可視光照射下でのシゲラ菌の園内光触媒的殺菌。その分子機構、抗菌抵抗性、バイオフィルム形成への洞察

Sonophotocatalytic disinfection of Shigella species under visible light irradiation: Insights into its molecular mechanism, antibacterial resistance and biofilm formation.

• A P Habeeb Rahman
• Swagatika Dash
• Priti Sundar Mohanty
• Amrita Mishra
• Cecilia Stålsby Lundborg
• Suraj K Tripathy

抄録

水の微生物汚染は世界的に多くの病気の主な原因の一つである。水処理方法の多くに見られる抗菌抵抗性（ABR）の進化は、現在の問題の深刻さを深刻にしています。このため、環境中の微生物だけでなく、ABR負荷を低減することを目的とした新しい処理法の開発が急務となっている。本研究では、Fe/ZnOナノ粒子（NP）を用いた可視光アシスト光触媒法（SPC）を用いた赤痢菌消毒法の開発に成功した。また、S. dysenteriaeとS. flexineriを含むコンソーシアムもSPCを用いて完全に消毒した。その結果、S. dysenteriaeの生育段階や生育温度などの生育条件がSPCの全体的な有効性に及ぼす影響は異なっていた。触媒であるZnOやTiOと比較して、Fe/ZnOの方が優れた殺菌効果が得られた。触媒内の電子変位と音響キャビテーションによる多量の活性酸素（主にhラジカルとOラジカルを含む）の生成が細菌の致死性の要因であることが明らかになった。また、発生した活性酸素は、膜の擾乱を引き起こし、S. dysenteriaeの代謝活動を阻害することが明らかになった。細胞内のDNA損傷とそれに続く細胞内成分の放出を同定した。また、SPCによって細胞内の脂肪酸組成が変化し、SPCによるストレスを示すいくつかの脂肪酸マーカーが同定された。また、S. dysenteriaeのABRの損失もSPC処理後に記録された。また、SPC処理後には、S. dysenteriaeのABRの消失が認められ、S. dysenteriaeのバイオフィルム形成能の低下が認められ、SPCによるストレスの極限性が証明された。このことから、SPCの優れた殺菌効果は、三次水処理への応用が提案されている。

Microbial contamination of water is one of the major sources of many diseases worldwide. Evolution of antibacterial resistance (ABR) alongside the caveats in most of the water treatment methods causes the severity of the current problem extremely vexing. This calls for an urgent need to develop new treatment methods aiming to reduce the microbial as well as ABR load in the environment. Herein, we successfully developed a visible light assisted sonophotocatalysis (SPC) using Fe/ZnO nanoparticles (NPs) for the disinfection of Shigella dysenteriae. A consortia containing S. dysenteriae and S. flexineri was also completely disinfected using SPC. Growth conditions of S. dysenteriae like growth phases and growth temperaturehad different outcomes on the overall efficacy of SPC. Compared with catalysts such as ZnO and TiO, Fe/ZnO resulted in better disinfection. Multi-ROS production, mostly containing h and O· radicals, due to the electron displacement in the catalyst and acoustic cavitation was identified as the factors behind bacterial lethality. The ROS produced was found to interfere with the metabolic activities of S. dysenteriae by causing membrane perturbation. We identified DNA damage inside the cells and the subsequent release of intracellular components. The compositional changes in the fatty acid makeup of the cells were altered as a result of SPC and few fatty acid markers indicating the stress posed by SPC were also identified. Loss of ABR in S. dysenteriae was also recorded post SPC treatment. Abatement in the biofilm forming ability of the injured bacterial cells was also recorded, proving the extremity of stress induced by SPC. Hence, the excellent efficacy of SPC in disinfecting bacteria is proposed for tertiary water treatment applications.

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