Cinétique d'inactivation des UV 280 nm

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2186 (2023) Citer cet article

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Les mycobactéries non tuberculeuses (NTM) sont des agents pathogènes opportunistes de la plomberie (OPPP) qui causent une maladie respiratoire d'origine hydrique lourde. En raison de leur résistance aux désinfectants chimiques et de la repousse des biofilms dans les systèmes de distribution d'eau potable, le traitement peut être mieux effectué en utilisant de petites unités de désinfection aux ultraviolets au point d'utilisation (POU), comme un robinet ou une pomme de douche. Les diodes électroluminescentes ultraviolettes (UV-LED) sont bien adaptées à de telles applications, mais les données de réponse à la fluence ne sont pas disponibles pour l'une des MNT les plus importantes, Mycobacterium abscessus. Dans cette étude, un appareil UV-LED de 280 nm à l'échelle du banc a été utilisé pour irradier M. abscessus dans une matrice d'eau. Le profil fluence-réponse était sigmoïde, présentant à la fois des phénomènes d'épaulement et de traînée. La régression linéaire simple et le modèle de cinétique d'inactivation de Geeraerd ont donné des valeurs de k de 0,36 et 0,37 cm2/mJ, respectivement, révélant que M. abscessus est plus résistant aux UV que Pseudomonas aeruginosa et Legionella pneumophila, ce qui suggère que les NTM sont parmi les plus résistantes aux UV OPPP. Les résultats de cette étude suggèrent que l'irradiation UV-LED à 280 nm peut être une option efficace et pratique pour inactiver M. abscessus au POU. Les unités de désinfection capables de fournir une fluence de 10 mJ/cm2 devraient atteindre une inactivation de près de 2 log (99 %) de M. abscessus.

À l'échelle mondiale en 2020, 2 milliards de personnes n'ont toujours pas accès à des services d'eau potable gérés en toute sécurité, et on estime que l'eau potable microbiologiquement contaminée cause 485 000 décès par diarrhée chaque année1. Même dans les systèmes d'eau potable matures dotés de processus de désinfection performants, il y a eu une augmentation des épidémies dues aux agents pathogènes opportunistes de la plomberie (OPPP) (également appelés agents pathogènes associés au biofilm), principalement constitués de mycobactéries non tuberculeuses (NTM), Legionella spp., et Pseudomonas spp., qui peut dominer en raison de la pression sélective dans les conditions du système de traitement et de distribution de l'eau potable2. Ces agents pathogènes résistent à la désinfection chimique, peuvent s'associer à des amibes libres et il a été démontré qu'ils se développent dans les systèmes de distribution d'eau et en particulier dans la plomberie des locaux. Là, de longs temps de séjour, de faibles niveaux de désinfectant résiduel et des températures d'eau chaude insuffisantes permettent aux OPPP de s'amplifier et de persister dans les biofilms. Cliniquement, les PPPO ont été associés à des épidémies et constituent une source d'exposition persistante, en particulier pour les personnes vulnérables. Pour ces raisons, les espèces des trois genres ci-dessus ont rejoint la cinquième liste candidate des contaminants de l'eau potable (CCL 5)3 de l'Agence américaine de protection de l'environnement (US EPA), une "liste de contaminants qui ne sont actuellement soumis à aucune réglementation nationale proposée ou promulguée". règlements sur l'eau potable primaire, mais dont on sait ou dont on prévoit qu'ils se produiront dans les réseaux publics d'alimentation en eau. »

Pour identifier les agents pathogènes d'origine hydrique les plus importants, Collier et al.4 ont passé en revue 17 maladies infectieuses d'origine hydrique aux États-Unis et ont constaté que même si les OPPP (NTM, Pseudomonas, Legionella) ne représentaient pas la plupart des cas, ils causaient la plupart des hospitalisations et des décès. . Sur un total de 7 150 000 cas de maladies d'origine hydrique acquises au niveau national, ceux causés par les OPPP ont été estimés à 68 900 (infection à MNT), 15 900 (pneumonie à Pseudomonas) et 11 000 (maladie des légionnaires). Les OPPP ont causé des taux d'hospitalisation particulièrement élevés de 74,8 % (infection à MNT), 97,2 % (pneumonie à Pseudomonas) et 98,1 % (maladie des légionnaires). L'infection à MNT a causé le plus d'hospitalisations (51 400), suivie de l'otite externe (23 200) et de la pneumonie à Pseudomonas (15 500). Sur un total de 6 630 décès, les OPPP ont de nouveau dominé, représentant 3 800 (infection à MNT), 730 (pneumonie à Pseudomonas) et 995 décès (maladie des légionnaires). Dans l'ensemble, la transmission par l'eau causant des maladies respiratoires représentait 83 % de tous les décès d'origine hydrique contractés au pays. Le coût direct total des soins de santé des maladies d'origine hydrique aux États-Unis a été estimé à 3,33 milliards de dollars, les trois maladies liées à l'OPPP (représentant les maladies respiratoires d'origine hydrique acquises au niveau national) représentant 2,39 milliards de dollars (71,8%). L'infection à MNT était la maladie la plus coûteuse dans l'ensemble (1,53 milliard de dollars), suivie de l'otite externe (564 millions de dollars) et de la pneumonie à Pseudomonas (453 millions de dollars). Contrairement aux études historiques antérieures au traitement généralisé de l'eau et à l'assainissement, Collier et al. les résultats suggèrent que le fardeau actuel des maladies d'origine hydrique provient principalement d'agents pathogènes environnementaux (par exemple, les OPPP), par opposition aux agents pathogènes entériques qui peuvent être facilement traités avant la distribution.

