Die Wirksamkeit von Chlor

May 18, 2023

npj Clean Water Band 4, Artikelnummer: 48 (2021) Diesen Artikel zitieren

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Chlorlösungen werden in großem Umfang zur Herstellung von biologisch unbedenklichem Trinkwasser eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit von Trinkwasseraufbereitungssystemen am Einsatzort (Point-of-Use, POU) hat an Orten an Interesse gewonnen, an denen zentrale Aufbereitungssysteme und Verteilungsnetze nicht praktikabel sind. Diese Studie untersuchte die antimikrobielle und Anti-Biofilm-Aktivität von drei Desinfektionsmitteln auf Chlorbasis (Hypochlorit-Ionen [OCl-], hypochlorige Säure [HOCl] und elektrochemisch aktivierte Lösungen [ECAS]) zur Verwendung in POU-Trinkwasseranwendungen. Die relative antimikrobielle Aktivität wurde in bakteriziden Suspensionstests (BS EN 1040 und BS EN 1276) unter Verwendung von Escherichia coli verglichen. Die Anti-Biofilm-Aktivität wurde unter Verwendung etablierter sessiler Pseudomonas aeruginosa in einem Biofilmreaktor des Center for Disease Control (CDC) verglichen. HOCl zeigte die größte antimikrobielle Aktivität gegen planktonische E. coli bei >50 mg L−1 freiem Chlor in Gegenwart einer organischen Belastung (Rinderserumalbumin). Allerdings zeigte ECAS im Vergleich zu OCl- und HOCl eine deutlich höhere Anti-Biofilm-Aktivität gegen P. aeruginosa-Biofilme bei ≥50 mg L−1 freiem Chlor. Basierend auf diesen Erkenntnissen wären Desinfektionsmittel, bei denen HOCl die vorherrschende Chlorspezies ist (HOCl und ECAS), geeignete alternative Desinfektionsmittel auf Chlorbasis für POU-Trinkwasseranwendungen.

Eine Hauptursache menschlicher Krankheiten ist der Konsum von biologisch kontaminiertem Wasser1. Dies ist besonders relevant für Länder mit niedrigem Einkommen (d. h. das Bruttonationaleinkommen [BNE] pro Kopf beträgt < 1025 USD) und die am wenigsten entwickelten Länder (46 Länder mit niedrigem Einkommen, die mit schwerwiegenden strukturellen Hindernissen für eine nachhaltige Entwicklung konfrontiert sind), in denen schätzungsweise 30 % der Bevölkerung im Durchschnitt Zugang zu grundlegenden sanitären Einrichtungen haben2. Dies steht im Gegensatz zu Ländern der oberen Mittelschicht (BNE pro Kopf 4.036–12.475 US-Dollar) und Ländern mit hohem Einkommen (BNE pro Kopf > 12.476 US-Dollar), die überwiegend zentrale Trinkwasseraufbereitungssysteme nutzen, um die Produktion und Versorgung mit biologisch unbedenklichem Wasser sicherzustellen3. Die Hauptaufgabe der Trinkwasserdesinfektion besteht darin, pathogene Mikroorganismen zu bekämpfen und sicherzustellen, dass aufbereitetes Wasser biologisch trinkbar ist. Chlor in Form von Natriumhypochlorit [NaOCl] ist aufgrund seiner geringen Kosten und wirksamen antimikrobiellen Eigenschaften das am häufigsten verwendete Desinfektionsmittel4. Das Vorhandensein von Restchlor (0,5–5 mg L−1) in Umverteilungsnetzwerken begrenzt das erneute Wachstum von Mikroben und trägt dazu bei, am Abgabepunkt biologisch sicheres Wasser zu erhalten3. Indikatororganismen wie Escherichia coli, Gesamtkolibakterien, Enterokokken und Clostridium perfingens3,5, die auf das Vorhandensein von Fäkalien schließen lassen, werden überwacht, um die Wirksamkeit der Desinfektionsbehandlungsprozesse sicherzustellen. Der empfohlene Grenzwert für diese Indikatororganismen im aufbereiteten Wasser liegt aufgrund ihrer potenziell pathogenen Natur bei null KBE 100 ml−13,5. Leider führt die Verwendung von Chlordesinfektionsmitteln zur Bildung von Desinfektionsnebenprodukten [DBPs]6,7 wie Trihalomethanen8 und Halogenessigsäuren9. Solche Nebenprodukte weisen bekanntermaßen mutagene und krebserregende Eigenschaften auf10 und sind daher höchst unerwünscht.

Point-of-use [POU] drinking water treatment systems do not require distribution networks and therefore negate the need to maintain residual chlorine levels. The World Health Organization recommends free chlorine concentrations of between 0.2 and 0.5 mg L−1 at point of delivery and use3. The use of conventional chlorine-based disinfectants, such as hypochlorite (OCl-), within POU water disinfection requires the storage and transportation of hazardous chemicals and can also cause the formation of harmful DBPs and the deterioration of taste and odour11. Ultraviolet and ozone are well established as disinfection technologies within both decentralised/POU12,13 and large scale drinking water treatment14,3.3.CO;2-1." href="/articles/s41545-021-00139-w#ref-CR15" id="ref-link-section-d222113761e520"> 15, aber ein zusätzlicher Vorteil der Implementierung elektrochemisch aktivierter Lösungen [ECAS] besteht darin, dass sie außerhalb von Wasseraufbereitungssystemen im Rahmen der Lebensmittelproduktion16,17 oder im Gesundheitswesen18,19 eingesetzt werden können. In einer begrenzten Anzahl von Studien wurde ECAS mit häufig verwendeten Chlorwirkstoffen für dezentrale Desinfektionsanwendungen verglichen20,21. Obwohl diese vorläufigen Studien vielversprechend waren, berichtete keine der beiden Studien über den pH-Wert der untersuchten ECAS oder ihre Wirksamkeit gegen Biofilme.

