stosowanie związków metali jako środków przeciwdrobnoustrojowych sięga tysięcy lat wstecz i sięga XX wieku, aby zastąpić je wprowadzeniem organicznych antybiotyków w połowie XX wieku (Hobman and Crossman, 2015). Środki przeciwdrobnoustrojowe na bazie metali (MBA) obiecują zrównoważony rozwój w kierunku chorób zakaźnych (cele zrównoważonego rozwoju ONZ ‐ 3.3), jednak ich stosowanie i praktyki mają wpływ na inne cele zrównoważonego rozwoju, w tym 3.9, 6.3 i 12.4, które odnoszą się do niezanieczyszczonych środowisk dla zdrowego stylu życia.
ostatecznym celem środków przeciwdrobnoustrojowych jest wysoka skuteczność w małych dawkach bez ewolucji oporności. Ponowne zainteresowanie metalami jako środkami przeciwdrobnoustrojowymi i biobójczymi znajduje odzwierciedlenie w nadziei, że zmniejszy się oporność. Tradycyjne antybiotyki mają tendencję do podążania za koncepcją bullet-target, działając na określone procesy biochemiczne: replikację, transkrypcję, translację i inne enzymy metaboliczne, które zapewniają łatwość postępującej oporności (Tenover, 2006; Aminov, 2010). Alternatywnie, metale wydają się celować w wiele procesów komórkowych prowadzących do plejotropowego wpływu na komórki bakteryjne (Lemire et al., 2013).
obecnie powszechnie wiadomo, że wiele jonów metali jest toksycznych dla bakterii (Nies, 1999; Harrison et al., 2004). Ogólnie rzecz biorąc, metale, które są coraz częściej brane pod uwagę w odniesieniu do środków przeciwdrobnoustrojowych, to zazwyczaj metale przejściowe bloku d (V, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Tb, w, Ag, Cd, Au, Hg) oraz kilka innych metali i metaloidów z grup 13-16 układu okresowego (Al, Ga, GE, As, Se, Sn, SB, Te, Pb i Bi). Interesujące odkrycie dokonane ponad 10 lat temu, że metale mają silną skuteczność przeciwko drobnoustrojom rosnącym jako biofilm (Teitzel and Parsek, 2003; Harrison et al., 2004). Było to znaczące, ponieważ kwintesencją fenotypu biofilmów jest ich oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe (Stewart and Costerton, 2001). Ponadto metale wykazały pewną skuteczność na komórkach persister, uśpionych wariantach zwykłych komórek, które były odporne na antybiotyki (Harrison et al., 2005A, b).
w ciągu ostatnich kilku dekad byliśmy świadkami szeroko zakrojonego komercyjnego wdrożenia MBA, w szczególności Cu i Ag. Badania udokumentowały skuteczność i wydajność jonów metali dla wielu wyrobów i produktów medycznych. Poniżej znajduje się kilka przykładów: opatrunki zawierające Ag okazały się dość skuteczne, wykazując 99% zmniejszenie żywotności komórek (Boonkaew et al., 2014). Cewniki moczowe powlekane w Ag wykazują znaczną korzyść dla pacjentów z infekcjami dróg moczowych, w porównaniu z tradycyjnymi cewnikami powlekanymi stopem (Rupp et al., 2004). Powłoki złożone wytwarzane przez osadzanie Ag i Ti wykazały również zmniejszoną żywotność komórek wobec Staphylococcus aureus i Klebsiella pneumoniae, nie wykazując jednocześnie cytotoksyczności wobec komórek nabłonkowych i osteoblastów(Ewald i wsp ., 2006). Wraz ze wzrostem transmisji od patogenów na różnych powierzchniach, różne powłoki Cu zostały zbadane pod kątem ich potencjału w zmniejszaniu żywotności patogennych mikroorganizmów; raporty wykazały zmniejszenie Listeria monocytogenesnm (Wilks et al., 2006), Escherichia coli, w tym verocytotoksyczne E. coli (Wilks et al., 2005), Mycobacterium tuberculosis (Mehtar et al. 2008), Salmonella enterica, Camplylobacter jejuni (Faúndez et al., 2004), enterokoki oporne na wankomycynę (Warnes and Keevil, 2011), oporne na metycylinę S. aureus (Noyce et al., 2006). Żywotność bakterii wynosi zaledwie kilka minut do kilku godzin przy ekspozycji na powierzchnię Cu, w porównaniu z innymi powierzchniami, takimi jak stal nierdzewna, PCV, brąz aluminiowy i brąz krzemowy. Ochronne maski oddechowe impregnowane tlenkiem miedzi wykazują zwiększoną aktywność biobójczą przeciw grypie (Borkow et al., 2010) i skarpety impregnowane Cu okazały się poprawiać gojenie drobnych ran i skaleczeń u pacjentów z cukrzycą (Borkow et al., 2009). Obecnie powszechnie spotyka się jonizatory Cu / Ag stosowane do zwalczania Legionelli w systemach dystrybucji wody pitnej w szpitalach w celu złagodzenia zakażeń szpitalnych (Lin et al., 2011). Kontrola wielu organizmów wymienionych powyżej ma kluczowe znaczenie dla zrównoważonego rozwoju zdrowia, ponieważ wiele z nich odnotowano na niedawnej liście priorytetowych patogenów WHO, których pilnie potrzebne są nowe antybiotyki(Tacconelli et al., 2017).