À la lumière de leur coût/fardeau important des soins de santé et des taux d'incidence croissants, les MNT ont été sélectionnées comme objet de cette étude. Les MNT sont des mycobactéries autres que celles qui causent la tuberculose ou la lèpre. Elles sont divisées en mycobactéries à croissance lente (SGM) et en mycobactéries à croissance rapide (RGM), généralement représentées cliniquement par le complexe M. avium (MAC ; composé de M. avium, M. intracellulare et M. chimaera) et M. abscessus complexe (MABS ; composé de M. a. abscessus, M. a. massiliense, M. a. sous-espèces bolletii), respectivement. La prévalence relative des deux types est liée à la géographie - les RGM représentent 10 à 20 % des isolats de MNT dans le monde, mais jusqu'à 50 % dans certaines parties de l'Asie de l'Est5. Les deux sont d'importants contaminants de l'eau potable - le MAC fait partie du CCL de l'US EPA depuis le CCL 1 (1998), tandis que M. abscessus a récemment été ajouté au CCL 5. L'infection par les MNT se manifeste le plus souvent par une maladie pulmonaire chronique6, et des études épidémiologiques menées en Amérique du Nord , l'Europe, l'Asie et l'Australie ont toutes constaté une augmentation des taux d'incidence des MNT au cours des deux dernières décennies7. Le traitement est difficile et nécessite une polychimiothérapie pendant de longues périodes (parfois des années), et une intervention chirurgicale peut être nécessaire8. Les eaux naturelles et potables constituent la principale source d'infection humaine par NTM9. Les MNT sont des agents pathogènes opportunistes et peuvent former des biofilms résistants et persister dans des environnements humides, tels que les systèmes de distribution d'eau municipaux et les systèmes de plomberie domestiques10. Bien qu'il soit possible d'obtenir une réduction assez efficace (environ 2 log) des MNT en utilisant des lignes de traitement conventionnelles9, la repousse rend le traitement à ce stade un effort vain. Des études ont révélé des augmentations de 10 à 25 000 fois des MNT dans les systèmes de distribution par rapport aux sorties des stations d'épuration, même lorsque le nombre à la sortie était très faible ou parfois indétectable9,11. En fin de compte, la majorité des études sur les systèmes d'eau domestiques démontrent que les systèmes de plomberie sont généralement et souvent colonisés de manière persistante par des mycobactéries, quelle que soit la source d'eau, le traitement ou la qualité de l'eau12. De plus, on pense que la principale source d'infection pulmonaire est l'inhalation d'aérosols contenant des MNT, en particulier des pommes de douche13. Plusieurs études ont identifié des génotypes identiques dans des isolats cliniques et environnementaux provenant de pommes de douche et d'eau du robinet14. Gebert et al.15 ont analysé des échantillons de biofilm de pomme de douche provenant de 656 ménages à travers les États-Unis et l'Europe et ont trouvé un accord entre les régions où les pommes de douche contenaient une forte abondance de deux lignées pathogènes de MNT (MAC et MABS) et les régions avec des taux élevés de maladies pulmonaires à MNT. Ainsi, il a été proposé que le traitement des MNT se concentre sur le traitement aux ultraviolets (UV) au point d'utilisation (POU) plutôt qu'à la station d'épuration, afin de réduire l'exposition chronique aux MNT pathogènes16,17. Certaines espèces de MNT présentent une photo-réparation des dommages causés par les UV, ce qui doit être pris en compte lors du traitement de l'eau potable ou des eaux usées par rayonnement UV18. De plus, les mycobactéries sont connues pour s'agglutiner de manière omniprésente en raison de leurs parois cellulaires uniques riches en lipides19. On peut également s'attendre à ce que des amas se forment dans les eaux naturelles et l'eau potable, en raison d'une simple agrégation ou de la desquamation de biofilms. Étant donné que l'agglutination peut protéger les microbes du rayonnement UV et affecter ainsi la cinétique d'inactivation perçue de ce micro-organisme, l'effet de l'agglutination sur le traitement UV des MNT doit être pris en compte.