Elektrochemische Desinfektionstechnologien entstehen im Wassersektor8,22 und sind derzeit im Lebensmittelsektor16,17 und in geringerem Maße im klinischen/Gesundheitswesen18,19 gut etabliert. Die Erzeugung von ECAS wurde bereits ausführlich beschrieben19 und wird erzeugt, indem eine Salzlösung durch eine elektrochemische Zelle mit getrennten anodischen und kathodischen Kammern geleitet wird. Anodische Lösungen sind stark oxidativ mit Oxidations-Reduktionspotential-Werten (ORP) von mehr als +1000 mV23,24. Bei diesen ORP-Werten sind anodische Lösungen saurer Natur (pH-Wert zwischen 2 und 5), da sich an der Oberfläche der Anode oxidative, transiente (metastabile) antimikrobielle Spezies bilden. Bei sauren pH-Werten werden die wichtigsten antimikrobiellen chemischen Spezies von hypochloriger Säure [HOCl] (>95 %) und gelöstem Chlor [Cl2] (<5 %) dominiert25,26. Zusätzliche metastabile antimikrobielle Spezies, einschließlich; Es wird auch angenommen, dass OH-, O3, H2O2 und O2- erzeugt werden, obwohl deren Lebensdauer und Aktivität in aktiven Lösungen umstritten ist27,28. Die antimikrobiellen Eigenschaften von ECAS resultieren aus einer Kombination von HOCl und den metastabilen Spezies, die zu den beobachteten hohen ORP-Werten führen. Die Wirkungsweise solcher Lösungen besteht dann im physikalischen Aufbrechen der inneren und äußeren Zellmembranen19,29, was zur Störung und zum Versagen der mikrobiellen Funktionalität, beispielsweise der Energieerzeugungsmechanismen, führt23.

Anstatt im planktonischen Zustand zu existieren, weiß man mittlerweile, dass sich die meisten Mikroorganismen an Oberflächen oder Substraten festsetzen und sessile Gemeinschaften bilden, die als Biofilme bekannt sind30,31. Natürlich vorkommende Biofilme enthalten Multispezies-Mikroorganismen, darunter Bakterien, Algen, Pilze und Protozoen, die in einer extrazellulären Polymersubstanz [EPS]32,33 als Anpassung zum Schutz vor äußeren Belastungen wie Desinfektionsmitteln wie Chlor eingeschlossen sind. Das Vorhandensein von Biofilmen in Trinkwasseraufbereitungssystemen wird als ein Problembereich für die Aufrechterhaltung der Wasserqualität angesehen34,35. Die Bildung von Biofilm auf Infrastrukturen wie Rohren und Filtern führt zu Biofouling, was die Betriebszeit verkürzen und zur Korrosion von Materialien führen kann36,37. Es ist insbesondere bekannt, dass Biofilme als Reservoire für Krankheitserreger fungieren38, indem sie Tochterzellen in große Wasservorräte abgeben. Durch Wasser übertragene Krankheitserreger stammen häufig aus fäkaler Kontamination (z. B. E. coli O157:H7) und können unbehandelt zu potenziell tödlichen Magen-Darm-Erkrankungen führen. Darüber hinaus können opportunistische Krankheitserreger (z. B. Campylobacter-Arten, Legionella-Arten und Pseudomonas aeruginosa) zu Atemwegserkrankungen führen oder gastrointestinale Infektionen und Erkrankungen38. Zunehmend besorgniserregend ist die abnehmende Anfälligkeit von Bakterien in Biofilmen gegenüber antimikrobiellen Mitteln. Es gibt Hinweise darauf, dass reaktive Chlorspezies, z. B. OCl−, nicht in der Lage sind, ausreichend in die extrazelluläre Polymermatrix von Biofilmen einzudringen, um eine wirksame biozide Wirkung auszuüben39,40.

Das Hauptziel dieser Studie war die Untersuchung der antimikrobiellen Aktivität und Biofilmhemmung von OCl-, HOCl und ECAS zur Verwendung in POU-Trinkwassersystemen. Die bakteriziden Aktivitäten von OCl-, HOCl und ECAS wurden mithilfe standardmäßiger chemischer Desinfektionsmitteltests unter Verwendung von Escherichia coli als pathogenem Modellorganismus im Zusammenhang mit der Reduzierung der mikrobiellen Belastung im Hauptwasser verglichen. Darüber hinaus untersuchte diese Studie auch die Wirksamkeit von OCl-, HOCl und ECAS bei der Reduzierung der Dichte etablierter Pseudomonas aeruginosa-Biofilme.

Die antimikrobielle Aktivität der drei Testdesinfektionsmittel gegen E. coli ATCC 10536 wurde mithilfe der bakteriziden Standardmethoden BS EN 1040 und 127641,42 bewertet. Bei beiden Methoden ist eine 5-log-Reduktion des Zielorganismus der Mindestschwellenwert, der erforderlich ist, um zu definieren, dass das Produkt eine bakterizide Aktivität aufweist, wie durch die experimentellen Parameter definiert, entweder in Anwesenheit (BS EN 1276) oder in Abwesenheit (BS EN 1040). einer organischen Belastung. Dies erfordert ein größeres Ausgangsinokulum (8,54 ± 0,27 log10 KBE mL−1) als das, was von E. coli im Eingangswasser für POU-Trinkwasseraufbereitungssysteme zu erwarten wäre (~2,06 ± 1,91 log10 KBE 100 mL−1)43.

Abbildung 1 zeigt die antimikrobielle Aktivität von OCl-, HOCl und ECAS gegen E. coli ohne organische Belastung (BS EN 1040). Bei Konzentrationen von freiem Chlor (FC) ≥ 50 mg L−1 erreichten alle Desinfektionsmittel unter Testbedingungen die erforderliche logarithmische Reduzierung (5 log KBE ml−1)41. Bei einer FC-Konzentration von 25 mg L-1 zeigte OCl- im Vergleich zu ECAS und HOCl eine deutlich verringerte antimikrobielle Aktivität (p < 0,0001). Für OCl- wurde eine Reduzierung um 3,80 ± 1,246 log10 KBE mL-1 beobachtet, was deutlich unter der erforderlichen 5-log-Reduzierung liegt, um zu definieren, dass ein Produkt eine bakterizide Aktivität aufweist, wie durch die Bedingungen des durchgeführten Testtests definiert. Bei derselben Konzentration (25 mg L−1 FC) führte HOCl zu einer vollständigen logarithmischen Reduktion (7,366 ± 0,048 log10 KBE ml−1), wohingegen ECAS zu einer Reduktion von 5,676 ± 0,807 log10 KBE ml−1 führte. Tabelle 1 zeigt die CT-Werte für eine 5-log-Reduktion von E. coli für NaOCl, HOCl und ECAS. CT-Werte sind das Produkt aus der Konzentration eines Desinfektionsmittels (z. B. freiem Aktivchlor) und der Kontaktzeit mit dem zu desinfizierenden Wasser. Der CT-Wert von HOCl (16,51 mg min L-1) war niedriger als der von ECAS (21,98 mg min L-1) und etwa halb so hoch wie der von NaOCl (33,81 mg min L-1), wenn keine Hemmlösung vorhanden war. Diese CT-Werte deuten darauf hin, dass ECAS und OCl im Vergleich zu HOCl höhere FC-Konzentrationen oder Kontaktzeiten für eine äquivalente logarithmische Reduzierung erfordern.

