何慧靈, 黃海梅, 嚴(yán) 楚, 江析昕, 崔澤華,任 昊, 廖曉萍, 劉雅紅, 孫 堅

(1. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室, 廣東 廣州 510006 ; 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院 國家獸醫(yī)微生物耐藥性風(fēng)險評估實驗室, 廣東 廣州 510642 ; 3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院, 廣東 廣州 510642 ;4. 廣州市白云區(qū)畜牧獸醫(yī)站, 廣東 廣州 510550)

抗生素的不合理使用導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性的問題越來越普遍,減少抗菌藥物的使用已成為全世界的共同目標(biāo),尋找可靠的抗生素替代物也成為當(dāng)務(wù)之急。紫外線(Ultraviolet,UV)殺菌作為一種廣譜且不易產(chǎn)生耐藥性的滅菌方法,目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)、畜牧業(yè)和臨床等多個領(lǐng)域。然而,紫外線殺菌過程受到多種因素影響,使得其殺菌效果不理想。將紫外線和殺菌增效劑進(jìn)行聯(lián)合是提高紫外線殺菌效率快捷有效的方法之一。

1 紫外線概述

1.1 紫外線介紹 紫外線按波長可以劃分: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能夠殺死大部分細(xì)菌和病毒,主要作用機(jī)制是紫外線穿透微生物細(xì)胞膜,脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)吸收輻射能量導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,阻止DNA的復(fù)制,最終導(dǎo)致細(xì)胞裂解死亡[1]。UVA 的殺菌機(jī)制主要是通過激發(fā)微生物的內(nèi)源性光敏色素,使其與氧氣反應(yīng)形成活性氧(Reactive oxygen species,ROS),從而引發(fā)細(xì)胞氧化損傷,導(dǎo)致微生物失活[2]。

1.2 紫外線殺菌局限性 紫外線殺菌效果受到輻射劑量、照射強(qiáng)度和照射時間等因素影響,滅菌過程中可通過延長照射時間,增加照射強(qiáng)度以達(dá)到良好的殺菌效果。然而,增加照射時間會引起電耗能增加,增加照射強(qiáng)度易對物體本身性質(zhì)產(chǎn)生影響。同時,紫外線滅活的微生物具有修復(fù)潛力,可通過光修復(fù)或暗修復(fù)來修復(fù)損傷的DNA[3]。此外,紫外線用于環(huán)境消毒時易對人體造成損傷,其直接照射皮膚時能夠穿過人體皮膚表層到達(dá)真皮層深處(圖1),長期暴露在紫外線照射下會導(dǎo)致光老化和免疫抑制,最終導(dǎo)致光致癌[4]。

2 紫外線殺菌增效劑

2.1 植物精油類 植物精油是通過物理方法從植物中分離的復(fù)雜混合物,具有廣泛的抗菌活性,對環(huán)境和人體危害小。精油抗菌機(jī)制主要為改變細(xì)胞膜的通透性,造成細(xì)胞內(nèi)容物泄露和生理功能紊亂,導(dǎo)致菌體死亡[5]?；诓糠种参锞途G色、安全的特點,可將其應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖過程和肉制品存儲。茶樹精油可作為活性成分摻入用于治療動物皮膚感染的制劑中,可控制頭皮屑、痤瘡、虱和皰疹等皮膚感染[6]。

2.2 有機(jī)酸類 有機(jī)酸是指酸性的有機(jī)化合物,部分有機(jī)酸具有抗菌、增加適口性和改善免疫功能等多種藥理功能,因而被廣泛應(yīng)用于動物生產(chǎn)中。Mroz 等[7]發(fā)現(xiàn),飼用有機(jī)酸飼料添加劑能夠顯著改善動物的健康狀況,提高抵抗疾病能力、個體生長速度和日糧利用效率,改善屠體品質(zhì)。同時,作為一種食品防腐劑,有機(jī)酸可有效殺滅食品腐敗菌,如大腸桿菌和李斯特菌,延長食品保質(zhì)期[8]。

2.3 消毒劑類 次氯酸鹽、過硫酸鹽等具有強(qiáng)氧化性的消毒劑本身對病原菌具有殺滅作用。次氯酸鹽在水中生成次氯酸,進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)分解生成新生態(tài)氧,可使菌體的蛋白質(zhì)等物質(zhì)變性,致死病原微生物[9]。過硫酸鹽可產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的硫酸根自由基,使細(xì)胞膜破裂,對內(nèi)容物造成氧化損傷,導(dǎo)致細(xì)菌死亡[10]。

