metalliyhdisteiden käyttö mikrobilääkkeinä ulottuu tuhansia vuosia taaksepäin ja 1900‐luvulle, vain korvautuakseen orgaanisten antibioottien käyttöönotolla 1900-luvun puolivälissä (Hobman and Crossman, 2015). Metallipohjaiset mikrobilääkkeet (MBA) lupaavat kestävää kehitystä kohti tartuntatauteja (YK: n kestävän kehityksen tavoitteet ‐ 3.3), mutta niiden käyttö ja käytännöt vaikuttavat muihin kestävän kehityksen tavoitteisiin, mukaan lukien 3.9, 6.3 ja 12.4, jotka kaikki liittyvät saastumattomiin ympäristöihin terveelliseen elämään.
mikrobilääkkeiden lopullinen tavoite on korkea teho pienillä annoksilla ilman resistenssin kehittymistä. Uusi kiinnostus metalleja kohtaan mikrobilääkkeinä ja biosidivalmisteina näkyy toiveissa vastustuskyvyn heikkenemisestä. Perinteiset antibiootit pyrkivät noudattamaan bullet-target-konseptia, joka vaikuttaa tiettyihin biokemiallisiin prosesseihin: replikointi, transkriptio, translaatio ja muut taloudenhoidon metaboliset entsyymit, jotka tarjoavat helpon progressiivisen resistenssin (Tenover, 2006; Aminov, 2010). Vaihtoehtoisesti metallit näyttävät kohdistuvan useisiin soluprosesseihin, jotka johtavat pleiotrooppisiin vaikutuksiin bakteerisoluihin (Lemire et al., 2013).
nykyään tiedetään yleisesti, että erilaiset metalli-ionit ovat myrkyllisiä bakteereille (Nies, 1999; Harrison et al., 2004). Kaiken kaikkiaan metallit, joita yhä useammin pidetään mikrobilääkkeinä, kuuluvat tyypillisesti D‐lohkon siirtymämetalleihin (V, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Tb, W, Ag, Cd, Au, Hg) ja muutamiin muihin jaksollisen järjestelmän ryhmiin 13-16 kuuluviin metalleihin ja metalloideihin (Al, Ga, Ge, As, Se, Sn, SB, Te, Pb ja Bi). Mielenkiintoinen löytö tehtiin yli 10 vuotta sitten, että metalleilla on vahva teho mikrobeja vastaan kasvaa biofilm (Teitzel and Parsek, 2003; Harrison et al., 2004). Tämä oli merkittävää, koska biofilmien pohjimmainen fenotyyppi on niiden mikrobilääkeresistenssi (Stewart and Costerton, 2001). Lisäksi metallit ovat osoittaneet jonkin verran tehoa persister-soluihin, säännöllisten solujen lepotilassa oleviin variantteihin, jotka olivat läpäisemättömiä antibiooteille (Harrison et al., 2005a, b).
olemme nähneet MBAs-tuotteiden, erityisesti Cu: n ja Ag: n, laajan kaupallisen käyttöönoton viime vuosikymmeninä. Tutkimuksissa on dokumentoitu metalli-ionien tehoa ja suorituskykyä useissa lääkinnällisissä laitteissa ja tuotteissa. Seuraavassa on muutamia esimerkkejä: AG: tä sisältävät haavasiteet ovat osoittautuneet varsin tehokkaiksi, mikä osoittaa solujen elinkyvyn vähentyneen 99% (Boonkaew et al., 2014). AG: llä pinnoitetut virtsakatetrit ovat merkittävä hyöty virtsatieinfektiopotilaille verrattuna perinteisiin seoksella päällystettyihin katetreihin (Rupp et al., 2004). AG: n ja Ti: n deposition kautta tuotetut yhdistelmäpinnoitteet ovat myös osoittaneet solujen elinkyvyn heikkenevän Staphylococcus aureusta ja Klebsiella pneumoniae-bakteeria vastaan, mutta niillä ei ole sytotoksisuutta