Antimikrobielle Wirksamkeit von NaOCl [schwarz], ECAS [grau] und HOCl [weiß] unter Verwendung standardisierter freier Chlorkonzentrationen gegen E. coli ATCC 10536 und bewertet unter Verwendung von BS EN 1040 (41British Standards Institution, 2005a). Die gepunktete Linie stellt die minimale logarithmische Reduktion (5 log KBE ml−1) dar, die erforderlich ist, um die grundlegende bakterizide Aktivität unter den experimentellen Bedingungen des Tests nachzuweisen (n = 3 ± Standardabweichung [sd]). Signifikante Unterschiede (p-Werte), berechnet durch eine zweifaktorielle ANOVA mit Tukey-Vergleich nach dem Test, mit einem Konfidenzintervall von 95 % (****p < 0,0001; ***p < 0,001). ND = nicht erkannt. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Abbildung 2 zeigt die antimikrobielle Aktivität der drei Desinfektionsmittel in Gegenwart einer geringen Konzentration störender (sauberer) organischer Belastung (0,3 g L−1 Rinderserumalbumin [BSA]). Die höchste getestete FC-Konzentration (150 mg L-1) führte zu einer vollständigen log-Reduktion für NaOCl (7,30 ± 0,019 log10 KBE mL-1) und HOCl (7,30 ± 0,072 log10 KBE mL-1), während ECAS zu einer 6,96 ± führte Reduzierung um 1,536 log10 KBE ml-1. Daher zeigten alle Desinfektionsmittel gemäß den Testbedingungen (BS EN 1276) eine bakterizide Aktivität in Gegenwart einer organischen Belastung. Bei 100 mg L-1 FC zeigten alle Desinfektionsmittel eine signifikante antimikrobielle Wirkung (>5-log-Reduktion) und es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den drei Desinfektionsmitteln, wobei HOCl zu einer vollständigen logarithmischen Reduktion führte, für OCl eine logarithmische Reduktion von 7,871 Es wurde eine Reduzierung um ± 0,74 log10 KBE ml–1 erreicht, während ECAS eine Reduzierung um 6,806 ± 1,09 log10 KBE ml–1 erreichte. Bei 50 mg L-1 FC erreichte OCl- nicht die erforderliche 5-log-Reduktion (4,531 ± 0,15 log10 KBE mL-1), was zu einer deutlich geringeren antimikrobiellen Aktivität im Vergleich zu HOCl und ECAS führte (p < 0,0001). Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen HOCl- und ECAS-Behandlung (p > 0,05). Bei der niedrigsten getesteten FC-Konzentration (25 mg L−1) war ECAS das einzige Desinfektionsmittel, das die Bakterienlast um ≥5 log10 KBE ml−1 reduzierte (Abb. 2), was zu einer logarithmischen Reduzierung um 6,077 ± 1,441 log10 KBE ml−1 führte. Die für die OCl- und HOCl-Behandlung erhaltenen logarithmischen Reduktionen waren beide deutlich geringer als bei ECAS (p < 0,001), wobei HOCl zu einer logarithmischen Reduktion von 3,207 ± 0,505 log10 KBE mL-1 führte, was deutlich größer als die 1,945 ± 0,222 log10 KBE ml war Reduktion um −1 log bei OCl- (p = 0,0011). Die 5-log-Reduktions-CT-Werte für OCl-, HOCl und ECAS mit geringer organischer Belastung zeigten, dass NaOCl den höchsten CT-Wert aufwies (88,96 mg min L-1), gefolgt von HOCl (34,78 mg min L-1) und dann ECAS (20,94 mg min L−1).

Antimikrobielle Wirksamkeit von NaOCl [schwarz], ECAS [grau] und HOCl [weiß] unter Verwendung standardisierter freier Chlorkonzentrationen gegen E. coli ATCC 10536 mit einer interferierenden Lösung von 0,3 g L−1 BSA (42British Standards Institution, 2009). Die gepunktete Linie stellt die minimale logarithmische Reduktion (5 log KBE ml-1) dar, die erforderlich ist, um die grundlegende bakterizide Aktivität unter den experimentellen Bedingungen des Tests nachzuweisen (n = 3 ± Standardabweichung). Signifikante Unterschiede (p-Werte), berechnet durch eine zweifaktorielle ANOVA mit Tukey-Vergleich nach dem Test, mit einem Konfidenzintervall von 95 % (****p < 0,0001; ***p < 0,001; **p < 0,01) . ND = nicht erkannt. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Wenn die Störsubstanzkonzentration im Rahmen des Testassays von 0,3 g L−1 (saubere BSA-Bedingungen) auf 3,0 g L−1 (schmutzige BSA-Bedingungen) erhöht wurde, gab es einen signifikanten Einfluss auf die antimikrobielle Aktivität aller drei Desinfektionsmittel (Abb . 3 und Tabelle 1). Die antimikrobielle Aktivität von OCl− und ECAS war im Vergleich zu den jeweiligen Werten unter sauberen Bedingungen (p < 0,0001) bei allen getesteten FC-Konzentrationen deutlich verringert. HOCl zeigte eine signifikant höhere antimikrobielle Aktivität im Vergleich zu OCl- und ECAS bei 50, 100 und 150 mg L−1 FC (p < 0,01), wobei ECAS im Vergleich zu NaOCl eine signifikant höhere antimikrobielle Aktivität aufwies (p < 0,05). Dies spiegelt sich in den CT-Werten (Tabelle 1) wider, wobei der 5-log-Reduktions-CT-Wert für HOCl 82,91 mg min L−1 beträgt, während CT-Werte für NaOCl oder ECAS unter diesen Versuchsbedingungen aufgrund unzureichender antimikrobieller Aktivität nicht berechnet werden konnten am Ende der 5-minütigen Kontaktzeit. Bei der niedrigsten getesteten FC-Konzentration (25 mg L−1) gab es keinen signifikanten Unterschied in der antimikrobiellen Aktivität zwischen den drei getesteten Desinfektionsmitteln (p > 0,05). Allerdings führte ECAS zu der größten log-Reduktion (1,606 ± 0,954 log10 KBE ml–1), gefolgt von HOCl (0,978 ± 0,202 log10 KBE ml–1) und OCl- (0,025 ± 0,004 log10 KBE ml–1). Die unter schmutzigen Bedingungen getestete organische Belastung entspricht nicht den erwarteten Konzentrationen in POU-Trinkwassersystemen. Die Ergebnisse unterstreichen jedoch die Notwendigkeit, die vorhandenen organischen Stoffe zu reduzieren, um eine ausreichende antimikrobielle Aktivität während der gesamten Desinfektionsphase der Trinkwasseraufbereitung sicherzustellen.

