Cinética de inactivación de 280 nm UV

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2186 (2023) Citar este artículo

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Las micobacterias no tuberculosas (NTM) son patógenos oportunistas de las instalaciones de plomería (OPPP) que causan una enfermedad respiratoria onerosa transmitida por el agua. Debido a su resistencia a los desinfectantes químicos y a la regeneración de biopelículas en los sistemas de distribución de agua potable, el tratamiento se puede realizar mejor utilizando pequeñas unidades de desinfección ultravioleta en el punto de uso (POU), como en un grifo o un cabezal de ducha. Los diodos emisores de luz ultravioleta (UV-LED) son muy adecuados para tales aplicaciones, pero no se dispone de datos de respuesta de fluencia para una de las NTM más importantes, Mycobacterium abscessus. En este estudio, se utilizó un aparato UV-LED de 280 nm a escala de banco para irradiar M. abscessus en una matriz de agua. El perfil de fluencia-respuesta fue sigmoidal, exhibiendo fenómenos tanto de hombro como de cola. La regresión lineal simple y el modelo de cinética de inactivación de Geeraerd arrojaron valores de k de 0,36 y 0,37 cm2/mJ, respectivamente, lo que revela que M. abscessus es más resistente a los rayos UV que Pseudomonas aeruginosa y Legionella pneumophila, lo que sugiere que las NTM se encuentran entre las más resistentes a los rayos UV. OPPP. Los resultados de este estudio sugieren que la irradiación UV-LED de 280 nm puede ser una opción eficaz y práctica para inactivar M. abscessus en el POU. Se espera que las unidades de desinfección que pueden generar una fluencia de 10 mJ/cm2 logren casi 2 log (99 %) de inactivación de M. abscessus.

A nivel mundial, en 2020, 2000 millones de personas aún carecen de acceso a servicios de agua potable gestionados de forma segura, y se estima que el agua potable contaminada microbiológicamente causa 485 000 muertes por diarrea cada año1. Incluso en sistemas maduros de agua potable con procesos de desinfección eficientes, ha habido un aumento de brotes debido a patógenos oportunistas de plomería en las instalaciones (OPPP, por sus siglas en inglés) (también llamados patógenos asociados a biopelículas), que consisten principalmente en micobacterias no tuberculosas (NTM), Legionella spp. y Pseudomonas spp., que puede dominar debido a la presión selectiva en las condiciones del sistema de tratamiento y distribución de agua potable2. Estos patógenos son resistentes a la desinfección química, pueden asociarse con amebas de vida libre y se ha demostrado que crecen en los sistemas de distribución de agua y especialmente en las instalaciones de plomería. Allí, los largos tiempos de residencia, los bajos niveles de desinfectante residual y las temperaturas insuficientes del agua caliente permiten que los OPPP se amplifiquen y persistan en las biopelículas. Clínicamente, los OPPP se han relacionado con brotes y proporcionan una fuente de exposición persistente, especialmente para personas vulnerables. Por estas razones, las especies de los tres géneros anteriores se han sumado a la Quinta Lista de Candidatos a Contaminantes del Agua Potable (CCL 5)3 de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA), una "lista de contaminantes que actualmente no están sujetos a ninguna ley nacional propuesta o promulgada". regulaciones primarias de agua potable, pero se sabe o se prevé que ocurran en los sistemas públicos de agua".

Para identificar los patógenos transmitidos por el agua más importantes, Collier et al.4 revisaron 17 enfermedades infecciosas transmitidas por el agua en los EE. UU. y encontraron que, si bien las OPPP (NTM, Pseudomonas, Legionella) no representaron la mayoría de los casos, causaron la mayoría de las hospitalizaciones y muertes. . Entre un total de 7.150.000 casos de enfermedades transmitidas por el agua adquiridas en el país, los causados por OPPP se estimaron en 68.900 (infección por NTM), 15.900 (neumonía por Pseudomonas) y 11.000 (enfermedad del legionario). Los OPPP causaron tasas de hospitalización notablemente altas del 74,8% (infección por MNT), 97,2% (neumonía por Pseudomonas) y 98,1% (enfermedad del legionario). La infección por NTM causó la mayoría de las hospitalizaciones (51 400), seguida de la otitis externa (23 200) y la neumonía por Pseudomonas (15 500). Entre un total de 6630 muertes, las OPPP volvieron a dominar, y se estima que representan 3800 (infección por NTM), 730 (neumonía por Pseudomonas) y 995 muertes (enfermedad del legionario). En general, la transmisión por agua que causa enfermedades respiratorias representó el 83% de todas las muertes por agua adquiridas en el país. El costo directo total de atención médica de las enfermedades transmitidas por el agua en los EE. UU. se estimó en $ 3330 millones, y las tres enfermedades relacionadas con OPPP (que representan enfermedades respiratorias transmitidas por el agua adquiridas en el país) representan $ 2390 millones (71,8%). La infección por NTM fue la enfermedad más costosa en general ($1530 millones), seguida de la otitis externa ($564 millones) y la neumonía por Pseudomonas ($453 millones). En contraste con los estudios históricos anteriores al tratamiento y saneamiento generalizados del agua, Collier et al. los resultados sugieren que la carga actual de enfermedades transmitidas por el agua proviene principalmente de patógenos ambientales (p. ej., OPPP), a diferencia de los patógenos entéricos que pueden tratarse fácilmente antes de la distribución.

