序贯UVC辐照与光催化(Photocatalytic)处理协同增强革兰氏阳性菌灭活

《Journal of Photochemistry and Photobiology》：Sequential UVC Irradiation and Photocatalytic Treatment for Enhanced Gram-Positive Bacterial Inactivation

　　

研究人员以干酪乳杆菌(Lactobacillus casei，L. casei)作为生物安全且具胁迫耐受性的模式菌株，研究了序贯紫外线C（Ultraviolet C，UVC）辐照与光催化(Photocatalytic)处理对革兰氏阳性菌的灭活效果。人造环境中革兰氏阳性菌的快速、完全灭菌仍是亟待解决的难题，细菌再生长常导致常规消毒策略失效。光催化处理采用具有高活性且便于磁分离的纳米级磁性TiO2-SiO2/Fe3O4光催化剂。单独UVC辐照因细菌再生长而无法实现完全灭菌，单独光催化处理则需延长辐照时间（＞120分钟）。相比之下，序贯组合处理（10分钟UVC辐照＋40分钟光催化处理，总计50分钟）实现了完全灭菌。这种增效源于UVC诱导广泛的DNA损伤，随后活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）介导破坏DNA修复通路及必需细胞功能，使细胞处于修复受抑状态。本研究通过建立"修复受抑消毒模式（repair-suppressed disinfection regime）"——即杀菌效能不取决于初始损伤程度而取决于对生物恢复通路的抑制——为革兰氏阳性菌消毒确立了新范式。

《Sequential UVC Irradiation and Photocatalytic Treatment for Enhanced Gram-Positive Bacterial Inactivation》论文解读

本文发表于Journal of Photochemistry and Photobiology。革兰氏阳性菌（Gram-positive bacteria）具有厚肽聚糖层（20–80 nm）及强应激响应系统，生物膜形成能力强，于自来水系统、医疗器械及医院设施等人造环境中持续由人体脱落接种，常规紫外线C（Ultraviolet C，UVC，200–280 nm）辐照虽经DNA光损伤（形成环丁烷嘧啶二聚体 Cyclobutane Pyrimidine Dimers，CPDs）抑制复制，但菌体拥有核苷酸切除修复（Nucleotide Excision Repair，NER）和光复活修复（Photoreactivation），致可逆抑制而非不可逆灭菌；单独光催化(Photocatalytic)灭菌靠TiO₂受光激发产生活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS：·OH、O₂^?、H₂O₂）攻击膜脂、蛋白及核酸，但因从完整活细胞起步需较长累积氧化损伤时间。两者互补特性提示序贯联用可能协同——先UVC造成大量DNA损伤，后光催化ROS破坏修复酶及膜/代谢系统，将可逆损伤转为不可逆灭活，此针对革兰氏阳性菌的序贯UVC–光催化处理此前鲜有探究。Kiguchi M等选用食品安全级（GRAS）耐压模式菌干酪乳杆菌（Lactobacillus casei，L. casei），使用纳米磁性TiO₂-SiO₂/Fe₃O₄可磁回收光催化剂，对比单独UVC、单独光催化及序贯处理（10 min UVC＋不同时间光催化）下菌液培养浊度（McFarland单位）增长曲线以区分可逆抑制与不可逆灭菌，证实序贯法50分钟内完全灭菌（单独光催化＞120 min仍不完全，单独UVC即便60 min仍可复长），提出"修复受抑消毒模式"新概念，对人造水系统（透析水回路、牙科治疗台水路等）革兰氏阳性菌控制具重要应用价值。

主要关键技术方法

以干酪乳杆菌（Lactobacillus casei ATCC KE-99／PROBIOHEALTH Japan Co. Ltd.）为革兰氏阳性菌模式株，制备纳米磁性TiO₂-SiO₂/Fe₃O₄光催化剂（FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O、TiO₂P25、硅酸钠等共沉淀-包覆法，SiO₂中间层防磁核光溶并保TiO₂壳表面活性）。设三组处理：①UVC辐照（12 W汞灯，17 mW/cm²，流通式反应器，不同时间）；②光催化处理（加0.15 g催化剂于150 mL菌悬液，365 nm LED 40 mW/cm²，不同时间）；③序贯处理（先10 min UVC后接续光催化不同时间）。处理后取10 μL接种于3 mL MRS肉汤37℃培养，用细菌比浊仪测McFarland单位绘制生长曲线，依延滞期长短与是否最终混浊判定可逆抑制或完全灭菌（对比传统菌落形成单位 Colony Forming Unit，CFU法），同批次催化剂保证内部一致性，实验三重复。