2.4 其他增效劑 酚類、維生素和抗生素等也可作為紫外線殺菌增效劑。香芹酚可預(yù)防和治療動物胃腸道的感染,將香芹酚聯(lián)合藍(lán)光能夠協(xié)同殺滅多種細(xì)菌,有望用于表面創(chuàng)口消毒,防止膿毒癥的發(fā)生[11]。UVA 和月桂酰精氨酸乙酯聯(lián)合具有協(xié)同殺菌作用,目前用于新鮮農(nóng)產(chǎn)品表面消毒,并有望應(yīng)用于食品工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域[12]。

3 紫外線與增效劑聯(lián)合的作用機(jī)制

3.1 氧化應(yīng)激 當(dāng)細(xì)菌暴露于UVA 時,會產(chǎn)生相對低水平的ROS,破壞細(xì)菌 DNA、細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)蛋白。在 UVA 照射下,細(xì)胞對壓力變得更加敏感,氧化劑更容易穿透細(xì)胞并誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)氧化。Yoshimoto等[13]研究表明,核黃素可作為引發(fā)劑氧化色氨酸或葉酸,紫外光可活化色氨酸或葉酸的氧化分子,產(chǎn)生超氧化物或單線態(tài)氧,超氧陰離子歧化生成高濃度H2O2,從而具有細(xì)胞毒性(圖2)。

圖2 利用核黃素作為引發(fā)劑,通過葉酸或色氨酸的光敏反應(yīng)產(chǎn)生H2O2[13]

3.2 細(xì)胞膜損傷 細(xì)胞膜損傷是 UVA 和增效劑聯(lián)合殺菌的主要機(jī)制之一。暴露在UVA下,細(xì)菌脂質(zhì)膜和膜蛋白變性以損傷細(xì)胞膜,改變細(xì)胞膜的通透性。在膜受到初始損傷后,氧化作用將繼續(xù)向細(xì)胞內(nèi)更深處的位點進(jìn)行,并延伸至細(xì)菌胞內(nèi)物質(zhì),引起細(xì)胞外膜的分解,導(dǎo)致胞質(zhì)膜紊亂,繼而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[13,14]。

3.3 抑制DNA修復(fù) UVC通過破壞病原菌DNA,阻止微生物復(fù)制達(dá)到良好的殺菌效果。將UVC與咖啡因等物質(zhì)聯(lián)合,能夠通過干擾光解酶與受損DNA的特異性結(jié)合來抑制光修復(fù)[15]。UVC破壞微生物DNA的同時也導(dǎo)致細(xì)胞通透性屏障受損,使過硫酸鈉和次氯酸鈉等強(qiáng)氧化性物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)細(xì)胞內(nèi),對其內(nèi)容物和DNA造成氧化破壞,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[10]。

3.4 其他可能機(jī)制 核苷酸池是 ROS 的一個重要作用靶點,鳥嘌呤由于低氧化還原電位特別容易被氧化。UVA 與增效劑聯(lián)合作用增加了 ROS 的產(chǎn)生,使得鳥嘌呤容易被氧化為 7,8-二氫-8-氧鳥嘌呤形式[16],其脫氧核糖核苷酸(8-氧基脫氧鳥嘌呤,8-oxo-dG)具有潛在的誘變性,與胞嘧啶和腺嘌呤同時形成堿基對,最終誘導(dǎo)細(xì)菌死亡。

4 紫外線聯(lián)合殺菌增效劑的應(yīng)用

4.1 工業(yè)環(huán)保領(lǐng)域 廢水微生物中,腸道病原微生物以多樣性和致病性位居榜首。將 UVC(254 nm)與活性淤泥聯(lián)合能夠有效清除水體中的病毒含量,降低因水傳播而引起病毒性腸炎暴發(fā)的可能性[17]。研究表明,將紫外線與次氯酸鈉或過硫酸鹽聯(lián)合對污水進(jìn)行處理,對出水糞大腸菌和枯草芽孢桿菌具有更加徹底的殺菌效果,同時,游離余氯的存在可以有效抑制菌體復(fù)活,對于保證出水水質(zhì)安全具有重要意義[18,19]。

