Die Verwendung von Metallverbindungen als antimikrobielle Mittel reicht Tausende von Jahren zurück und reicht bis ins 20.Jahrhundert zurück, um erst Mitte des 20.Jahrhunderts durch die Einführung organischer Antibiotika ersetzt zu werden (Hobman und Crossman, 2015). Antimikrobielle Mittel auf Metallbasis (MBA) sind vielversprechend für die Nachhaltigkeit gegenüber übertragbaren Krankheiten (UN‐Ziele für nachhaltige Entwicklung ‐ 3.3), doch ihre Verwendung und Praktiken beeinflussen andere SDGs, darunter 3.9, 6.3 und 12.4, die sich alle auf nicht verschmutzte Umgebungen für ein gesundes Leben beziehen.
Das ultimative Ziel von antimikrobiellen Mitteln ist eine hohe Wirksamkeit bei niedriger Dosierung ohne Resistenzentwicklung. Ein erneutes Interesse an Metallen als antimikrobiellen und bioziden Wirkstoffen spiegelt sich in der Hoffnung wider, dass sich weniger Resistenzen entwickeln werden. Traditionelle Antibiotika neigen dazu, dem Bullet‐Target-Konzept zu folgen und auf spezifische biochemische Prozesse einzuwirken: Replikation, Transkription, Translation und andere wichtige Stoffwechselenzyme, die eine progressive Resistenz erleichtern (Tenover, 2006; Aminov, 2010). Alternativ scheinen Metalle auf mehrere zelluläre Prozesse abzuzielen, die zu pleiotropen Effekten auf Bakterienzellen führen (Lemire et al., 2013).Es ist heute allgemein bekannt, dass eine Vielzahl von Metallionen für Bakterien toxisch sind (Nies, 1999; Harrison et al., 2004). Insgesamt werden die Metalle, die zunehmend für antimikrobielle Mittel in Betracht kommen, typischerweise innerhalb der Übergangsmetalle des d‐Blocks (V, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Tb, W, Ag, Cd, Au, Hg) und einiger anderer Metalle und Metalloide aus den Gruppen 13-16 des Periodensystems (Al, Ga, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb und Bi). Eine interessante Entdeckung, die vor über 10 Jahren gemacht wurde, dass Metalle eine starke Wirksamkeit gegen Mikroben haben, die als Biofilm wachsen (Teitzel und Parsek, 2003; Harrison et al., 2004). Dies war signifikant, da ein wesentlicher Phänotyp von Biofilmen ihre antimikrobielle Resistenz ist (Stewart und Costerton, 2001). Darüber hinaus haben Metalle eine gewisse Wirksamkeit bei Persisterzellen gezeigt, den ruhenden Varianten regulärer Zellen, die für Antibiotika undurchlässig waren (Harrison et al., 2005a, b).
Wir haben in den letzten Jahrzehnten einen weit verbreiteten kommerziellen Einsatz von MBAs gesehen, insbesondere Cu und Ag. Studien haben die Wirksamkeit und Leistung von Metallionen für eine Reihe von medizinischen Geräten und Produkten dokumentiert. Nachfolgend einige Beispiele: Wundauflagen, die Ag enthalten, haben sich als sehr wirksam erwiesen und zeigen eine 99% ige Verringerung der Zelllebensfähigkeit (Boonkaew et al., 2014). In Ag beschichtete Harnkatheter zeigen im Vergleich zu herkömmlichen legierungsbeschichteten Kathetern einen signifikanten Nutzen für Patienten mit Harnwegsinfektionen (Rupp et al., 2004). Kombinationsbeschichtungen, die durch Abscheidung von Ag und Ti hergestellt wurden, zeigten auch eine verminderte Zelllebensfähigkeit gegen Staphylococcus aureus und Klebsiella pneumoniae, während sie keine Zytotoxizität für Epithel- und Osteoblastenzellen zeigten (Ewald et al., 2006). Mit zunehmender Übertragung von Krankheitserregern auf verschiedenen Oberflächen wurden verschiedene Cu-Beschichtungen auf ihr Potenzial zur Verringerung der Lebensfähigkeit pathogener Mikroorganismen untersucht., 2006), Escherichia coli, einschließlich eines verocytotoxigenen E. coli (Wilks et al., 