菌增效剂

2.1 植物精油类 植物精油是通过物理方法从植物中分离的复杂混合物,具有广泛的抗菌活性,对环境和人体危害小。精油抗菌机制主要为改变细胞膜的通透性,造成细胞内容物泄露和生理功能紊乱,导致菌体死亡[5]。基于部分植物精油绿色、安全的特点,可将其应用于畜禽养殖过程和肉制品存储。茶树精油可作为活性成分掺入用于治疗动物皮肤感染的制剂中,可控制头皮屑、痤疮、虱和疱疹等皮肤感染[6]。

2.2 有机酸类 有机酸是指酸性的有机化合物,部分有机酸具有抗菌、增加适口性和改善免疫功能等多种药理功能,因而被广泛应用于动物生产中。Mroz 等[7]发现,饲用有机酸饲料添加剂能够显著改善动物的健康状况,提高抵抗疾病能力、个体生长速度和日粮利用效率,改善屠体品质。同时,作为一种食品防腐剂,有机酸可有效杀灭食品腐败菌,如大肠杆菌和李斯特菌,延长食品保质期[8]。

2.3 消毒剂类 次氯酸盐、过硫酸盐等具有强氧化性的消毒剂本身对病原菌具有杀灭作用。次氯酸盐在水中生成次氯酸,进入细菌体内分解生成新生态氧,可使菌体的蛋白质等物质变性,致死病原微生物[9]。过硫酸盐可产生强氧化性的硫酸根自由基,使细胞膜破裂,对内容物造成氧化损伤,导致细菌死亡[10]。

2.4 其他增效剂 酚类、维生素和抗生素等也可作为紫外线杀菌增效剂。香芹酚可预防和治疗动物胃肠道的感染,将香芹酚联合蓝光能够协同杀灭多种细菌,有望用于表面创口消毒,防止脓毒症的发生[11]。UVA 和月桂酰精氨酸乙酯联合具有协同杀菌作用,目前用于新鲜农产品表面消毒,并有望应用于食品工业和医疗领域[12]。

3 紫外线与增效剂联合的作用机制

3.1 氧化应激 当细菌暴露于UVA 时,会产生相对低水平的ROS,破坏细菌 DNA、细胞膜和细胞内蛋白。在 UVA 照射下,细胞对压力变得更加敏感,氧化剂更容易穿透细胞并诱导细胞内氧化。Yoshimoto等[13]研究表明,核黄素可作为引发剂氧化色氨酸或叶酸,紫外光可活化色氨酸或叶酸的氧化分子,产生超氧化物或单线态氧,超氧阴离子歧化生成高浓度H2O2,从而具有细胞毒性(图2)。

图2 利用核黄素作为引发剂,通过叶酸或色氨酸的光敏反应产生H2O2[13]

3.2 细胞膜损伤 细胞膜损伤是 UVA 和增效剂联合杀菌的主要机制之一。暴露在UVA下,细菌脂质膜和膜蛋白变性以损伤细胞膜,改变细胞膜的通透性。在膜受到初始损伤后,氧化作用将继续向细胞内更深处的位点进行,并延伸至细菌胞内物质,引起细胞外膜的分解,导致胞质膜紊乱,继而导致细胞死亡[13,14]。

3.3 抑制DNA修复 UVC通过破坏病原菌DNA,阻止微生物复制达到良好的杀菌效果。将UVC与咖啡因等物质联合,能够通过干扰光解酶与受损DNA的特异性结合来抑制光修复[15]。UVC破坏微生物DNA的同时也导致细胞通透性屏障受损,使过硫酸钠和次氯酸钠等强氧化性物质扩散进细胞内,对其内容物和DNA造成氧化破坏,进而导致细胞死亡[10]。

3.4 其他可能机制 核苷酸池是 ROS 的一个重要作用靶点,鸟嘌呤由于低氧化还原电位特别容易被氧化。UVA 与增效剂联合作用增加了 ROS 的产生,使得鸟嘌呤容易被氧化为 7,8-二氢-8-氧鸟嘌呤形式[16],其脱氧核糖核苷酸(8-氧基脱氧鸟嘌呤,8-oxo-dG)具有潜在的诱变性,与胞嘧啶和腺嘌呤同时形成碱基对,最终诱导细菌死亡。