Récemment, la diode électroluminescente UV (UV-LED) est apparue comme une nouvelle source de rayonnement UV qui a le potentiel de remplacer les lampes UV au mercure conventionnelles, de la même manière que les LED visibles remplacent l'éclairage fluorescent et incandescent20. Les principaux avantages des LED UV incluent leur petite taille, leur grande durabilité, leur flexibilité de conception, leur capacité à adapter les longueurs d'onde, l'absence de période de préchauffage, l'absence de mercure et de longues durées de vie (obtenues pour les UVA/UVB et émergentes pour les LED UVC)21. Les LED UV 265 nm et 280 nm sont courantes en raison de la proximité de leurs pics d'émission avec celui de l'absorption des nucléotides (environ 260-265 nm), tandis que les LED UV 280 nm ont une efficacité électrique plus élevée pour une utilisation pratique22. Ces caractéristiques rendent les LED UV adaptées aux applications traditionnellement irréalisables, par exemple, pour la désinfection POU de l'eau dans les zones rurales ou les pays en développement23, ou l'incorporation dans une pomme de douche24 ou un autre appareil de plomberie. Pour concevoir des réacteurs UV pour un certain niveau de performances de désinfection, la fluence-réponse du micro-organisme cible au rayonnement UV d'une longueur d'onde ou d'un spectre d'émission particulier doit être connue - étant donné que différentes espèces microbiennes ont des sensibilités spectrales différentes dans la gamme UV germicide25, il n'est pas possible d'utiliser simplement la réponse de fluence d'un micro-organisme à la lumière de 254 nm d'une lampe UV basse pression (LP UV) pour concevoir un appareil utilisant des LED UV d'une longueur d'onde ou d'un spectre d'émission différent. Les données récentes sur la réponse de fluence sont rares pour NTM et, à notre connaissance, aucune étude n'a rapporté la réponse de fluence de M. abscessus à une source UV. Ainsi, l'objectif de cette étude est de présenter la fluence-réponse de M. abscessus ATCC 19977 (souche type) à 280 nm de lumière UV-LED dans une matrice d'eau. Les résultats devraient : (1) élucider la sensibilité aux UV d'un agent pathogène prioritaire, MNT, dans l'eau potable et ses stratégies de traitement ; et (2) faciliter la conception du réacteur UV, en particulier pour les unités de désinfection UV-LED au POU où les MNT sont mieux traitées.

Une culture pure de Mycobacteroides abscessus ATCC 19977 (American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA) (synonyme homotypique Mycobacterium abscessus ATCC 19977) a été propagée et maintenue à - 80 °C, et le deuxième passage a été utilisé pour l'irradiation. La solution mère a été cultivée dans un volume total de 10 ml de bouillon Middlebrook 7H9 (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) avec 10 % (v/v) d'enrichissement Middlebrook ADC (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) et du glycérol (2 ml /L). Le tube a été incubé par agitation à 37 ° C pendant 46 h jusqu'à la phase logarithmique tardive. La suspension a été lavée 3 fois dans une solution tamponnée au phosphate (PBS, pH 7,4) et diluée à l'ordre de 106 unités formant colonies pour 1 mL (CFU/mL) dans du PBS pour irradiation. La concentration restante de micro-organismes viables a été déterminée à l'aide d'un test CFU. Cent microlitres de la solution irradiée ont été étalés en double sur des plaques de gélose Middlebrook 7H10 (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) contenant 10 % (v/v) d'enrichissement Middlebrook OADC (Becton Dickenson, Sparks, MD, USA) et glycérol (5 mL/L). Les plaques ont été enveloppées dans du Parafilm® "M" (Bemis, Neenah, WI, USA) et incubées à 37°C dans l'obscurité. Les colonies ont été dénombrées après 7 jours.

L'appareil UV-LED se composait de 4 UV-LED orientées vers le bas montées sur une carte de circuit imprimé circulaire. L'arrière de la carte de circuit imprimé était en contact avec un dissipateur thermique avec de la pâte thermique et un ventilateur assurait le refroidissement. Les LED UV (Nikkiso Giken Co. Ltd., Ishikawa, Japon) avaient une longueur d'onde d'émission maximale de 280 nm. Les LED UV étaient alimentées par un bloc d'alimentation fournissant un courant constant de 544 mA à 55,1 V. La figure 1 montre l'appareil UV-LED, ses dimensions dans les conditions d'irradiation et le spectre d'émission de la carte UV-LED mesuré par un spectroradiomètre (USR-45DA, Ushio Inc., Tokyo, Japon).