Antimikrobielle Wirksamkeit von NaOCl [schwarz], ECAS [grau] und HOCl [weiß] unter Verwendung standardisierter freier Chlorkonzentrationen gegen E. coli ATCC 10536 mit einer interferierenden Lösung von 3,0 g L−1 BSA (42British Standards Institution, 2009). Die gepunktete Linie stellt die minimale logarithmische Reduktion (5 log KBE ml-1) dar, die erforderlich ist, um die grundlegende bakterizide Aktivität unter den experimentellen Bedingungen des Tests nachzuweisen (n = 3 ± Standardabweichung). Signifikante Unterschiede (p-Werte), berechnet durch eine zweifaktorielle ANOVA mit Tukey-Vergleich nach dem Test, mit einem Konfidenzintervall von 95 % (****p < 0,0001; **p < 0,01; *p < 0,05). ND = nicht erkannt. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Die antimikrobielle Aktivität von OCl-, HOCl und ECAS wurde gegen etablierte Pseudomonas aeruginosa-Biofilme auf Polycarbonat [PC]-Coupons als Funktion der FC-Konzentration bestimmt (Abb. 4). Die mittlere Biofilmdichte, die aus unbehandelten (keine Desinfektionsmittelbehandlung) Kontroll-Polycarbonat-Coupons gewonnen wurde, betrug 8,45 ± 0,172 log10 CFU-Coupon−1 (n = 18). Keines der getesteten Desinfektionsmittel (OCl-, HOCl oder ECAS) führte bei irgendeiner getesteten FC-Konzentration zu einer vollständigen log-Reduktion. Bei einer FC-Konzentration von 150 mg L−1 wurde die größte Verringerung der Biofilmdichte durch ECAS hervorgerufen (3,852 ± 0,914 log10 CFU-Coupon−1), wohingegen OCl- und HOCl deutlich geringere logarithmische Verringerungen (p < 0,0001) von 2,018 ± 0,393 aufwiesen log10-CFU-Coupon-1 bzw. 2,005 ± 0,419 log10-CFU-Coupon-1. ECAS zeigte auch eine deutlich höhere antimikrobielle Aktivität im Vergleich zu OCl- und HOCl bei 100, 75 und 50 mg L−1 FC (p < 0,01). Dies spiegelt sich in den CT-Werten für eine Reduzierung der Biofilmdichte um 2 Logarithmen (99 %) wider (siehe Tabelle 1). Der CT-Wert für ECAS betrug 87,21 mg min L−1, während die CT-Werte für OCl− und HOCl nicht bestimmt werden konnten, da bei keiner der getesteten FC-Konzentrationen eine 2-log-Reduktion erreicht wurde. Bei FC-Konzentrationen von 25 und 5 mg L-1 gab es jedoch keinen signifikanten Unterschied in der antimikrobiellen Aktivität von NaOCl, HOCl und ECAS (p > 0,05). Tatsächlich gab es bei keinem Testdesinfektionsmittel eine signifikante Verringerung der Biofilmdichte zwischen 0 (Kontrolle) und 5 mg L−1 FC (p > 0,05). Insgesamt zeigen die Ergebnisse eine Dosis-Wirkung mit zunehmender antimikrobieller Wirksamkeit bei steigenden FC-Konzentrationen. Interessanterweise trat bei ECAS der stärkste Anstieg der antimikrobiellen Aktivität (p = 0,009) bei ≥25 mg L−1 FC auf, während der stärkste Anstieg bei HOCl und OCl- zwischen 0 und 25 mg L−1 beobachtet wurde (p < 0,0001).

Antimikrobielle Aktivität von NaOCl [△], HOCl [▢] und ECAS [○] unter Verwendung standardisierter FC-Konzentrationen gegen Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442-Biofilme (n = 9 ± Standardabweichung). [•••] Bezieht sich auf die wiederhergestellte mittlere Biofilmdichte (CFU-Coupon−1) aus der Kontrollbehandlung (unbehandelt) (0 mg L−1); n = 18. Signifikante Unterschiede (p-Werte), berechnet durch eine zweifaktorielle ANOVA mit Tukey-Vergleich nach dem Test, mit einem Konfidenzintervall von 95 % (****p < 0,0001; **p < 0,01). Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

In früheren Studien wurde die antimikrobielle Aktivität gängiger Trinkwasserdesinfektionsmittel, einschließlich OCl-, Chlordioxid, Ozon und Chloraminen, im Zusammenhang mit zentralen und Verteilungsnetzen verglichen44,45. Diese Studie verglich direkt die antimikrobielle Aktivität von OCl-, HOCl- und ECAS-Lösungen gegen planktonische und bakterielle Biofilme für potenzielle POU-Trinkwasseranwendungen.

Die hier gemeldeten Daten zeigen, dass alle Desinfektionsmittel im Vergleich zur Kontrolle eine signifikante antimikrobielle Aktivität gegen planktonische E. coli aufwiesen. Sofern keine hemmenden Substanzen vorhanden sind (also keine organische Belastung vorliegt), zeigen alle Desinfektionsmittel eine antimikrobielle Dosis-Wirkungs-Beziehung mit steigenden FC-Konzentrationen. Bei FC-Konzentrationen ≥50 mg L−1 gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen der antimikrobiellen Aktivität von OCl−, HOCl oder ECAS. Dagegen zeigte HOCl mit 25 mg L−1 FC die größte antimikrobielle Aktivität, gefolgt von OCl- und ECAS. Beobachtete Unterschiede in der antimikrobiellen Aktivität können durch die unterschiedliche Chemie der getesteten Desinfektionsmittel erklärt werden. Alle drei Desinfektionsmittel führen zur Produktion von FC, wobei die zugrunde liegende Chemie der Freisetzung von der chemischen Formulierung und den physikochemischen Parametern (insbesondere dem pH-Wert) abhängt, wie durch die Nernst-Gleichung19 vorgegeben. Beispielsweise unterscheiden sich die antimikrobiellen Mechanismen (und damit die Kinetik), durch die FC freigesetzt wird, zwischen NaOCl (Natriumhypochlorit) und NaDCC (Natriumdichlorisocyanurat). Die Auflösung von NaOCl (pH 11,4) führt hauptsächlich zur Bildung von OCl-, wohingegen die Auflösung von NaDCC (pH 5,6) hauptsächlich zur Bildung von HOCl führt25,46. Bei ECAS (pH 3,3) führt die Auflösung zu einer Mischung von Chlorspezies; einschließlich HOCl und gelöstem Cl2, wobei HOCl die dominierende Spezies ist. Es wird auch angenommen, dass sich weitere metastabile antimikrobielle Spezies bilden28, was dazu führt, dass ECAS den höchsten ORP der drei getesteten Desinfektionsmittel aufweist (+1134 mV). Desinfektionsmittel auf Chlorbasis, bei denen OCl- die vorherrschende Chlorspezies ist, haben sich aufgrund der ineffizienten Diffusion durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembranen als weniger wirksam erwiesen, weshalb die Oxidation nur an der äußeren Zellhülle erfolgt47. Im Gegensatz dazu ist HOCl aufgrund seiner elektrischen Neutralität in der Lage, die äußere Hülle zu durchdringen und durch die innere Plasmamembran zu diffundieren47. Dies führt zu einer internen oxidativen Schädigung wichtiger Zellfunktionen wie der Energieerzeugung sowie zu einer Schädigung der bakteriellen DNA23,29.