epiteeli-ja osteoblastisoluille (Ewald et al., 2006). Koska taudinaiheuttajat leviävät yhä enemmän eri pinnoilla, on tutkittu erilaisia Cu-pinnoitteita, jotka voivat vähentää patogeenisten mikro-organismien elinkelpoisuutta; raportit ovat osoittaneet Listeria monocytogenesnm: n (Wilks et al., 2006), Escherichia coli, mukaan lukien verosytotoksigeeninen E. coli (Wilks et al., 2005), Mycobacterium tuberculosis (Mehtar et al. 2008), Salmonella enterica, Camplylobacter jejuni (Faúndez et al., 2004), vankomysiinille resistentit enterokokit (Warnes and Keevil, 2011), metisilliinille resistentti S. aureus (Noyce et al., 2006). Bakteerien elinkyky on vain minuuteista muutamaan tuntiin Cu-pinnan altistuksella verrattuna muihin pintoihin, kuten ruostumattomaan teräkseen, PVC: hen, alumiinipronssiin ja piipronssiin. Kuparioksidilla kyllästetyillä suojaavilla hengitysilmanaamioilla on tehostettu influenssan vastainen biosidivaikutus (Borkow et al., 2010) ja Cu‐kyllästettyjen sukkien on osoitettu parantavan pienten haavojen ja viiltojen paranemista diabeetikoilla (Borkow et al., 2009). Nykyään on myös tavallista, että Cu / Ag-ionisaattoreita käytetään legionellan torjuntaan juomaveden jakelujärjestelmissä sairaaloissa sairaalainfektioiden lieventämiseksi (Lin et al., 2011). Monien edellä mainittujen organismien torjunta on terveyden kestävyyden kannalta avainasemassa, kuten WHO: n tuoreessa prioriteettipatogeeniluettelossa todetaan, joista uusia antibiootteja tarvitaan kiireellisesti (Tacconelli et al., 2017).
nykyisin metallipitoisia yhdisteitä voi ostaa kaupoista ja verkosta; itse asiassa hopea on löytänyt tiensä lukuisiin kulutustuotteisiin, kuten vaatteisiin, deodorantteihin, hammasharjoihin, juomalaseihin ja jopa hopeaionisaattoripesukoneisiin. Yritykset tarjoavat nyt hopeapinnoituspalveluja useille tuotteille lattianpäällysteistä keittiövälineisiin ja elintarvikkeiden säilytysastioihin, muutamia mainitaksemme. Samaan aikaan näemme myös kuparin käytön monissa tämäntyyppisissä tuotteissa. Tuotemainontaan kuuluu luottamus metallin käytön turvallisuuteen antimikrobisena aineena, mutta huolimatta siitä, että on julkaistu runsaasti tietoa metallien myrkyllisyyden mekanismeista, monissa tapauksissa tarkat mekanismit, joilla ne tappavat mikrobeja, ja niiden vaikutus ihmissoluihin on edelleen epäselvä.
vaikka tällainen MBAs‐Tablettien yleinen käyttö on hyödyllistä markkinoinnissa, se johtaa tehon menetykseen samaan tapaan kuin antibioottien väärinkäyttö ja liikakäyttö, joka on johtanut moniantibioottiresistenssikantoihin ja niiden nopeaan tehon menetykseen. Valitettavasti se voi olla jo liian myöhäistä, ainakin Ag: lle ja Cu: lle, koska ne ovat laajalti käytössä. Lisäksi on jo olemassa lukuisia raportteja eri metallipohjaisten mikrobilääkkeiden välisestä ristiresistenssistä (esim.Torres‐Urquidy ja Bright, 2012), joka voi johtaa monimetalliresistenssiin (MMR). Toki mikrobeilla, erityisesti biofilminä kasvavilla, on luontainen kyky kehittää MMR (Harrison et al., 2007).