A la luz de su importante costo/carga de atención médica y las crecientes tasas de incidencia, las NTM fueron seleccionadas como el foco de este estudio. Las MNT son micobacterias distintas de las que causan la tuberculosis o la lepra. Se dividen en micobacterias de crecimiento lento (SGM) y micobacterias de crecimiento rápido (RGM), generalmente representadas clínicamente por el complejo M. avium (MAC; que consiste en M. avium, M. intracellulare y M. chimaera) y M. abscessus complejo (MABS; que consiste en subespecies de M. a. abscessus, M. a. massiliense, M. a. bolletii), respectivamente. La prevalencia relativa de los dos tipos está relacionada con la geografía: la RGM representa del 10 al 20 % de los aislamientos de NTM en todo el mundo, pero hasta el 50 % en partes del este de Asia5. Ambos son importantes contaminantes del agua potable: el MAC ha sido parte de la CCL de la EPA de los EE. , Europa, Asia y Australia han encontrado tasas de incidencia de MNT cada vez mayores en las últimas 2 décadas7. El tratamiento es difícil y requiere polimedicación durante largos períodos (a veces años) y puede ser necesaria la cirugía8. Las aguas naturales y potables constituyen la principal fuente de infección humana con NTM9. Las NTM son patógenos oportunistas y pueden formar biopelículas resistentes y persistir en ambientes húmedos, como los sistemas de distribución de agua municipales y los sistemas de plomería domésticos10. Si bien es posible lograr una reducción algo eficiente (aproximadamente 2 log) de NTM usando líneas de tratamiento convencionales9, el rebrote hace que el tratamiento en esta etapa sea un esfuerzo en vano. Los estudios han encontrado aumentos de NTM de 10 a 25 000 veces en los sistemas de distribución en comparación con las salidas de la planta de tratamiento, incluso cuando las cantidades en la salida eran muy bajas o, a veces, indetectables9,11. Más adelante, la mayoría de los estudios sobre los sistemas domésticos de agua demuestran que los sistemas de plomería están generalmente y a menudo persistentemente colonizados por micobacterias, independientemente de la fuente de agua, el tratamiento o la calidad del agua12. Además, se cree que la principal fuente de infección pulmonar es la inhalación de aerosoles que contienen NTM, en particular de las duchas13. Varios estudios han identificado genotipos idénticos en aislamientos clínicos y ambientales de duchas y agua del grifo14. Gebert et al.15 analizaron muestras de biopelículas de cabezales de ducha de 656 hogares en los EE. UU. y Europa y encontraron un acuerdo entre las regiones donde los cabezales de ducha contenían una gran abundancia de dos linajes patógenos de NTM (MAC y MABS) y las regiones con altas tasas de enfermedad pulmonar por NTM. Por lo tanto, se ha propuesto que el tratamiento de las MNT debería centrarse en el tratamiento ultravioleta (UV) en el punto de uso (POU) en lugar de en la planta de tratamiento de agua, a fin de reducir la exposición crónica a las MNT patógenas16,17. Algunas especies de MNT exhiben fotorreparación del daño UV, lo que debe tenerse en cuenta al tratar el agua potable o las aguas residuales con radiación UV18. Además, se sabe que las micobacterias se agrupan de forma ubicua debido a sus paredes celulares únicas ricas en lípidos19. También se puede esperar que se produzcan grumos en aguas naturales y agua potable, debido a la simple agregación o al desprendimiento de biopelículas. Dado que la formación de grumos puede proteger a los microbios de la radiación ultravioleta y, por lo tanto, afectar la cinética de inactivación percibida de ese microorganismo, se debe tener en cuenta el efecto de la formación de grumos en el tratamiento UV de NTM.