(a) Appareil UV-LED. (b) Spectre d'émission de la carte UV-LED, mesuré à l'aide d'un spectroradiomètre. ( c ) Dimensions de la configuration UV-LED dans les conditions d'irradiation.

L'actinométrie au ferrioxalate a été choisie pour la détermination du taux de fluence en raison du rendement quantique stable de 1,25 pour la génération de Fe2+ dans la région de 260 à 340 nm26. Le taux moyen de fluence de surface a été mesuré à 1,39 mW/cm2 selon la méthode de Bolton et ses collègues27. Comme cette valeur représentait une mesure de surface, elle a été ajustée par le facteur eau (tenant compte de l'absorbance à travers la solution) et le facteur de divergence (tenant compte de la diminution de l'irradiance due à la divergence du faisceau à travers la solution) selon le protocole de Bolton et Linden28 pour produisent un taux de fluence moyen de 1,06 mW/cm2 dans toute la solution. La fluence a été calculée comme le produit de ce taux de fluence et du temps d'exposition.

Cinq millilitres de la suspension microbienne de PBS ont été aliquotés dans des boîtes de Pétri de 2,66 cm de diamètre intérieur, occupant une profondeur de 0,91 cm. Les boîtes de Pétri ont été centrées sous les UV-LED et agitées à l'aide d'un petit agitateur pendant l'irradiation. Les boîtes ont été irradiées pendant des temps d'exposition zéro et spécifiés t pour produire N0 et Nt, les UFC/mL au temps zéro et le temps d'exposition spécifié t, respectivement. Trois lots de boîtes de Pétri ont été irradiés dans un ordre aléatoire. L'irradiation a été réalisée sous un éclairage jaune pour minimiser la photoréactivation.

La partie linéaire de la courbe fluence-réponse a été ajustée à un modèle log-linéaire simple29 décrit par :

où N0 et Nt sont tels que définis précédemment, k est la constante de vitesse d'inactivation basée sur la fluence (cm2/mJ) et F est la fluence (mJ/cm2) au temps t.

Dans le cas d'une courbe sigmoïde fluence-réponse, le modèle de cinétique d'inactivation de Geeraerd et al.30, qui tient compte à la fois des effets d'épaulement et de traînée, a été utilisé à des fins de comparaison :

où Nres représente une sous-population résistante ou l'effet d'artefacts expérimentaux (UFC/mL), k est la constante de vitesse d'inactivation par ajustement non linéaire (cm2/mJ) et tl est la longueur d'épaule (mJ/cm2).

L'analyse de régression a été effectuée à l'aide de GraphPad Prism 9 (GraphPad Software, San Diego, Californie, États-Unis). Pour la courbe non linéaire, la qualité de l'ajustement a été évaluée à l'aide de l'erreur quadratique moyenne (RMSE), pour laquelle des valeurs plus faibles indiquent un meilleur ajustement, tandis que le coefficient de détermination (R2) a été utilisé pour le modèle log-linéaire.

La courbe fluence-réponse de M. abscessus dans du PBS exposé à une lumière UV-LED à 280 nm est illustrée à la Fig. 2. Les résultats indiquent qu'une irradiation UV-LED à 280 nm a un effet germicide considérable sur M. abscessus. Même certains dispositifs de désinfection de l'eau UV-LED POU ultra-compacts de 280 nm disponibles dans le commerce31, qui peuvent fournir 10 à 40 mJ/cm2, devraient permettre d'obtenir une inactivation de ~ 2 à > 4 log de M. abscessus. Des études des sites distaux des systèmes de distribution d'eau potable ont trouvé des concentrations totales de mycobactéries cultivables de 10 à 3500 UFC/L32. Nous recommandons de concevoir des unités de désinfection UV-LED avec des fluences > ~ 15 mJ/cm2 pour éliminer la quasi-totalité de la fraction M. abscessus.

Profil de réponse de fluence pour M. abscessus dans une solution PBS exposée à un rayonnement UV-LED de 280 nm. Les courbes de régression basées sur un modèle log-linéaire (ligne pointillée rouge) et le modèle de Geeraerd (ligne verte) sont présentées. Chaque point de données est la moyenne (n = 3) et les barres d'erreur représentent la plage de valeurs.