Materiaalitasealueiden käytön Kestävyyskäytännöissä tulisi käsitellä myös jätteitä. Näemme jo, että maataloudessa käytetään MBAs-yhdisteitä karjan ja viljelykasvien viljelyyn, mikä johtaa lisääntyneeseen metallikuormaan maaperässä ja sadanta – /kasteluvalumiin. Lisäksi näyttää siltä, että antibioottiresistenssigeenit ja metalliresistenssigeenit esiintyvät yhdessä (Li et al., 2017). Bioteknologian lähestymistapojen lisäksi omic: n teknologinen vallankumous, erityisesti genomiikka ja proteomiikka, voi tarjota biomarkkereita resistenssiominaisuuksille, kun ne on tunnistettu. Viime kädessä tämä voi johtaa metallisten mikrobilääkkeiden kestävään käyttöön kohdennettujen/yksilöityjen sovellustapojen avulla, erityisesti silloin, kun MBAs-standardeja ei käytetä, kun resistenssimerkkejä on.
myrkyllisten epäpuhtauksien, myös metallien, Bioremedikaatio on ratkaisevan tärkeää kestävän terveyden ja taloudellisen hyvinvoinnin kannalta. Useimmissa maailman maissa lainsäädäntö on kuitenkin heikko ja maltilliset sakot ovat useimmille teollisuudenaloille yksinkertaisesti liiketoiminnan kustannuksia. Kunnostamiseen ei ole valtaosin juurikaan käyttövoimaa, ja siksi näemme parhaimmillaan kaivamista ja kaatamista tai aitaamista pois käytännöistä. Ilman tiukempaa lainsäädäntöä ja rangaistuksia ainoa tapa innostaa teollisuutta on lisätä kannustimia bioremediointiprosessissa olevaa tuotetta kohtaan. Tämä on nyt tulossa mahdolliseksi metalli-ja metalloidisaasteiden bioremediassa.
tämän metallisaasteen lähteen lieventämiseksi olisi käytettävä mikrobien bioremediaation avulla toteutettavia kunnostusstrategioita. Vaikka metallien vastustuskyky voi johtua vähentyneistä sisäänotto-tai poistumamekanismeista, muita biotekniikassa hyödynnettäviä mekanismeja metallien bioremediassa ovat biotransformaatio ja saostuminen sekä metallien biosorptio. Sademäärä (biomineralisaation kautta)on jännittävä mahdollisuus metallien talteenottoon metallien saastuttamista vesi – / merijärjestelmistä (Golby et al., 2014). Esimerkiksi metallinjalostuksen mikrobipesureita voitaisiin käyttää kunnallisissa jätevedenpuhdistamoissa, joissa vapautuu miljoonia dollareita jalometalleja vuodessa (Dobson and Burgess, 2007; Westerhoff et al., 2015).
viime aikoina metalleihin perustuvien Nano‐mikrobilääkkeiden kehitys on ollut räjähdysmäistä (Dastjerdi and Montazer, 2010). Lisäksi kehitteillä on jännittävä bioteknologia, jossa mikrobeja käytetään vihreän kemian tehtaina metallisten nanomateriaalien tuottamiseen.; näiden biofactory-tuotettujen nanomateriaalien tehoa ja arvoa nano‐MBA: na on tutkittu. Esimerkkejä ovat AuNP (Maliszewska et al., 2014), AgNP (Fayaz et al., 2010), SeNP (Cremonini et al., 2016; Piacenza et al., 2017)ja TeNP (Srivastava et al., 2015). Tässä voidaan käyttää bakteereita metallisaasteen korjaamiseen uusien nano-MBA-materiaalien tuottamiseksi kestävällä tavalla. Mikrobien käyttäminen metallisten nanomateriaalien tuottamiseen antimikrobisilla ominaisuuksilla on realistinen bioteknologinen lupaus kohti kestävää kehitystä, sillä se hyödyntää vihreitä synteettisiä lähestymistapoja stabiileihin nanomateriaaleihin, jotka ovat parempia kuin niiden kemiallisesti syntetisoidut vastineet.
vaikka MBAs‐yhdisteiden tähänastinen tutkimus on varsin lupaavaa, näiden metallien toksikologian ymmärtäminen ihmisiin, kotieläimiin, viljelykasveihin ja koko (mikrobien) ekosysteemiin on puutteellista. Krooninen altistuminen jätetään usein huomiotta. Kestävän käytännön saavuttamiseksi sekä akuuttiin että krooniseen altistumiseen perustuvia toimintatapoja on tutkittava järjestelmällisesti samanaikaisesti metallien antimikrobisten/biosidisten ominaisuuksien kanssa.