Die negativen Auswirkungen der organischen Belastung auf oxidierende Desinfektionsmittel sind bekannt47,48. In dieser Studie zeigt das Vorhandensein von organischem Material in geringer Konzentration Unterschiede in den Dosisreaktionen, die sich aus den unterschiedlichen Wirkmechanismen von OCl-, HOCl und ECAS ergeben. Die Halbwertszeit (DT50) von OCl-Ionen verringert sich erheblich um mehrere Größenordnungen von Minuten auf Sekunden49 und dies erklärt die Verringerung der Wirksamkeit von NaOCl selbst unter sauberen BSA-Bedingungen (Abb. 2, 3). Für HOCl war die antimikrobielle Aktivität bei 25 mg L-1 FC unter sauberen BSA-Bedingungen signifikant verringert, jedoch nicht bei Konzentrationen >25 mg L-1 (d. h. 50, 100, 150 mg L-1). Interessanterweise gab es keinen signifikanten Unterschied in der antimikrobiellen Aktivität von ECAS bei einer FC-Konzentration von 25 mg L-1, weder in Gegenwart noch in Abwesenheit einer geringen organischen Beladung (saubere BSA-Bedingungen). Dies zeigt, dass niedrige Konzentrationen organischer Substanz den Wirkungsmechanismus von ECAS unter diesen experimentellen Bedingungen nicht übermäßig beeinträchtigen. ECAS weist aufgrund reaktiver Chlor- und Sauerstoffspezies einen sehr hohen ORP-Wert (>+1100 mV) auf, was wiederum zu schnellen Oxidationsreaktionen führt. Das Vorhandensein höherer Konzentrationen organischer Stoffe führt jedoch letztendlich zu einer Verringerung des Redoxpotentials durch Oxidations-Reduktions-Reaktionen50, was zu einer daraus resultierenden Verringerung der antimikrobiellen Aktivität von ECAS beiträgt, wie bereits zuvor beobachtet wurde50,51. Interessanterweise haben frühere Arbeiten von Robinson et al. im Jahr 201352 zeigten, dass die antimikrobielle Aktivität von ECAS aufrechterhalten werden konnte, wenn es über einen Zeitraum von 398 Tagen bei 4 °C im Dunkeln gelagert wurde, obwohl nach 277 Tagen kein FC mehr nachweisbar war (z. B. < 0,01 mg L−1). Dies zeigt die Bedeutung der zusätzlichen antimikrobiellen Spezies, die nicht aus Chlor stammen und zu einer erhöhten antimikrobiellen Aktivität beitragen. Dies trägt zur Erklärung der größeren antimikrobiellen Aktivität von ECAS bei einem FC von 25 mg L−1 in Gegenwart sauberer BSA-Bedingungen im Vergleich zu äquivalenten HOCl- und NaOCl-Lösungen bei. Eine weitere Erhöhung der organischen Beladung mit BSA (3,0 g L−1; schmutzige BSA-Bedingungen) im Rahmen des bakteriziden Tests verringerte die antimikrobielle Aktivität von OCl- und ECAS bei allen getesteten FC-Konzentrationen erheblich. Im Vergleich dazu war die antimikrobielle Aktivität von HOCl bei FC-Konzentrationen >25 mg L−1 nicht signifikant verringert. Daher ist es klar, dass HOCl, das durch die Auflösung von NaDCC entsteht, unter schmutzigen BSA-Bedingungen eine größere antimikrobielle Aktivität gegen Planktonbakterien zeigt. Chemisch gewonnenes HOCl ist stabiler als elektrochemisch erzeugte HOCl-Lösungen, da es keine metastabilen antimikrobiellen Spezies besitzt, die sich an der Anodenoberfläche bilden53. Chemisch gewonnenes HOCl wird auch langsamer abgebaut, wenn es Sonnenlicht (UV) ausgesetzt wird54, im Vergleich zu elektrochemisch erzeugtem HOCl, das schneller abgebaut wird55. Dies unterstreicht die Bedeutung der Auswahl des am besten geeigneten Desinfektionsmittels für den Einsatz in POU-Behandlungssystemen. In Fällen, in denen beispielsweise die Filtration oder Entfernung organischer Stoffe aus Grundwasser nicht zur Standardpraxis gehört oder schwierig ist, würde HOCl im Vergleich zu NaOCl oder ECAS eine größere antimikrobielle Wirksamkeit bieten.