Recientemente, el diodo emisor de luz UV (UV-LED) ha surgido como una nueva fuente de radiación UV que tiene el potencial de reemplazar las lámparas UV de mercurio convencionales, de forma similar a como los LED visibles están reemplazando la iluminación fluorescente e incandescente20. Las principales ventajas de los LED UV incluyen tamaño pequeño, alta durabilidad, flexibilidad de diseño, capacidad para adaptar las longitudes de onda, sin período de calentamiento, sin mercurio y larga vida útil (logrado para UVA/UVB y emergente para LED UVC)21. Los LED UV de 265 nm y 280 nm son comunes debido a la proximidad de sus picos de emisión al de absorción de nucleótidos (alrededor de 260-265 nm), mientras que los LED UV de 280 nm tienen una mayor eficiencia eléctrica para uso práctico22. Estas características hacen que los LED UV sean adecuados para aplicaciones tradicionalmente inviables, por ejemplo, para la desinfección de agua en puntos de uso en áreas rurales o países en desarrollo23, o la incorporación en un cabezal de ducha24 u otro accesorio de plomería. Para diseñar reactores UV para un cierto nivel de rendimiento de desinfección, se debe conocer la respuesta de fluencia del microorganismo objetivo a la radiación UV de una longitud de onda o espectro de emisión particular; considerando que las diferentes especies microbianas tienen diferentes sensibilidades espectrales en el rango UV germicida25, es No es posible simplemente usar la respuesta de fluencia de un microorganismo a la luz de 254 nm de una lámpara UV de baja presión (LP UV) para diseñar un aparato que use LED UV de una longitud de onda o espectro de emisión diferente. Los datos recientes de respuesta de fluencia son escasos para NTM y, hasta donde sabemos, ningún estudio ha informado la respuesta de fluencia de M. abscessus a ninguna fuente de UV. Por lo tanto, el objetivo de este estudio es presentar la fluencia-respuesta de M. abscessus ATCC 19977 (cepa tipo) a la luz UV-LED de 280 nm en una matriz de agua. Se espera que los resultados: (1) aclaren la sensibilidad UV de un patógeno prioritario, NTM, en el agua potable y sus estrategias de tratamiento; y (2) ayudar en el diseño del reactor UV, especialmente para las unidades de desinfección UV-LED en el POU donde se tratan mejor las NTM.

Se propagó un cultivo puro de Mycobacteroides abscessus ATCC 19977 (American Type Culture Collection, Manassas, VA, EE. UU.) (sinónimo homotípico Mycobacterium abscessus ATCC 19977) y se mantuvo a -80 °C, y el segundo pase se utilizó para la irradiación. La solución madre se cultivó en un volumen total de 10 mL de caldo Middlebrook 7H9 (Becton Dickenson, Sparks, MD, EE. /L). El tubo se incubó con agitador a 37 °C durante 46 h hasta la fase logarítmica tardía. La suspensión se lavó 3 veces en solución tamponada con fosfato (PBS, pH 7,4) y se diluyó al orden de 106 unidades formadoras de colonias por 1 mL (UFC/mL) en PBS para irradiación. La concentración restante de microorganismos viables se determinó utilizando un ensayo de CFU. Cien microlitros de la solución irradiada se sembraron por duplicado en placas de agar Middlebrook 7H10 (Becton Dickenson, Sparks, MD, EE. UU.) que contenían 10 % (v/v) de enriquecimiento Middlebrook OADC (Becton Dickenson, Sparks, MD, EE. glicerol (5 ml/l). Las placas se envolvieron en Parafilm® "M" (Bemis, Neenah, WI, EE. UU.) y se incubaron a 37 °C en la oscuridad. Las colonias se enumeraron después de 7 días.

El aparato UV-LED constaba de 4 UV-LED orientados hacia abajo montados en una placa de circuito circular. La parte posterior de la placa de circuito hizo contacto con un disipador de calor con pasta térmica y un ventilador proporcionó refrigeración. Los LED UV (Nikkiso Giken Co. Ltd., Ishikawa, Japón) tenían una longitud de onda de emisión máxima de 280 nm. Los UV-LED fueron accionados por una fuente de alimentación que proporciona una corriente constante de 544 mA a 55,1 V. La Figura 1 muestra el aparato UV-LED, sus dimensiones bajo las condiciones de irradiación y el espectro de emisión de la placa UV-LED medido por un espectrorradiómetro (USR-45DA, Ushio Inc., Tokio, Japón).