Une courbe sigmoïdale a été observée, avec des zones "d'épaule" et "de queue". Notre observation de l'épaulement est cohérente avec deux études16,33 sur M. avium utilisant des lampes au mercure. Les explications proposées pour la région de l'épaule comprennent : (1) la présence de micro-organismes agglutinés, où la formation de colonies n'est pas interrompue jusqu'à ce que tous les membres de l'amas soient inactivés ; (2) une condition où le taux de resynthèse d'un composant vital dépasse le taux de sa destruction34; et (3) la nécessité de détruire un grand nombre d'un ou plusieurs types de composants critiques (phénomène d'attaque multiple à cible unique)35. Les raisons de la traînée peuvent inclure l'existence d'une sous-population résistante ou d'artefacts expérimentaux (Nres), y compris à nouveau l'effet d'agrégation30. Coohill et Sagripanti36 ont découvert que les résidus étaient atténués jusqu'à 6 log d'inactivation dans la même bactérie une fois l'agglutination contrôlée. Bohrerova et Linden37 ont rapporté une meilleure efficacité de désinfection UV des suspensions d'eaux usées de M. terrae dont les grosses particules avaient été éliminées par filtration. Les mycobactéries sont particulièrement sujettes à l'agglutination en culture en raison de leurs parois cellulaires épaisses et cireuses38,39,40, et une agglutination importante a été observée dans les suspensions de M. abscessus provenant de milieux solides et liquides41,42. Ainsi, l'agglutination était probablement une cause des phénomènes d'épaulement et de traînée exposés dans cette étude. La longueur d'épaule (tl) était de 4,1 mJ/cm2, ce qui était supérieur à ceux précédemment rapportés22 à 280 nm pour Escherichia coli et Pseudomonas aeruginosa (1,95 mJ/cm2 et 1,01 mJ/cm2, respectivement) mais inférieur à celui des spores de Bacillus subtilis ( 8,24 mJ/cm2). Fait intéressant, la constante de vitesse d'inactivation de M. abscessus (discutée ci-dessous) se situe également entre celles des micro-organismes susmentionnés, ce qui suggère une corrélation possible entre la longueur de l'épaule et la sensibilité aux UV.

Les paramètres du modèle, les mesures de la qualité de l'ajustement et les fluences correspondant à 1, 2, 3 et 4 log d'inactivation sont présentés dans le tableau 1. Le modèle log-linéaire a été ajusté uniquement à la partie linéaire de la courbe et a donné une valeur R2 de 0,984. S'adaptant à la forme sigmoïdale globale, un meilleur ajustement a été fourni par le modèle de Geeraerd, avec un RMSE de 0,138.

La valeur k reflète la sensibilité aux UV des micro-organismes. Étant donné que la fluence est le produit du taux de fluence (généralement constant dans une expérience par lots) et du temps d'exposition, des constantes de taux d'inactivation basées sur la fluence (cm2/mJ) et sur le temps (s-1) peuvent être définies. Dans cette discussion et cette comparaison, seules les constantes de vitesse d'inactivation basées sur la fluence seront utilisées. Étant donné que la réponse de fluence de M. abscessus aux UV n'a pas encore été rapportée à notre connaissance, des études sur le MAC, d'autres MNT et des micro-organismes de référence dans la désinfection de l'eau potable ont été choisies à des fins de comparaison. La comparaison des valeurs k d'études récentes est présentée dans le tableau 2. Pour être complet, les données pour des longueurs d'onde UV-LED similaires ainsi que pour les UV LP (monochromatique à 253,7 nm) et les UV à moyenne pression (MP UV; polychromatique dans la gamme de longueurs d'onde de environ 185 à 600 nm) ont été inclus lorsqu'aucune donnée UV-LED à 280 nm n'était disponible pour le micro-organisme. Étant donné que la sensibilité aux UV dépend considérablement de la longueur d'onde en raison de l'absorption différente par les nucléotides et d'autres biomolécules43, il est inapproprié de comparer directement les valeurs de k pour des longueurs d'onde différentes. Sur la base d'études utilisant une méthodologie similaire22,44, les valeurs de k280 (constante du taux d'inactivation basée sur la fluence à 280 nm) indiquent que M. abscessus est plus résistant que P. aeruginosa et L. pneumophila et beaucoup moins résistant que l'adénovirus, le coliphage MS2, le bactériophage Qβ et les spores de B. subtilis. Le k280 de M. abscessus dans cette étude était d'environ 0,64 fois celui d'E. coli (k280 = 0,56 cm2/mJ, k254 = 0,81 cm2/mJ)22. Selon Hayes et al.16, le k254 moyen de trois isolats de M. avium était de 0,41 cm2/mJ, soit environ 0,51 fois le k254 rapporté pour E. coli par Rattanakul et Oguma22. Shin et al.45 ont rapporté pour deux isolats de M. avium un k254 de 0,17 cm2/mJ, soit 0,21 fois celui rapporté par Rattanakul et Oguma22 pour E. coli, notant que leurs isolats étaient beaucoup plus résistants que la plupart des protozoaires parasites et bactéries pathogènes , et comparable à de nombreux virus pathogènes mais pas aussi résistant que le rotavirus ou l'adénovirus. En tenant compte des différences méthodologiques et en supposant une certaine similitude dans la sensibilité aux UV au sein des MNT, nos résultats semblent cohérents avec ceux des études sur M. avium et le schéma de sensibilité global des agents pathogènes de l'eau potable de référence.