Durch die Reduzierung der mikrobiellen Belastung im Hauptwasser wird auch die Bildung von Biofilmen auf der Infrastruktur verringert und möglicherweise auch die Dichte etablierter Biofilme verringert. Daher wurde die vergleichende antimikrobielle Aktivität von OCl-, HOCl und ECAS auch gegenüber etablierten Pseudomonas aeruginosa-Biofilmen auf Polycarbonat-Coupons bestimmt. Bei allen getesteten FC-Konzentrationen wurden für OCl- und HOCl entsprechende Verringerungen der Biofilmdichte (und der CT-Werte) beobachtet. ECAS war das wirksamste getestete Desinfektionsmittel und wies einen CT-Wert von 87,21 mg min L-1 auf. Im Vergleich dazu konnten CT-Werte für OCl- und HOCl nicht berechnet werden, da für keine der getesteten FC-Konzentrationen eine 2-log-Reduktion erreicht wurde. Es hat sich gezeigt, dass antimikrobielle Desinfektionsmittel, die Halogenspezies wie Chlor enthalten, aufgrund von Reaktions-Diffusions- und Adsorptionswechselwirkungen mit EPS-Matrixsubstanzen eine verminderte Wirksamkeit bei der Reduzierung der Biofilm-Zelldichte haben39,56. Die hohe Reaktivität von OCl- trägt zu seiner Ineffizienz gegenüber mikrobiellen Biofilmen bei, da es durch die Reaktion mit der EPS-Matrix schnell neutralisiert wird, wodurch seine Penetration und damit die Diffusion zu Bakterienzellen innerhalb von Biofilmen verringert wird40. Daher wird die Konzentration der für die Reaktion mit den Zielmikroorganismen verfügbaren Halogenspezies verringert, wodurch die CT-Werte erhöht werden40,57. Stewart & Rayner et al. (2001)40 schätzten, dass OCl- einen P. aeruginosa-Biofilm im Vergleich zu einem äquivalenten planktonischen Zustand 767-mal langsamer um 9,9 log10 KBE cm−2 reduzierte.

Die in dieser Studie gegen Biofilme getesteten Desinfektionsmittel zeigen eine antimikrobielle Dosis-Wirkungs-Wirkung mit steigenden FC-Konzentrationen. Die Dosis-Wirkungs-Kurven für OCl- und HOCl unterschieden sich nicht signifikant, während ECAS im Vergleich zu NaOCl und HOCl eine signifikant höhere Anti-Biofilm-Aktivität bei FC-Konzentrationen ≥ 50 mg L−1 zeigte (p ≤ 0,0021). Im Gegensatz dazu zeigte HOCl gegen Planktonzellen die größte antimikrobielle Aktivität bei FC-Konzentrationen ≥50 mg L−1 (Abb. 1–3). Diese beobachtete verringerte antimikrobielle Aktivität von OCl− und HOCl gegen Biofilme steht im Einklang mit früheren Studien, wonach die CT-Werte und Toleranzfaktoren zwischen Plankton- und Biofilmdesinfektion 10- oder 100-mal höher sind40,47. Sowohl OCl- als auch HOCl werden aufgrund ihrer hohen Reaktivität durch Reaktion mit Biofilm-EPS neutralisiert40. Umgekehrt wurde beobachtet, dass ECAS eine signifikante Anti-Biofilm-Aktivität aufweist51,58. Die Anti-Biofilm-Eigenschaften von saurem elektrolysiertem Wasser [EW] wurden von Ayebah et al.51 gegen Listeria monocytogenes-Biofilme bestimmt, was zu einer Reduzierung um 4,5 log10 nach 30 und 60 s Kontaktzeit führte. Die postulierte antimikrobielle Wirkungsweise von ECAS gegen mikrobielle Biofilme ist zweifach. Der hohe ORP (im Vergleich zu HOCl und OCl-), der auf seine erhöhte Oxidationsfähigkeit und metastabile antimikrobielle Spezies hinweist4,28, stört die schützende EPS-Barriere, die aus einer komplexen Mischung von Polysacchariden, Proteinen und DNA59 besteht, durch die Zerstörung kovalenter Bindungen innerhalb von DNA, RNA und Proteinen60,61. Darüber hinaus sind die aktiven Chlorspezies in ECAS, überwiegend HOCl, nicht geladen und können daher durch das EPS dringen und mit den eingebetteten Bakterienzellen reagieren47.

Insgesamt untersuchte diese Studie die quantitative antimikrobielle und Anti-Biofilm-Aktivität von drei Desinfektionsmitteln auf Chlorbasis gegen planktonische und sessile (Biofilm-)Bakterien einzelner Arten für potenzielle POU-Trinkwasseranwendungen. Basierend auf diesen Daten erwies sich OCl- als am wenigsten wirksam gegen planktonische und sessile Bakterienpopulationen, HOCl erwies sich als am wirksamsten bei der Reduzierung (Desinfektion) planktonischer Bakterienpopulationen und ECAS war am wirksamsten bei der Reduzierung der Dichte etablierter Bakterien Biofilme. Es ist anzumerken, dass direkte Vergleiche zwischen der Wirksamkeit von OCl-, HOCl und ECAS zwischen der Desinfektion planktonischer E. coli-Populationen und der Reduzierung der P. aeruginosa-Biofilmdichte mit Vorsicht durchgeführt werden sollten. Eine Desinfektion von planktonischem P. aeruginosa wurde nicht durchgeführt, da es aufgrund der Annahme, dass es sich um einen opportunistischen Krankheitserreger handelt, nicht Teil der Standard-Trinkwasseranalyse ist. Umgekehrt wurde die Verringerung der Biofilmdichte von E. coli nicht untersucht, da es im Gegensatz zu P. aeruginosa nicht bekannt ist, dass es Biofilme bildet. Es wurde zuvor gezeigt, dass die Wechselwirkung von HOCl und ECAS mit organischem Material (z. B. Huminsäuren) im Gegensatz zu OCl-8 nicht zur Bildung hoher Konzentrationen an Desinfektionsnebenprodukten, insbesondere Trihalomethanen, führt. Daher erfolgt in POU-Systemen die Entfernung organischer Stoffe Durch Filtration oder Koagulation von Stoffen ist dies weder gängige Praxis noch möglich. Der Einsatz von HOCl oder ECAS wird nicht nur die mikrobielle Belastung im Versorgungswasser wirksam reduzieren und dabei helfen, die Biofilmbildung in den Griff zu bekommen, sondern auch die Bildung von THMs minimieren und so die Produktion biologischer und chemischer Substanzen gewährleisten Trinkwasser. HOCl kann jedoch chemisch durch die Auflösung von NaDCC hergestellt werden (wie in dieser Studie gezeigt), kann aber auch elektrochemisch erzeugt werden62. Die Möglichkeit, wirksame Desinfektionsmittel vor Ort und bei Bedarf herzustellen, minimiert die Notwendigkeit, gefährliche Chemikalien zu transportieren und zu lagern, und verringert so das Risiko einer unbeabsichtigten Freisetzung von Chemikalien in die Umwelt. Die metastabile Natur von elektrochemisch erzeugtem HOCl (sauer oder leicht sauer) kann sicherstellen, dass überschüssige Lösungen durch die Freilegung von organischem Material leicht deaktiviert werden können, da es sich chemisch entspannt und wieder in die ursprüngliche Salzlösung zurückkehrt19. Elektrochemisch erzeugtes HOCl hat sich in einer Vielzahl von Bereichen als wirksam erwiesen, darunter in der Lebensmittelproduktion16,22 und im Gesundheitswesen19. Es ermöglicht die sichere Verwendung eines Desinfektionsmittels in der gesamten Gemeinde und nicht nur für POU-Trinkwasseraufbereitungsanwendungen, was mit anderen Desinfektionsmitteln nicht möglich ist Technologien wie UV, Ozon und körnige Aktivkohle. Elektrochemisch erzeugtes HOCl könnte eine überlegene antimikrobielle Aktivität neben einer erhöhten Anti-Biofilm-Aktivität bieten (ein wichtiger Gesichtspunkt innerhalb der POU-Trinkwasseraufbereitungsinfrastruktur), seine Verwendung in POU-Anwendungen erfordert jedoch weitere Untersuchungen. Eine Einschränkung dieser Studie besteht darin, dass die Restkonzentrationen an freiem Chlor nicht durch Assays zur bakteriziden Wirkung oder Biofilmreduktion überwacht wurden. Um sicherzustellen, dass die freien Konzentrationen in POU-Trinkwasseraufbereitungssystemen die erforderlichen WHO-Konzentrationen (0,2–0,5 mg L−1) nicht überschreiten, werden zukünftige Studien die Restchlorkonzentration nach bakteriziden oder Biofilm-Reduktionstests überwachen.