(a) Aparato UV-LED. (b) Espectro de emisión de la placa UV-LED, medido con un espectrorradiómetro. ( c ) Dimensiones de la configuración UV-LED en las condiciones de irradiación.

Se eligió la actinometría de ferrioxalato para la determinación de la tasa de fluencia debido al rendimiento cuántico estable de 1,25 para la generación de Fe2+ en la región de 260–340 nm26. La tasa de fluencia superficial promedio se midió en 1,39 mW/cm2 siguiendo el método de Bolton y colegas27. Dado que este valor representaba una medida de superficie, se ajustó por el factor de agua (que tiene en cuenta la absorbancia a través de la solución) y el factor de divergencia (que tiene en cuenta la disminución de la irradiancia debido a la divergencia del haz a través de la solución) de acuerdo con el protocolo de Bolton y Linden28 para producir una tasa de fluencia promedio de 1,06 mW/cm2 en toda la solución. La fluencia se calculó como el producto de esta tasa de fluencia y el tiempo de exposición.

Cinco mililitros de la suspensión microbiana de PBS se dividieron en alícuotas en placas de Petri de 2,66 cm de diámetro interno, ocupando una profundidad de 0,91 cm. Las placas de Petri se centraron bajo los LED UV y se agitaron con una pequeña barra de agitación durante la irradiación. Las placas se irradiaron durante tiempos de exposición cero y especificados t para producir N0 y Nt, las CFU/mL en el tiempo cero y el tiempo de exposición especificado t, respectivamente. Se irradiaron tres lotes de placas de Petri en orden aleatorio. La irradiación se realizó bajo iluminación amarilla para minimizar la fotorreactivación.

La parte lineal de la curva de fluencia-respuesta se ajustó a un modelo log-lineal simple29 descrito por:

donde N0 y Nt son como se definió anteriormente, k es la constante de velocidad de inactivación basada en la fluencia (cm2/mJ), y F es la fluencia (mJ/cm2) en el tiempo t.

En el caso de una curva de fluencia-respuesta sigmoidal, se utilizó para la comparación el modelo de cinética de inactivación de Geeraerd et al.30, que se adapta tanto a los efectos de hombro como de cola:

donde Nres representa una subpoblación resistente o el efecto de artefactos experimentales (UFC/mL), k es la tasa de inactivación constante por ajuste no lineal (cm2/mJ) y tl es la longitud del hombro (mJ/cm2).

El análisis de regresión se realizó con GraphPad Prism 9 (GraphPad Software, San Diego, CA, EE. UU.). Para la curva no lineal, la bondad de ajuste se evaluó utilizando el error cuadrático medio (RMSE), para el cual los valores más bajos indican un mejor ajuste, mientras que el coeficiente de determinación (R2) se utilizó para el modelo log-lineal.

La curva de fluencia-respuesta de M. abscessus en PBS expuesto a luz UV-LED de 280 nm se muestra en la Fig. 2. Los resultados indican que la irradiación UV-LED de 280 nm tiene un efecto germicida considerable en M. abscessus. Incluso se esperaría que algunos dispositivos ultracompactos de desinfección de agua de POU con LED UV de 280 nm disponibles en el mercado31, que pueden administrar 10–40 mJ/cm2, logren una inactivación de ~ 2 a > 4 log de M. abscessus. Los estudios de los sitios distales de los sistemas de distribución de agua potable han encontrado concentraciones totales de micobacterias cultivables de 10 a 3500 CFU/L32. Recomendamos que las unidades de desinfección UV-LED se diseñen con fluencias > ~ 15 mJ/cm2 para eliminar virtualmente la fracción de M. abscessus.

Perfil de respuesta de fluencia para M. abscessus en solución de PBS expuesta a radiación UV-LED de 280 nm. Se muestran las curvas de regresión basadas en un modelo logarítmico lineal (línea punteada roja) y el modelo de Geeraerd (línea verde). Cada punto de datos es la media (n = 3) y las barras de error representan el rango de valores.