Compte tenu des micro-organismes généralement utilisés pour la validation du réacteur UV, il était difficile d'identifier un micro-organisme de substitution avec à la fois une sensibilité UV et une courbe de réponse à la fluence similaires (c'est-à-dire présentant une épaule et une queue) à M. abscessus. Bien que sa cinétique d'inactivation soit log-linéaire sans épaulement ni queue, T1UV, un virus à ADN double brin couramment utilisé comme substitut pour la validation du réacteur, présente une sensibilité aux UV comparable à celle de M. abscessus. Ward et al.46 ont trouvé une courbe log-linéaire fluence-réponse pour T1UV avec un k254 de 0,23 cm2/mJ, ce qui suggère que T1UV est un peu moins sensible aux UV que M. abscessus (k280 = 0,356 cm2/mJ). Beck et al.25 ont rapporté des fluences (± 95 % CI) de 4,3 (± 0,4), 8,5 (± 0,9), 12,8 (± 1,3) et 17,0 (± 1,8) mJ/cm2 pour atteindre 1, 2, 3 et Inactivation de 4 log, respectivement, de T1UV à l'aide d'un laser accordable à 253,7 nm. Le groupe a également fourni la sensibilité spectrale relative (spectre d'action) du T1UV, montrant que la sensibilité UV du T1UV à un rayonnement de 253,7 nm et 280 nm est similaire. Les fluences pour l'inactivation 1 et 2 log de T1UV sont légèrement inférieures à celles de M. abscessus, et celles pour l'inactivation 3 et 4 log sont légèrement supérieures à celles de M. abscessus. Ce changement peut être dû à un épaulement dans la courbe de réponse à la fluence de M. abscessus, ce qui peut entraîner une sensibilité aux UV perçue plus faible à de faibles fluences. D'autres études, en particulier avec des contrôles pour l'agglutination, doivent être effectuées pour confirmer la pertinence de T1UV en tant que micro-organisme de substitution pour M. abscessus à 280 nm.

La sensibilité des mycobactéries et des agents pathogènes émergents sélectionnés aux UV LP, au chlore libre, aux chloramines, à l'ozone et au dioxyde de chlore a été comparée par Jacangelo et al.47. Les données ont montré que les mycobactéries (représentées par M. avium et M. fortuitum) sont parmi les microbes les plus résistants pour presque tous les désinfectants, mais surtout pour les désinfectants chimiques. Taylor et al.48 ont étudié les effets du chlore, de la chloramine, du dioxyde de chlore et de l'ozone sur cinq isolats de M. avium et ont trouvé, pour le chlore, CT99,9 % (le produit de la concentration de désinfectant (en parties par million) et du temps (en minutes) à 99,9 % d'inactivation) des valeurs allant de 51 à 204. Ces valeurs étaient 580 à 2 300 fois plus élevées que celles d'E. coli. Pour le dioxyde de chlore et l'ozone, les valeurs de CT99,9 % étaient plus de 100 et 50 fois supérieures (respectivement) à celles d'E. coli. L'agglutination a été contrôlée et ils ont conclu que la plupart des souches de M. avium étaient très résistantes aux quatre désinfectants chimiques étudiés. Des valeurs CT aussi élevées suggèrent que la désinfection chimique n'est pas une méthode efficace pour contrôler les mycobactéries. En revanche, nos résultats et la littérature indiquent que les mycobactéries peuvent être efficacement inactivées aux fluences de désinfection UV courantes (généralement 40 mJ/cm2 dans les réacteurs à grande échelle et 10 à 40 mJ/cm2 dans certains dispositifs de désinfection de l'eau UV-LED POU).