Diese Studie hat dazu beigetragen, unser Verständnis von chlorbasierten Desinfektionsmitteln für POU-Trinkwasseranwendungen zu verbessern. Allerdings sind die Quellwässer, die POU-Systeme versorgen, weitaus komplexer als die hier getesteten, da eine Vielzahl organischer Materialien und zahlreiche mikrobielle Arten vorhanden sind, insbesondere angesichts der Tatsache, dass Bakterien in der Umwelt selten in Gemeinschaften einzelner Arten vorkommen63. Daher ist die Untersuchung von Multispezies-Kulturen/Biofilmen innerhalb komplexerer Matrizen als Teil repräsentativer Modellsysteme erforderlich, um unser Verständnis der antimikrobiellen Aktivität und Eignung der getesteten Desinfektionsmittel für Anwendungen in der POU-Trinkwasseraufbereitung zu verbessern. Solche Modelle sollten verschiedene Materialoberflächen testen, die die Vielfalt der POU-Trinkwasseraufbereitungssysteme (z. B. Rohrleitungen oder Filter) repräsentieren und die Biofilmbildung beeinflussen könnten.

In dieser Studie wurden drei Desinfektionsmittel verwendet: NaOCl, neutrales, leicht saures HOCl und elektrochemisch erzeugtes saures HOCl. Die dominierende Chlorspezies in NaOCl war OCl-, während HOCl sowohl in den neutralen als auch in den sauren HOCl-Lösungen dominierte. Das elektrochemisch erzeugte saure HOCl wird als elektrochemisch aktivierte Lösung [ECAS] bezeichnet. Stammlösungen von NaOCl wurden durch Verdünnen eines handelsüblichen Bleichmittels (Pattersons Bleichmittel; Pattersons Ltd., Bristol, UK) in entionisiertem Wasser auf eine Endkonzentration an freiem Chlor [FC] von 508 ± 18,19 mg L−1 mit einem mittleren pH-Wert von 11,4 hergestellt ± 0,1 und ein mittlerer ORP von +588 ± 0,95 mV. Durch die Auflösung von NaDCC in 1 Liter entionisiertem Wasser wurde eine leicht saure HOCl-Stammlösung hergestellt, die eine FC-Konzentration von 201 ± 13,55 mg L−1, einen pH-Wert von 5,6 ± 0,25 und einen mittleren ORP von +958 ± 18,98 mV ergab. ECAS wurde durch Elektrolyse einer NaCl-Lösung mit einem elektrochemischen Generator mit 60 l/h erzeugt, der von Bridge Biotechnology Ltd (Fife, Schottland, Großbritannien) geliefert wurde. Lösungen von ECAS mit FC-Konzentrationen von 158,63 ± 18,66 mg L−1, einem mittleren pH-Wert von 3,3 ± 0,16 und einem ORP von +1134 ± 3,26 mV wurden erzeugt und bei 4 °C im Dunkeln gelagert und innerhalb von 5 Tagen nach der Produktion verwendet. Alle Desinfektionslösungen wurden mit entionisiertem Wasser verdünnt, um standardisierte äquivalente FC-Konzentrationen zu erzeugen, bestimmt durch N,N-Diethyl-p-phenylendiaminsulfat (DPD) Nr. 1 Palintest-Test (Palintest Ltd., Gateshead, UK). Der pH-Wert und das ORP der Lösungen wurden mit einem Orion Dual Star (Fisher Scientific, UK) gemessen.

E. coli ATCC 10536 und P. aeruginosa ATCC 15422 wurden auf Trypton-Soja-Agar (TSA [Oxoid, Thermo Scientific, UK]) 24 Stunden lang bei 37 °C gezüchtet, gewonnen aus gefrorenen Beständen, die bei –80 °C gelagert wurden.

Standard-Suspensionstests zur Bestimmung der bakteriziden Aktivität von NaOCl, HOCl und ECAS gegen E. coli wurden gemäß BS EN 1040 (41British Standards Institution, 2005) und BS EN 1276 (42British Standards Institution, 2009) durchgeführt. Als Behandlungsschemata für jedes der Testdesinfektionsmittel wurden standardisierte FC-Konzentrationen von 25, 50, 100 und 150 mg L−1 verwendet (siehe Abschnitt 4.1).

Gemäß den Standardtests BS EN 1040/1276 wurden Bakteriensuspensionen von E. coli in einer Verdünnungslösung (1 g L−1 Trypton und 8,5 g L−1 NaCl) durch die optische Dichte (OD620 nm) auf 8,54 ± 0,27 log10 KBE ml− standardisiert 1. Bei Bedarf wurden Hemmlösungen von (BSA) in zwei Konzentrationen hergestellt, indem 0,3 g 100 ml-1 (sauber) und 3,0 g 100 ml-1 (unrein) BSA gelöst und dann durch 0,45-µm-Spritzenfilter (Sartorius Minisart®-Spritze) sterilisiert wurden Filter). Dies führte zu endgültigen BSA-Konzentrationen im Assay von 0,3 g L−1 (sauber) und 3,0 g L−1 (unrein).