4.2 醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域 在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中,消毒滅菌是預(yù)防和控制病患間交叉感染的重要舉措。多重耐藥微生物是衛(wèi)生保健相關(guān)感染的常見原因,發(fā)生感染后會對患者的預(yù)后產(chǎn)生負(fù)面影響。Ha 等[20]將紫外線與乙醇聯(lián)合運(yùn)用,對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等常見致病菌具有協(xié)同殺菌作用,除菌效果更好,效率更高。紫外線與增效劑聯(lián)合也可應(yīng)用于疾病治療方面,白癜風(fēng)作為一種多發(fā)性皮膚病,應(yīng)用紫外線與他克莫司軟膏聯(lián)合治療取得了良好效果[21]。此外,口腔補(bǔ)骨脂素與UVA 聯(lián)合使用常用于造血干細(xì)胞移植常見并發(fā)癥的治療,是一種針對皮膚且副作用少的輔助和免疫抑制治療方法[22]。

4.3 食品安全領(lǐng)域 食源性病原菌已成為重大公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)之一,在世界范圍內(nèi)造成重大疾病和死亡。紫外線的應(yīng)用為食品殺菌提供了一種新的可能性,更好地保存了食品的外觀和風(fēng)味。將 UVA 與對羥基苯甲酸丙酯和沒食子酸聯(lián)合,能夠有效處理新鮮農(nóng)產(chǎn)品上殘留的大腸桿菌和李斯特桿菌等,并且無毒、無污染[23,24]。Seok 等[25]將 UVA 與檸檬酸聯(lián)合應(yīng)用于奶酪加工,能夠有效殺滅殘留在奶酪及其包裝上的細(xì)菌,并且保存了奶酪本身的狀態(tài)和風(fēng)味,為食品安全提供了新的保障。此外,將紫外線與磁性納米材料聯(lián)合使用,成功提高了蜂蜜、果蔬和茶葉等農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留降解率,抑制了內(nèi)部微生物的生長繁殖。

5 展望

細(xì)菌和真菌等病原微生物給各行業(yè)的發(fā)展帶來巨大困擾,對人類健康造成了威脅。紫外線與增效劑的聯(lián)合突破了紫外線殺菌的局限性,提供了一種有效、快速且成本低的滅菌方法。紫外線殺菌增效劑涵蓋了消毒劑、抗生素、植物精油和有機(jī)酸等物質(zhì),為對抗病原菌提供了更多有效的途徑(表1)。有機(jī)酸和植物精油等天然產(chǎn)物具有安全、無污染、不產(chǎn)生耐藥性的特性,聯(lián)合紫外線應(yīng)用于食品加工,能夠避免食品質(zhì)量和感官特性發(fā)生不良變化,延長食品保質(zhì)期。在醫(yī)療領(lǐng)域,UVA很難被活細(xì)胞吸收,且對皮膚刺激性小,銀屑病和牛皮癬的UVA光療,也提示了UVA與增效劑的聯(lián)合具有用于活體消毒的開發(fā)前景。

表1 紫外線殺菌增效劑的作用機(jī)理及其應(yīng)用

UVC通過破壞病原微生物DNA進(jìn)行殺菌,但細(xì)菌等能夠修復(fù)損傷DNA,使滅菌效率降低。將UVC與修復(fù)酶抑制劑聯(lián)合使用,能夠有效抑制DNA修復(fù)。將強(qiáng)氧化劑與UVC聯(lián)合,在破壞DNA的同時,可對細(xì)菌蛋白結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜等物質(zhì)造成損傷,顯著提高UVC的殺菌效率。UVA 照射增加了ROS 的生成,導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和 DNA 的氧化。此外,UVA能夠?qū)е履すδ苷系K并增加細(xì)菌的膜通透性,將UVA與植物精油和有機(jī)酸等物質(zhì)聯(lián)合使用,可能增加植物精油和有機(jī)酸等物質(zhì)進(jìn)入胞內(nèi),對細(xì)菌結(jié)構(gòu)造成影響。將不同波長的紫外線進(jìn)行聯(lián)合,也可以達(dá)到良好的殺菌效果,將UVA和UVC進(jìn)行聯(lián)合,對病原微生物DNA造成損傷的同時,增加了細(xì)胞內(nèi)部的氧化損傷,多種機(jī)制共同發(fā)揮作用,可提高殺菌效率。紫外線與增效劑聯(lián)合作用機(jī)制的研究為尋找更有效的增效劑提供了新的思路,利于各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)新的增效劑,持續(xù)健康發(fā)展。