Se observó una curva sigmoidal, con áreas de "hombro" y "cola". Nuestra observación de la formación de hombros es consistente con dos estudios16,33 sobre M. avium utilizando lámparas de mercurio. Las explicaciones propuestas para la región del hombro incluyen: (1) la presencia de microorganismos agrupados, donde la formación de colonias no se interrumpe hasta que todos los miembros del grupo se inactivan; (2) una condición donde la tasa de resíntesis de un componente vital excede la tasa de su destrucción34; y (3) la necesidad de destruir una gran cantidad de uno o más tipos de componentes críticos (fenómeno de objetivos múltiples de un solo golpe)35. Las razones para la cola pueden incluir la existencia de una subpoblación resistente o artefactos experimentales (Nres), incluido nuevamente el efecto de aglomeración30. Coohill y Sagripanti36 encontraron que la cola se mitigó hasta en 6 log de inactivación en la misma bacteria una vez que se controló la formación de grumos. Bohrerova y Linden37 informaron una mayor eficiencia de desinfección UV de las suspensiones de aguas residuales de M. terrae que tenían partículas grandes eliminadas por filtración. Las micobacterias son particularmente propensas a aglutinarse en cultivo debido a sus paredes celulares gruesas y cerosas38,39,40, y se ha observado una aglutinación significativa en suspensiones de M. abscessus de medios sólidos y líquidos41,42. Por lo tanto, la aglomeración probablemente fue la causa de los fenómenos de formación de hombros y colas exhibidos en este estudio. La longitud del hombro (tl) fue de 4,1 mJ/cm2, superior a las reportadas previamente22 a 280 nm para Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa (1,95 mJ/cm2 y 1,01 mJ/cm2, respectivamente) pero menor que la de las esporas de Bacillus subtilis ( 8,24 mJ/cm2). Curiosamente, la constante de tasa de inactivación de M. abscessus (discutida a continuación) también se encuentra entre las de los microorganismos antes mencionados, lo que sugiere una posible correlación entre la longitud de los hombros y la sensibilidad a los rayos UV.

Los parámetros del modelo, las medidas de bondad de ajuste y las fluencias correspondientes a 1, 2, 3 y 4 log de inactivación se muestran en la Tabla 1. El modelo log-lineal se ajustó solo a la parte lineal de la curva y arrojó un valor R2 de 0,984. Al adaptarse a la forma sigmoidal general, el modelo de Geeraerd proporcionó un mejor ajuste, con un RMSE de 0,138.

El valor k refleja la sensibilidad UV de los microorganismos. Dado que la fluencia es el producto de la tasa de fluencia (generalmente constante en un experimento por lotes) y el tiempo de exposición, se pueden definir constantes de tasa de inactivación basadas en la fluencia (cm2/mJ) y en el tiempo (s−1). En esta discusión y comparación, solo se utilizarán constantes de velocidad de inactivación basadas en fluencia. Dado que la respuesta de fluencia de M. abscessus a los rayos UV no se ha informado previamente según nuestro leal saber y entender, se eligieron estudios de MAC, otras NTM y microorganismos de referencia en la desinfección del agua potable para la comparación. La comparación de los valores k de estudios recientes se muestra en la Tabla 2. Para completar, los datos para longitudes de onda UV-LED similares, así como UV LP (monocromática a 253,7 nm) y UV de presión media (MP UV; policromática en el rango de longitud de onda de alrededor de 185–600 nm) cuando no se disponía de datos de UV-LED de 280 nm para el microorganismo. Dado que la sensibilidad UV depende considerablemente de la longitud de onda debido a la diferente absorción de los nucleótidos y otras biomoléculas43, no es apropiado comparar directamente los valores de k para longitudes de onda diferentes. Según estudios que emplean una metodología similar22,44, los valores de k280 (constante de velocidad de inactivación basada en fluencia a 280 nm) indican que M. abscessus es más resistente que P. aeruginosa y L. pneumophila y mucho menos resistente que adenovirus, colifago MS2, bacteriófago Qβ y esporas de B. subtilis. El k280 de M. abscessus en este estudio fue aproximadamente 0,64 veces el de E. coli (k280 = 0,56 cm2/mJ, k254 = 0,81 cm2/mJ)22. Según Hayes et al.16, el k254 promedio de tres aislamientos de M. avium fue de 0,41 cm2/mJ, que es aproximadamente 0,51 veces el k254 informado para E. coli por Rattanakul y Oguma22. Shin et al.45 informaron para dos aislamientos de M. avium un k254 de 0,17 cm2/mJ, que es 0,21 veces mayor que el informado por Rattanakul y Oguma22 para E. coli, y observaron que sus aislamientos eran mucho más resistentes que la mayoría de los parásitos protozoarios y bacterias patógenas. , y comparable a muchos virus patógenos pero no tan resistente como el rotavirus o el adenovirus. Teniendo en cuenta las diferencias metodológicas y asumiendo una cierta similitud en la sensibilidad UV dentro de NTM, nuestros resultados parecen consistentes con los de los estudios de M. avium y el patrón de sensibilidad general de los patógenos de agua potable de referencia.