Dans le cadre des OPPP et des POU de traitement de l'eau potable, plusieurs stratégies centrées autour des POU ont été proposées pour réduire l'exposition aux NTM et aux aérosols chargés de NTM49. Il s'agit notamment de : vidanger les chauffe-eau, augmenter la température du chauffe-eau à 55 °C, passer de l'eau courante à l'eau de puits, installer des filtres microbiologiques (taille de pores ≤ 0,2 μm), éviter l'utilisation de filtres à charbon actif granulaire (CAG) (qui favorisent la croissance des MNT sans empêcher leur passage), remplacer les pommeaux de douche par des pommeaux à gros trous, désinfecter mensuellement les pommeaux de douche, réduire les aérosols de la salle de bains, retirer les aérateurs des robinets et faire bouillir l'eau pendant 10 min. Bon nombre de ces stratégies sont inefficaces, chronophages, peut-être irréalisables ou peuvent introduire de nouveaux problèmes, et la plupart ne réduisent le risque d'exposition aux MNT que dans une certaine mesure incertaine. Des études récentes sur les méthodes de désinfection POU pour les MNT considèrent généralement les méthodes basées sur la filtration ou les UV comme les plus réalisables, les plus efficaces et les moins coûteuses50. Falkinham49 note que les filtres à eau avec des tailles de pores ≤ 0,2 μm empêcheront le passage des NTM, et les filtres de remplacement des robinets et des pommes de douche sont disponibles principalement pour le marché hospitalier. Cependant, les filtres doivent être remplacés tous les 30 jours et sont coûteux (par exemple, 50 à 100 $/mois). Des filtres en ligne de 0,2 μm similaires disponibles dans le commerce ont été montrés par Norton et al.50 pour empêcher le passage de M. smegmatis pendant les durées de vie nominales du filtre, tandis qu'un système GAC n'a pas réussi à réduire de manière significative le nombre de M. abscessus et de M. avium. À l'aide d'une suspension mixte de M. abscessus, M. avium et M. chimaera adaptés à l'eau du robinet, le groupe a également évalué un système de filtration sur membrane à fibres creuses en deux étapes, qui empêchait le passage de la suspension mycobactérienne pendant toute la période 68- période d'évaluation de jour. Enfin, deux systèmes différents de stérilisation UV pour bouteilles d'eau, "Mountop" et "SteriPEN", ont été testés avec la même suspension mélangée et traités aux UV conformément aux directives du fabricant une fois par jour pendant 7 jours, suivis d'un traitement une fois par semaine pendant 56 jours maximum. Les deux systèmes UV ont obtenu une réduction > 4 log de la suspension mixte CFU après 4 jours de traitement quotidien, bien que la différence entre les flacons traités et témoins n'ait été significative que pour le système SteriPEN. Cela était probablement dû à l'immersion du dispositif SteriPEN, alors que la lampe Mountop était située dans le couvercle de la bouteille. La suspension mixte et les UFC associées au biofilm ont été dosées après 56 jours, et une réduction > 4 log a été maintenue dans les deux flacons. Les deux systèmes UV utilisaient une petite lampe à mercure UV LP avec un cycle de 90 s, et un seul traitement réduisait considérablement la charge bactérienne dans l'une ou l'autre des bouteilles (0,8 à 1,8 log). Étant donné que le débit de fluence n'a pas été déterminé, il est difficile de comparer leurs résultats à l'étude actuelle. Dans l'ensemble, l'efficacité des POU en ligne et des systèmes par lots pour contrôler les MNT de manière pratique, accessible et pratique a été clairement démontrée. Les résultats de cette étude devraient améliorer la conception des unités de désinfection UV-LED.

L'un des avantages de cette étude par rapport aux recherches précédentes sur la désinfection UV NTM est le nombre élevé de fluences testées, qui a produit une courbe fluence-réponse bien définie. Les phénomènes d'épaulement et de traînée, difficiles à analyser dans les études impliquant moins de fluences45, ont été clairement exprimés. Ces détails ont amélioré l'ajustement du modèle et permis une meilleure compréhension et caractérisation de la cinétique d'inactivation UV des NTM. Une limite de cette étude est le manque d'investigation sur la photoréactivation, alors que l'eau traitée au POU peut être brièvement exposée à la lumière ambiante ou à la lumière du soleil qui déclenche la photoréactivation. Pour M. avium, McCarthy et Schaefer33 ont signalé à la fois une photoréactivation, après 30 min à 3 h d'exposition à la lumière visible après une irradiation UV, et une réparation à l'obscurité, tandis que Hayes et al.16 n'ont trouvé aucune photoréactivation après une irradiation simultanée aux UV et à la lumière fluorescente et aucune réparation à l'obscurité. . Pour M. terrae, Bohrerova et Linden18 ont évalué la photo-réparation sous 30 min d'exposition à un éclairage à spectre complet après une irradiation UV LP ou MP UV. Une photo-réparation de 0, 4 à 10% et de 16 à 43% par test de viabilité CFU et test de site sensible aux endonucléases (ESS), respectivement, a été signalée, sans différence statistiquement significative entre l'irradiation UV LP et UV MP. En raison des différences dans les méthodologies, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si et quelles espèces de MNT effectuent une photoréactivation. Dans notre expérience, alors que l'irradiation a été effectuée sous un éclairage jaune tamisé pour minimiser la photoréactivation, la dilution et le placage ont été effectués dans un éclairage fluorescent de la pièce, et le temps d'exposition pour chaque lot était similaire. Si une photoréaction devait avoir eu lieu, les résultats seraient toujours conservateurs. Une autre limitation est le manque de contrôle de l'agglutination. Barr et al.51 ont récemment rapporté que l'agrégation de mycobactéries était un déterminant majeur du nombre d'UFC et ne pouvait pas être perturbée par le vortex, la sonication ou la centrifugation, telle que mesurée par cytométrie en flux (FCM). Ainsi, alors que le vortex a été effectué pendant au moins plusieurs secondes avant chaque manipulation au cours des expériences, des méthodes plus puissantes pourraient mieux perturber l'agglutination et affecter les phénomènes d'épaulement et de queue.