3. Results

UVC单独处理结果：UVC辐照降低活菌浓度，10分钟内存活菌降至1％（一级动力学速率常数0.96±0.05 min^?1），超10分钟后不再随照射时间下降——达剂量饱和转入"修复受限存活区（repair-limited survival regime）"。所有时长（含60 min）处理后菌液培养30 h均变混浊恢复生长，说明单纯UVC只延滞生长（lag phase延长）无法彻底灭菌，残存菌具完整复制能力。

光催化单独处理结果：随光催化时间延长，活菌数单调下降（一级动力学速率常数0.064±0.015 min^?1），浊度出现延滞且延滞与处理时长正相关，无UVC那种平台区。本研究所用药剂批次需＞50～120 min才可实现完全灭菌（部分批次未完全），证明单独光催化无修复复活但耗时偏长。

序贯UVC＋光催化处理结果：先10 min UVC（活菌降至约1％并引入大量CPDs）接40 min光催化后培养80 h无混浊——完全灭菌；对照单独光催化同样催化剂即便120 min仍有复长。序贯组浊度上升较单独光催化延迟＞8 h，说明UVC预损大幅提升后续ROS致死效率。另验证对变异链球菌（Streptococcus mutans）亦有效（10 min UVC＋30 min光催化完全灭菌）。计算恢复抑制因子（Recovery Suppression Factor，RSF＝T_photo／T_seq）＞120 min／50 min＝2.4，表明明显协同（synergistic）效应而非简单加和。

4. Discussion（总结）

UVC（254 nm）穿透肽聚糖壁直接被核酸吸收产CPDs（T–T＋hν→T<>T CPD），主要经光裂合酶（photolyase，近UV／可见光驱动）暗修复NER清除；L. casei单独UVC后终能全修复故可复长。光催化TiO₂受光生e^?／h⁺，e^?＋O₂→O₂^?，h⁺＋H₂O→·OH，O₂^?＋2H⁺＋e^?→H₂O₂；ROS同时：(1)膜磷脂发生脂质过氧化（LH＋·OH→·L→·LOO→LOOH）损膜完整性致质子动力势崩溃；(2)氧化蛋白质—SH为—SOH／—S·使DNA修复酶（photolyase及NER关联蛋白）失活；(3)直接致碱基氧化（8-oxo-dG）及DNA链断裂。序贯处理中UVC先造成大量需修复的CPDs，紧接ROS破坏修复酶及供能代谢，使原本可修损伤变不可逆——即修复受抑消毒机制。选择序贯而非同步处理可避免TiO₂吸UVC干扰DNA直接损伤、让损伤累积最大化且便于工程分步实施（管道内UVC＋槽式光催化）。研究未做DNA链断裂、膜完整性染色及ROS定量属局限，拟后续补充分子验证。

5. Conclusion（结论译文）

本研究证明序贯施加UVC辐照继以光催化(Photocatalytic)处理可通过将潜在可逆UVC诱导的生长抑制转化为不可逆细胞毁灭，实现对革兰氏阳性菌快速完全灭活。以干酪乳杆菌（Lactobacillus casei，L. casei）为生物安全模式生物，短时间UVC预处理（10 min）显著加速光催化灭菌，40 min内达完全灭活；单独光催化需极长时间且单独UVC不能阻止细菌再生长。灭菌时间缩短源自UVC广泛诱导DNA损伤与后续ROS介导破坏DNA修复通路、细胞膜及基本代谢功能的联合作用。使用纳米磁性TiO₂-SiO₂/Fe₃O₄光催化剂解决了高效回收再利用及二次污染障碍。序贯处理抑制处理后再生长之能力对透析水回路及牙科治疗台水路等革兰氏阳性菌生物膜顽固存在的闭环水系统具有重要意义。未来拟补充DNA链断裂检测、膜完整性染色及各类ROS定量评估以分子水平验证所提"修复抑制灭活模型（inactivation model via repair suppression）"。