2005), Mycobacterium tuberculosis (Mehtar et al. 2008), Salmonella enterica, Camplylobacter jejuni (Faúndez et al., 2004), Vancomycin‐resistente Enterokokken (Warnes und Keevil, 2011), Methicillin‐resistente S. aureus (Noyce et al., 2006). Die Lebensfähigkeit von Bakterien ist auf den Zeitskalen von nur Minuten bis zu einigen Stunden mit Cu-Oberflächenexposition, im Vergleich zu anderen Oberflächen wie Edelstahl, PVC, Aluminiumbronze und Siliziumbronze. Mit Kupferoxid imprägnierte Atemschutzmasken zeigen eine erhöhte biozide Anti-Influenza-Aktivität (Borkow et al., 2010) und Cu‐imprägnierte Socken haben gezeigt, dass sie die Heilung kleinerer Wunden und Schnitte bei Diabetikern verbessern (Borkow et al., 2009). Es ist heute auch üblich, Cu / Ag-Ionisatoren zur Bekämpfung von Legionellen in Trinkwasserverteilungssystemen in Krankenhäusern einzusetzen, um nosokomiale Infektionen zu mildern (Lin et al., 2011). Die Kontrolle vieler der oben genannten Organismen ist der Schlüssel zur gesundheitlichen Nachhaltigkeit, da viele auf der jüngsten WHO-Prioritätenliste aufgeführt sind, von denen neue Antibiotika dringend benötigt werden (Tacconelli et al., 2017).Derzeit können metallhaltige Verbindungen in Geschäften und im Internet gekauft werden; Tatsächlich hat Silber seinen Weg in zahlreiche Konsumgüter wie Kleidung, Deodorant, Zahnbürsten, Trinkgläser und sogar Silberionisator-Waschmaschinen gefunden. Unternehmen bieten jetzt Silberbeschichtungsdienste für eine Reihe von Produkten an, von Fußböden über Küchenutensilien bis hin zu Aufbewahrungsbehältern für Lebensmittel, um nur einige zu nennen. Parallel dazu sehen wir auch die Verwendung von Kupfer für viele dieser Arten von Produkten. Trotz der Fülle von Informationen, die über die Mechanismen der Metalltoxizität veröffentlicht wurden, sind in vielen Fällen die genauen Mechanismen, mit denen sie Mikroben abtöten, und ihre Wirkung auf menschliche Zellen noch unklar.
Obwohl nützlich in der Vermarktung, wird eine solche gemeinsame Verwendung von MBAs zu einem Verlust der Wirksamkeit führen, ähnlich wie der Missbrauch und übermäßiger Gebrauch von Antibiotika, die zu Multi‐Antibiotika-Resistenzstämmen und deren schnellen Verlust der Wirksamkeit geführt hat. Leider kann es aufgrund ihres weit verbreiteten Einsatzes zumindest für Ag und Cu bereits zu spät sein. Darüber hinaus gibt es bereits zahlreiche Berichte über Kreuzresistenzen zwischen verschiedenen antimikrobiellen Mitteln auf Metallbasis (z. B. Cu‐ und Ag‐Kreuzresistenzen, berichtet von Torres‐Urquidy und Bright, 2012), die zu Multimetallresistenzen (MMR) führen können. Sicherlich haben Mikroben, die insbesondere als Biofilm wachsen, die inhärente Fähigkeit, MMR zu entwickeln (Harrison et al., 2007).
Nachhaltigkeitspraktiken bei der Verwendung von MBAs sollten auch eine Diskussion über Abfälle beinhalten. Wir sehen bereits MBAs in der Landwirtschaft für Vieh und Getreide, was zu einer erhöhten Metallbelastung in Böden und Niederschlag / Bewässerungsabfluss führt. Darüber hinaus scheint es ein Ko‐Vorkommen und eine Koselektion von Antibiotikaresistenzgenen mit Metallresistenzgenen zu geben (Li et al., 2017). Als Ergänzung zu biotechnologischen Ansätzen kann die technologische Revolution des omic, insbesondere Genomik und Proteomik, Biomarker für Resistenzmerkmale liefern, sobald sie identifiziert sind. Letztendlich kann dies durch gezielte / personalisierte Anwendungsansätze zu einem nachhaltigen Einsatz von metallmikrobiellen Wirkstoffen führen, insbesondere wenn MBAs nicht eingesetzt werden, wenn Resistenzmarker vorhanden sind.