Cette étude a utilisé un système discontinu avec des boîtes de Petri contenant des solutions mixtes et non fluides de micro-organismes de concentrations connues avec des fluences connues, alors que les réacteurs UV réels et les unités de désinfection POU sont généralement des systèmes à circulation. Les résultats peuvent être appliqués à de tels systèmes à circulation continue en déterminant d'abord la fluence équivalente de réduction (REF) du système (mJ/cm2), la fluence UV délivrée par un réacteur UV telle que déterminée par un test de biodosimétrie, dans un ensemble de conditions de fonctionnement. Ensuite, la courbe fluence-réponse de cette étude peut être utilisée pour estimer l'inactivation attendue de M. abscessus en utilisant ce réacteur dans ces conditions de fonctionnement. Même au stade de la conception initiale, si la fluence est estimée à l'aide d'une modélisation informatique, la courbe peut à nouveau fournir l'inactivation attendue. Ainsi, les résultats peuvent être utilisés pour concevoir ou estimer les performances d'unités de désinfection UV réelles.

En conclusion, les LED UV 280 nm sont efficaces pour la désinfection de M. abscessus dans l'eau, avec une inactivation de 2 log attendue à une fluence de 10 mJ/cm2, ce qui est techniquement possible de fournir même avec des appareils compacts disponibles dans le commerce pour les applications POU . La modélisation de la cinétique d'inactivation a montré que M. abscessus est plus résistant que P. aeruginosa et L. pneumophila, suggérant que les NTM sont parmi les OPPP les plus résistants aux UV, et des recherches supplémentaires pourraient conduire à des micro-organismes de substitution appropriés pour la validation du réacteur. Nos résultats peuvent être utilisés pour éclairer la conception des unités de désinfection UV-LED contre ces agents pathogènes importants dans les systèmes d'eau potable.

Cet article ne contient aucune information supplémentaire. Les données qui appuient les conclusions de cette étude sont incluses dans cet article; de plus amples informations peuvent être adressées à l'auteur correspondant.

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Cette étude a été soutenue par la Japan Society for the Promotion of Science (Grants-in-Aid for Scientific Research (A), 20H00257), le ministère de l'Environnement et le ministère de la Santé, du Travail et du Bien-être. Les auteurs sont reconnaissants à Nikkiso Co. Ltd. pour les conseils techniques et le soutien à l'appareil UV-LED. Nous remercions également le Dr Surapong Rattanakul pour son aide dans la pratique de l'exposition aux UV-LED, et M. Zhongchun Zeng pour les commentaires et suggestions fructueux lors de la rédaction du manuscrit.

Département de génie urbain, Université de Tokyo, Tokyo, 113-8654, Japon

Jack Jia Xin Song, Kumiko Oguma & Satoshi Takizawa

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KO a conçu l'idée, fourni les ressources, supervisé le travail de la conception expérimentale à l'analyse et à l'interprétation des données, et rédigé le manuscrit. JJXS a conçu l'analyse, mené l'expérience pour collecter les données, mis en œuvre l'analyse globale, interprété les données, dessiné les figures et d'abord rédigé le manuscrit. ST a supervisé l'analyse des données et modifié le manuscrit.

Correspondance avec Jack Jia Xin Song.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Song, JJX, Oguma, K. & Takizawa, S. Cinétique d'inactivation des LED UV à 280 nm contre Mycobacterium abscessus dans l'eau. Sci Rep 13, 2186 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29338-w

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Reçu : 03 novembre 2022

Accepté : 01 février 2023

Publié: 07 février 2023

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

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