Teniendo en cuenta los microorganismos que normalmente se utilizan para la validación del reactor UV, fue difícil identificar un microorganismo sustituto con una sensibilidad UV y una curva de respuesta de fluencia similares (es decir, exhibiendo hombros y colas) a M. abscessus. Aunque su cinética de inactivación es logarítmica lineal sin hombros ni colas, T1UV, un virus de ADN de doble cadena que se usa comúnmente como sustituto para la validación del reactor, muestra una sensibilidad UV comparable a la de M. abscessus. Ward et al.46 encontraron una curva de fluencia-respuesta logarítmica lineal para T1UV con un k254 de 0,23 cm2/mJ, lo que sugiere que T1UV es algo menos sensible a los rayos UV que M. abscessus (k280 = 0,356 cm2/mJ). Beck et al.25 reportaron fluencias (± 95% IC) de 4.3 (± 0.4), 8.5 (± 0.9), 12.8 (± 1.3) y 17.0 (± 1.8) mJ/cm2 para lograr 1, 2, 3 y 4 log de inactivación, respectivamente, de T1UV utilizando un láser sintonizable de 253,7 nm. El grupo también proporcionó la sensibilidad espectral relativa (espectro de acción) de T1UV, lo que demuestra que la sensibilidad UV de T1UV a la radiación de 253,7 nm y 280 nm es similar. Las fluencias para 1 y 2 log de inactivación de T1UV son ligeramente inferiores a las de M. abscessus, y las de 3 y 4 log de inactivación son ligeramente superiores a las de M. abscessus. Este cambio puede deberse a la formación de hombros en la curva de respuesta a la fluencia de M. abscessus, lo que puede resultar en una sensibilidad UV percibida más baja a fluencias bajas. Deben realizarse más estudios, en particular con controles para la formación de grumos, para confirmar la idoneidad de T1UV como microorganismo sustituto de M. abscessus a 280 nm.

Jacangelo et al.47 compararon la susceptibilidad de micobacterias y patógenos emergentes seleccionados a LP UV, cloro libre, cloraminas, ozono y dióxido de cloro. Los datos mostraron que las micobacterias (representadas por M. avium y M. fortuitum) se encuentran entre los microbios más resistentes a casi todos los desinfectantes, pero especialmente a los desinfectantes químicos. Taylor et al.48 estudiaron los efectos del cloro, la cloramina, el dióxido de cloro y el ozono en cinco aislamientos de M. avium y encontraron, para el cloro, CT99.9% (el producto de la concentración de desinfectante (en partes por millón) y el tiempo (en minutos) a 99,9% de inactivación) valores que oscilan entre 51 y 204. Estos valores fueron 580–2300 veces más altos que los de E. coli. Para el dióxido de cloro y el ozono, los valores de CT99,9% fueron más de 100 y 50 veces más altos (respectivamente) que los de E. coli. Se controló la formación de grumos y concluyeron que la mayoría de las cepas de M. avium eran altamente resistentes a los cuatro desinfectantes químicos estudiados. Valores tan altos de CT sugieren que la desinfección química no es un método eficaz para controlar las micobacterias. Por el contrario, nuestros resultados y la literatura indican que las micobacterias se pueden inactivar de manera efectiva en fluencias de desinfección UV comunes (típicamente 40 mJ/cm2 en reactores a gran escala, y 10–40 mJ/cm2 en algunos dispositivos de desinfección de agua UV-LED POU).