4 紫外线联合杀菌增效剂的应用

4.1 工业环保领域 废水微生物中,肠道病原微生物以多样性和致病性位居榜首。将 UVC(254 nm)与活性淤泥联合能够有效清除水体中的病毒含量,降低因水传播而引起病毒性肠炎暴发的可能性[17]。研究表明,将紫外线与次氯酸钠或过硫酸盐联合对污水进行处理,对出水粪大肠菌和枯草芽孢杆菌具有更加彻底的杀菌效果,同时,游离余氯的存在可以有效抑制菌体复活,对于保证出水水质安全具有重要意义[18,19]。

4.2 医疗卫生领域 在医疗机构中,消毒灭菌是预防和控制病患间交叉感染的重要举措。多重耐药微生物是卫生保健相关感染的常见原因,发生感染后会对患者的预后产生负面影响。Ha 等[20]将紫外线与乙醇联合运用,对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等常见致病菌具有协同杀菌作用,除菌效果更好,效率更高。紫外线与增效剂联合也可应用于疾病治疗方面,白癜风作为一种多发性皮肤病,应用紫外线与他克莫司软膏联合治疗取得了良好效果[21]。此外,口腔补骨脂素与UVA 联合使用常用于造血干细胞移植常见并发症的治疗,是一种针对皮肤且副作用少的辅助和免疫抑制治疗方法[22]。

4.3 食品安全领域 食源性病原菌已成为重大公共卫生挑战之一,在世界范围内造成重大疾病和死亡。紫外线的应用为食品杀菌提供了一种新的可能性,更好地保存了食品的外观和风味。将 UVA 与对羟基苯甲酸丙酯和没食子酸联合,能够有效处理新鲜农产品上残留的大肠杆菌和李斯特杆菌等,并且无毒、无污染[23,24]。Seok 等[25]将 UVA 与柠檬酸联合应用于奶酪加工,能够有效杀灭残留在奶酪及其包装上的细菌,并且保存了奶酪本身的状态和风味,为食品安全提供了新的保障。此外,将紫外线与磁性纳米材料联合使用,成功提高了蜂蜜、果蔬和茶叶等农产品中的农药残留降解率,抑制了内部微生物的生长繁殖。

5 展望

细菌和真菌等病原微生物给各行业的发展带来巨大困扰,对人类健康造成了威胁。紫外线与增效剂的联合突破了紫外线杀菌的局限性,提供了一种有效、快速且成本低的灭菌方法。紫外线杀菌增效剂涵盖了消毒剂、抗生素、植物精油和有机酸等物质,为对抗病原菌提供了更多有效的途径(表1)。有机酸和植物精油等天然产物具有安全、无污染、不产生耐药性的特性,联合紫外线应用于食品加工,能够避免食品质量和感官特性发生不良变化,延长食品保质期。在医疗领域,UVA很难被活细胞吸收,且对皮肤刺激性小,银屑病和牛皮癣的UVA光疗,也提示了UVA与增效剂的联合具有用于活体消毒的开发前景。

表1 紫外线杀菌增效剂的作用机理及其应用

UVC通过破坏病原微生物DNA进行杀菌,但细菌等能够修复损伤DNA,使灭菌效率降低。将UVC与修复酶抑制剂联合使用,能够有效抑制DNA修复。将强氧化剂与UVC联合,在破坏DNA的同时,可对细菌蛋白结构和细胞膜等物质造成损伤,显著提高UVC的杀菌效率。UVA 照射增加了ROS 的生成,导致脂质、蛋白质和 DNA 的氧化。此外,UVA能够导致膜功能障碍并增加细菌的膜通透性,将UVA与植物精油和有机酸等物质联合使用,可能增加植物精油和有机酸等物质进入胞内,对细菌结构造成影响。将不同波长的紫外线进行联合,也可以达到良好的杀菌效果,将UVA和UVC进行联合,对病原微生物DNA造成损伤的同时,增加了细胞内部的氧化损伤,多种机制共同发挥作用,可提高杀菌效率。紫外线与增效剂联合作用机制的研究为寻找更有效的增效剂提供了新的思路,利于各产业领域开发新的增效剂,持续健康发展。