Die biologische Sanierung toxischer Schadstoffe, einschließlich der Metalle, ist entscheidend für eine nachhaltige Gesundheit und das wirtschaftliche Wohlergehen. In den meisten Ländern der Welt ist die Gesetzgebung jedoch schwach und die moderaten Geldbußen werden für die meisten Branchen einfach als Geschäftskosten angesehen. Hauptsächlich, Es gibt wenig treibende Kraft für die Sanierung und somit, Wir sehen bestenfalls Praktiken zum Graben und Abladen oder Abzäunen. Ohne strengere Rechtsvorschriften und Sanktionen besteht die einzige Möglichkeit, die Industrie zu inspirieren, in zusätzlichen Anreizen für ein Produkt im Bioremediationsprozess. Dies wird nun zu einer Möglichkeit im Bereich der Bioremediation von Metall- und Metalloidkontaminanten.
Um diese Metallschadstoffquelle zu mildern, sollten Sanierungsstrategien durch mikrobielle Bioremediation eingesetzt werden. Obwohl die Resistenz gegen Metalle durch verminderte Aufnahme- oder Effluxmechanismen erfolgen kann, sind andere Mechanismen, die in der Biotechnologie für die Metallbioremediation ausgenutzt werden müssen, Biotransformation und Präzipitation zusammen mit Biosorption von Metallen. Niederschlag (durch Biomineralisierung) ist eine aufregende Aussicht, Metalle aus metallkontaminierten aquatischen / marinen Systemen zurückzugewinnen (Golby et al., 2014). Zum Beispiel könnten mikrobielle Biowäscher von metallverarbeitenden Mikrobengemeinschaften an kommunalen Abwasserbehandlungsstandorten eingesetzt werden, an denen jährlich Millionen von Dollar an Edelmetallen freigesetzt werden (Dobson und Burgess, 2007; Westerhoff et al., 2015).
Vor kurzem gab es eine Explosion in der Entwicklung von nano‐antimikrobiellen Mitteln auf der Basis von Metallen (Dastjerdi und Montazer, 2010). Darüber hinaus ist eine spannende Biotechnologie mit Mikroben als grüne chemische Fabriken zur Herstellung von Metall-Nanomaterialien in der Entwicklung; diese biofactory-produzierten nanomaterials sind für ihre Wirksamkeit und Wert als Nano‐MATERIALIEN erforscht worden. Beispiele hierfür sind AuNP (Maliszewska et al., 2014), AgNP (Fayaz et al., 2010), SeNP (Cremonini et al., 2016; Piacenza et al., 2017) und TeNP (Srivastava et al., 2015). Hier kann man Bakterien für die Sanierung eines Metallschadstoffs nutzen, um neuartige nanoelektronische Materialien nachhaltig zu erzeugen. Die Verwendung von Mikroben zur Herstellung von Metallnanomaterialien mit antimikrobiellen Eigenschaften ist ein realistisches biotechnologisches Versprechen in Richtung Nachhaltigkeit, da es grüne synthetische Ansätze für stabile Nanomaterialien nutzt, die ihren chemisch synthetisierten Gegenstücken überlegen sind.
Während die bisherige Forschung zu MBAs vielversprechend ist, fehlt das Verständnis der Toxikologie dieser Metalle auf Mensch, Vieh, Kulturpflanzen und das (mikrobielle)Ökosystem als Ganzes. Chronische Exposition wird häufig ignoriert. Um eine nachhaltige Praxis zu erreichen, müssen Maßnahmen, die sowohl auf akuter als auch auf chronischer Exposition beruhen, systematisch parallel zu den antimikrobiellen / bioziden Eigenschaften der Metalle untersucht werden.