En el contexto del tratamiento de agua potable de OPPP y POU, se han propuesto varias estrategias centradas en el POU para reducir la exposición a NTM y aerosoles cargados de NTM49. Estos incluyen: vaciar los calentadores de agua, aumentar la temperatura del calentador de agua a 55 °C, cambiar de agua corriente a agua de pozo, instalar filtros microbiológicos (≤ 0,2 μm de tamaño de poro), evitar el uso de filtros de carbón activado granular (GAC) (que promueven el crecimiento de MNT sin impedir su paso), sustitución de cabezales de ducha por otros con orificios grandes, desinfección mensual de cabezales de ducha, reducción de aerosoles en el baño, eliminación de aireadores de los grifos y ebullición del agua durante 10 min. Muchas de estas estrategias son ineficientes, consumen mucho tiempo, posiblemente no sean factibles o pueden introducir nuevos problemas, y la mayoría solo reduce el riesgo de exposición a MNA en un grado incierto. Los estudios recientes sobre métodos de desinfección de puntos de uso para NTM generalmente consideran los métodos basados en filtración o UV como los más factibles, eficientes y de bajo costo50. Falkinham49 señala que los filtros de agua con poros de ≤ 0,2 μm evitarán el paso de NTM, y los filtros de repuesto para grifos y cabezales de ducha han estado disponibles principalmente para el mercado hospitalario. Sin embargo, los filtros deben reemplazarse cada 30 días y son costosos (por ejemplo, $50–100/mes). Norton et al.50 demostraron que filtros en línea de 0,2 μm disponibles en el mercado evitan el paso de M. smegmatis durante la vida útil nominal del filtro, mientras que un sistema GAC no logró reducir significativamente el número de M. abscessus y M. avium. Usando una suspensión mixta de M. abscessus, M. avium y M. chimaera adaptados al agua del grifo, el grupo también evaluó un sistema de filtración de membrana de fibra hueca de dos etapas, que impidió el paso de la suspensión micobacteriana durante todo el 68- período de evaluación del día. Finalmente, dos sistemas diferentes de esterilización UV de botellas de agua, "Mountop" y "SteriPEN", fueron probados con la misma suspensión mixta y tratados con UV de acuerdo con las pautas de los fabricantes una vez al día durante 7 días, seguido de un tratamiento una vez a la semana durante un máximo de 56 días. Ambos sistemas UV lograron una reducción > 4 log en la suspensión mixta de UFC después de 4 días de tratamiento diario, aunque la diferencia entre las botellas tratadas y las de control solo fue significativa para el sistema SteriPEN. Esto probablemente se debió a la inmersión del dispositivo SteriPEN, mientras que la lámpara Mountop estaba ubicada en la tapa de la botella. La suspensión mixta y las UFC asociadas con biopelículas se analizaron después de 56 días y se mantuvo una reducción de > 4 log en ambas botellas. Ambos sistemas UV utilizaron una pequeña lámpara de mercurio UV LP con un ciclo de 90 s y un solo tratamiento redujo significativamente la carga bacteriana en cualquiera de las botellas (0,8 a 1,8 log). Dado que no se determinó la tasa de fluencia, es difícil comparar sus resultados con el estudio actual. En general, se ha demostrado claramente la eficacia de los sistemas por lotes y POU en línea para controlar las NTM de una manera conveniente, accesible y práctica. Se espera que los resultados de este estudio mejoren el diseño de las unidades de desinfección UV-LED.

Una ventaja de este estudio sobre la investigación anterior de desinfección UV de NTM es la gran cantidad de fluencias probadas, lo que produjo una curva de respuesta de fluencia bien definida. Los fenómenos de hombros y colas, que son difíciles de analizar en estudios que involucran menos fluencias45, se expresaron claramente. Estos detalles mejoraron el ajuste del modelo y permitieron una mejor comprensión y caracterización de la cinética de inactivación UV de NTM. Una limitación de este estudio es la falta de investigación sobre la fotorreactivación, mientras que el agua tratada con POU puede estar expuesta brevemente a la luz ambiental o la luz solar que desencadena la fotorreactivación. Para M. avium, McCarthy y Schaefer33 informaron tanto la fotorreactivación, después de 30 min–3 h de exposición a la luz visible después de la irradiación UV, como la reparación en la oscuridad, mientras que Hayes et al.16 no encontraron fotorreactivación después de la irradiación simultánea con luz UV y fluorescente ni reparación en la oscuridad. . Para M. terrae, Bohrerova y Linden18 evaluaron la fotorreparación con una exposición de 30 min a una iluminación de espectro completo después de la irradiación UV LP o MP UV. Se informó una reparación fotográfica del 0,4 al 10 % y del 16 al 43 % mediante el ensayo de viabilidad de CFU y el ensayo del sitio sensible a la endonucleasa (ESS), respectivamente, sin diferencias estadísticamente significativas entre la irradiación UV LP y MP UV. Debido a las diferencias en las metodologías, se necesita más investigación para determinar si las especies de NTM realizan la fotorreactivación y cuáles. En nuestro experimento, mientras que la irradiación se realizó bajo una luz amarilla tenue para minimizar la fotorreactivación, la dilución y el enchapado se realizaron con iluminación fluorescente, y el tiempo de exposición para cada lote fue similar. Si se hubiera producido la fotorreacción, los resultados seguirían siendo conservadores. Otra limitación es la falta de control de la formación de grumos. Barr et al.51 informaron recientemente que la formación de grumos de micobacterias era un determinante importante del recuento de UFC y no podía interrumpirse mediante vórtice, sonicación o centrifugación, según lo medido por citometría de flujo (FCM). Por lo tanto, mientras que el vórtice se realizó durante al menos varios segundos antes de cada manipulación durante los experimentos, los métodos más potentes podrían interrumpir mejor la formación de grumos y afectar los fenómenos de hombro y cola.