obecnie związki zawierające metal można kupić w sklepach i w Internecie; w rzeczywistości srebro znalazło się w wielu produktach konsumenckich, takich jak odzież, Dezodoranty, szczoteczki do zębów, szklanki do picia, a nawet pralki z jonizatorem srebra. Firmy oferują obecnie usługi powlekania srebrem dla szeregu produktów, od podłóg po naczynia kuchenne i pojemniki do przechowywania żywności, aby wymienić tylko kilka. Równolegle widzimy również zastosowanie miedzi do wielu tego typu produktów. Reklama produktu obejmuje zaufanie do bezpieczeństwa stosowania metalu jako środka przeciwdrobnoustrojowego, mimo bogactwa informacji opublikowanych na temat mechanizmów toksyczności metali, w wielu przypadkach dokładne mechanizmy, za pomocą których zabijają drobnoustroje, a ich wpływ na komórki ludzkie nadal pozostaje niejasny.
chociaż przydatne w marketingu, takie powszechne zastosowanie MBA doprowadzi do utraty skuteczności, podobnie jak niewłaściwe użycie i nadużywanie antybiotyków, które doprowadziło do szczepów opornych na wiele antybiotyków i ich szybkiej utraty skuteczności. Niestety, może być już za późno, przynajmniej dla Ag i Cu, ze względu na ich powszechne zastosowanie. Ponadto istnieją już liczne doniesienia na temat oporności krzyżowej między różnymi środkami przeciwdrobnoustrojowymi na bazie metali (np. oporność krzyżowa Cu i Ag opisana przez Torres‐Urquidy and Bright, 2012), co może prowadzić do oporności wielometalowej (MMR). Z pewnością drobnoustroje, szczególnie rosnące jako biofilm, mają wrodzoną zdolność do rozwijania MMR (Harrison et al., 2007).
praktyki zrównoważonego rozwoju w zakresie stosowania MBA powinny również obejmować dyskusję na temat odpadów. Widzimy już MBA stosowane w przemyśle rolniczym dla zwierząt gospodarskich i upraw, co prowadzi do zwiększonego obciążenia metalami w glebach i opadach / spływach nawadniających. Ponadto wydaje się, że występuje współwystępowanie i coselekcja genów oporności na antybiotyki z genami oporności na metale (Li et al., 2017). Jako uzupełnienie podejść biotechnologicznych, rewolucja technologiczna omic, w szczególności genomika i proteomika, może dostarczyć biomarkerów cech oporności po ich zidentyfikowaniu. Ostatecznie może to prowadzić do zrównoważonego stosowania metalowych środków przeciwdrobnoustrojowych poprzez skoncentrowane / spersonalizowane podejście do aplikacji, zwłaszcza w przypadku, gdy MBA nie są wdrażane, gdy obecne są markery oporności.
bioremediacja toksycznych zanieczyszczeń, w tym metali, ma kluczowe znaczenie dla trwałego zdrowia i dobrobytu gospodarczego. Jednak w większości krajów na świecie ustawodawstwo jest słabe, a umiarkowane kary dla większości branż są po prostu uważane za koszty prowadzenia działalności gospodarczej. W większości przypadków istnieje niewielka siła napędowa remediacji, a zatem w najlepszym przypadku widzimy praktyki kopania i wyrzucania lub ogrodzenia. Bez silniejszych przepisów i kar jedynym sposobem na zainspirowanie przemysłu jest dodanie zachęt do produktu w procesie bioremediacji. Obecnie staje się to możliwe w dziedzinie bioremediacji zanieczyszczeń metalowych i metaloidowych.
aby złagodzić to źródło zanieczyszczeń metalowych, należy zastosować strategie remediacji za pomocą bioremediacji mikrobiologicznej. Chociaż oporność na metale może być spowodowana zmniejszonym wychwytem lub mechanizmami wypływu, innymi mechanizmami wykorzystywanymi w biotechnologii do bioremediacji metali są biotransformacja i wytrącanie wraz z biosorpcją metali. Opady (poprzez biomineralizację) jest ekscytującą perspektywą odzyskania metali z zanieczyszczonych metalami systemów wodnych/morskich (Golby et al., 2014). Na przykład mikrobiologiczne bio-skrubery społeczności mikrobiologicznych mogą być stosowane w miejskich oczyszczalniach ścieków, w których rocznie uwalniane są miliony dolarów metali szlachetnych (Dobson and Burgess, 2007; Westerhoff et al., 2015).
ostatnio nastąpił wybuch w rozwoju nano-przeciwbakteryjnych środków na bazie metali (Dastjerdi i Montazer, 2010). Ponadto rozwijana jest ekscytująca Biotechnologia wykorzystująca mikroby jako zielone fabryki chemiczne do produkcji nanomateriałów metali; te produkowane w biofabryce nanomateriały zostały zbadane pod kątem ich skuteczności i wartości jako nano‐MBA. Przykładami są AuNP (Maliszewska et al., 2014), AgNP (Fayaz et al., 2010), SeNP (Cremonini et al., 2016; Piacenza et al., 2017) i TeNP (Srivastava et al., 2015). Tutaj można użyć bakterii do rekultywacji zanieczyszczeń metalowych, aby wygenerować nowe materiały nano-MBA w zrównoważony sposób. Wykorzystanie drobnoustrojów do produkcji nanomateriałów metali o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych jest realistyczną obietnicą biotechnologiczną w kierunku zrównoważonego rozwoju, ponieważ wykorzystuje zielone syntetyczne podejścia do stabilnych nanomateriałów, lepsze niż ich chemicznie syntetyzowane odpowiedniki.
podczas gdy dotychczasowe badania nad MBAs są obiecujące, brakuje zrozumienia toksykologii tych metali u ludzi, zwierząt gospodarskich, roślin uprawnych i całego ekosystemu (drobnoustrojów). Przewlekłe narażenie jest często ignorowane. Aby uzyskać zrównoważoną praktykę, polityki oparte zarówno na ostrym, jak i przewlekłym narażeniu muszą być systematycznie badane równolegle z właściwościami przeciwdrobnoustrojowymi/biobójczymi metali.