Este estudio utilizó un sistema por lotes con placas de Petri que contenían soluciones mixtas que no fluyen de microorganismos de concentraciones conocidas con fluencias conocidas, mientras que los reactores UV del mundo real y las unidades de desinfección POU son generalmente sistemas de flujo continuo. Los resultados se pueden aplicar a tales sistemas de flujo continuo determinando primero la fluencia equivalente de reducción (REF) del sistema (mJ/cm2), la fluencia UV proporcionada por un reactor UV según lo determinado por una prueba de biodosimetría, bajo un conjunto de condiciones operativas. Luego, la curva de fluencia-respuesta de este estudio se puede usar para estimar la inactivación esperada de M. abscessus usando ese reactor bajo esas condiciones de operación. Incluso en la etapa de diseño inicial, si se estima la fluencia utilizando modelos informáticos, la curva puede proporcionar nuevamente la inactivación esperada. Por lo tanto, los resultados se pueden utilizar para diseñar o estimar el rendimiento de las unidades de desinfección UV del mundo real.

En conclusión, los LED UV de 280 nm son efectivos para la desinfección de M. abscessus en agua, y se espera una inactivación de 2 log a una fluencia de 10 mJ/cm2, que es técnicamente posible incluso con aparatos compactos disponibles en el mercado para aplicaciones POU. . El modelo de cinética de inactivación mostró que M. abscessus es más resistente que P. aeruginosa y L. pneumophila, lo que sugiere que los NTM se encuentran entre los OPPP más resistentes a los rayos UV, y la investigación adicional podría conducir a microorganismos sustitutos apropiados para la validación del reactor. Nuestros resultados se pueden utilizar para informar el diseño de la unidad de desinfección UV-LED contra estos importantes patógenos en los sistemas de agua potable.

Este artículo no contiene información complementaria. Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio se incluyen en este artículo; más consultas pueden dirigirse al autor de correspondencia.

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Descargar referencias

Este estudio fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (Subvenciones para la Investigación Científica (A), 20H00257), el Ministerio del Medio Ambiente y el Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar. Los autores agradecen a Nikkiso Co. Ltd. por el asesoramiento técnico y el apoyo al aparato UV-LED. También agradecemos al Dr. Surapong Rattanakul por la asistencia con la práctica de exposición a UV-LED y al Sr. Zhongchun Zeng por los fructíferos comentarios y sugerencias en la redacción del manuscrito.

Departamento de Ingeniería Urbana, Universidad de Tokio, Tokio, 113-8654, Japón

Jack Jia Xin Song, Kumiko Oguma y Satoshi Takizawa

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KO concibió la idea, proporcionó recursos, supervisó el trabajo desde el diseño experimental hasta el análisis e interpretación de datos, y redactó el manuscrito. JJXS diseñó el análisis, realizó el experimento para recopilar los datos, implementó el análisis general, interpretó los datos, dibujó las figuras y primero redactó el manuscrito. ST supervisó el análisis de datos y modificó el manuscrito.

Correspondencia a Jack Jia Xin Song.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Song, JJX, Oguma, K. & Takizawa, S. Cinética de inactivación de LED UV de 280 nm contra Mycobacterium abscessus en agua. Informe científico 13, 2186 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29338-w

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Recibido: 03 noviembre 2022

Aceptado: 01 febrero 2023

Publicado: 07 febrero 2023

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

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