Der Test wurde durchgeführt, indem 1 ml E. coli-Testsuspension mit 1 ml Hemmlösung (entweder steriles DI, sauberes oder schmutziges BSA) und 8 ml Testdesinfektionsmittel (NaOCl, HOCl oder ECAS) für die angegebene Kontaktzeit gemischt wurden von 5 Min. bei 20 °C. Anschließend wurde eine 1-ml-Probe aus dem Reaktionsgefäß (bestehend aus Testsuspension, Hemmlösung und Testdesinfektionsmittel) sofort in 9 ml einer validierten Neutralisierungslösung (5 g L-1 Natriumthiosulfat und 27,5 g L-1 Letheen-Bouillon; BD Difco, Becton Dickinson). Neutralisierte Proben wurden seriell in sterilem DI verdünnt und mit einem Whitley Automated Spiral Plater ([WASP] Don Whitley Scientific, Shipley, UK) doppelt auf TSA (50 µL Volumen) ausplattiert. Diese wurden dann 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert und die resultierenden Kolonien gezählt (ausgedrückt als KBE pro ml).

Der Biofilmreaktor des Center for Disease Control [CDC] (siehe Abb. 5);64 wurde zum Züchten und Testen von P. aeruginosa-Biofilmen auf PC-Coupons (BioSurfaces Technologies, USA) verwendet. Als Behandlungsschemata für jedes der Testdesinfektionsmittel wurden standardisierte FC-Konzentrationen von 5, 25, 50, 75, 100 und 150 mg L−1 verwendet (siehe Abschnitt 2.1).

Standard-Versuchsaufbau eines CDC-Biofilmreaktors. Sterile Eingabemedien (z. B. Trypton-Soja-Brühe) werden in einem 20-l-Nalgene™-Ballon [1] aufbewahrt und durch eine Einkanal-Peristaltikpumpe [2] zum CDC-Biofilmreaktor [3] gesaugt. Eine Heizrührplatte [4] sorgte für eine konstante Temperatur und Scherkraft im CDC-Reaktor. Ein steriler Nalgene™-Abfallballon sammelt CDC-Biofilmreaktorabfälle [5].

Das P. aeruginosa-Inokulum wurde in 100 ml 100 mg L-1 Trypton-Sojabrühe (TSB [CM0129; Oxoid, Thermo Scientific, UK]) in einem Schüttelinkubator 24 Stunden lang bei 35 °C und 150 U/min kultiviert, was zu einer … Endgültige mikrobielle Dichte von 7,79 ± 0,17 log10 KBE mL−1 (n = 9). Steriles Medium (330 ml TSB 100 mg L−1) wurde in einen sterilen CDC-Reaktor mit Coupon-Stäben gegeben, der 3 PC-Coupons pro Stab enthielt (n = 8 Stäbe pro Reaktor). Der CDC-Reaktor wurde auf eine beheizte Rührplatte gestellt (auf 22,5 °C eingestellt und kontinuierlich mit 125 U/min gerührt), 1 ml P. aeruginosa-Inokulum wurde hinzugefügt und 24 Stunden lang inkubiert (die Batch-Phase), wodurch sich Bakterien anheften und etablieren konnten Biofilme auf den PC-Coupons (in den Entfernungsstäben enthalten). Anschließend wurde eine kontinuierliche Zugabe von sterilem Medium (100 mg L-1 TSB), entnommen aus einem sterilen autoklavierbaren 20-l-Ballon (Nalgene™ 2250-0050; Fisher Scientific, UK), mit einer Durchflussrate von 11 ml in den CDC-Reaktor eingeleitet min−1 für weitere 24 Stunden. Das Volumen im CDC-Reaktor wurde während dieser Zeit durch ein Überlaufwehr aufrechterhalten, das mit einem Abfallmedien-Ballon verbunden war. Diese Methode führte zu reproduzierbaren P. aeruginosa PC-Coupon-Biofilmen mit einer Dichte von 8,45 ± 0,172 log10 CFU Coupon−1 (n = 18) und war daher für nachfolgende Experimente geeignet.

Um eine Beurteilung der antimikrobiellen Aktivität der Testdesinfektionsmittel zu ermöglichen, wurden P. aeruginosa PC-Coupon-Biofilme aseptisch aus dem CDC-Reaktor entfernt und in 50-ml-Falcon-Röhrchen gegeben, die 3 ml Testdesinfektionsmittel oder steriles DI (Kontrolle) enthielten. Nach einer 5-minütigen Kontaktzeit bei Raumtemperatur wurden allen Proben 27 ml validierte Neutralisierungslösung (5 g L-1 Natriumthiosulfat und 27,5 g L-1 Letheen-Brühe) zugesetzt und weitere 10 Minuten bei Raumtemperatur belassen. Um anschließend den Biofilm von der Oberfläche der PC-Coupons zu entfernen, wurde jedes Falcon-Röhrchen 30 Sekunden lang gewirbelt und dann 1 Minute lang in ein Ultraschallwasserbad (FB11078 FisherBrand) gelegt. Dies wurde insgesamt dreimal wiederholt. Die disaggregierten Biofilmzellen wurden seriell in viertelstarker Ringer-Lösung (Oxoid, Fisher Scientific, UK) verdünnt und spiralförmig auf R2A-Agar (Oxoid, Thermo Scientific, UK) ausplattiert. Die Platten wurden 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert und die resultierenden Kolonien gezählt und als KBE pro Coupon ausgedrückt.

CT-Werte sind das Produkt aus der Konzentration eines Desinfektionsmittels (z. B. freiem Aktivchlor) und der Kontaktzeit mit dem zu desinfizierenden Wasser. CT-Werte wurden für die 5-log-Reduktion (99,999 %) von planktonischen E. coli und die 2-log-Reduktion (99 %) des P. aeruginosa-Biofilms durch lineare Regression mit einer Kontaktzeit von 5 Minuten bei Raumtemperatur berechnet (20). –22,5 °C) und angepasst, um in mg/min L−1 ausgedrückt zu werden.

Sowohl für die bakteriziden als auch für die Biofilm-Assay-Datensätze wurde eine Zwei-Wege-Varianzanalyse (ANOVA) mit Tukeys Posttest verwendet, um signifikante Unterschiede zwischen Desinfektionsmitteltyp und FC-Konzentration zu bestimmen (GraphPad Prism Version 7.0 für Windows, San Diego, CA). . Ein AP-Wert von < 0,05 wurde als signifikant angesehen.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Studie wurde vom Natural Environment Research Council, Großbritannien [NE/R003106/1], der University of the West of England, Bristol und Portsmouth Aviation Ltd. finanziert.

Zentrum für biowissenschaftliche Forschung, University of the West of England, Bristol, BS16 1QY, Großbritannien

Gillian E. Clayton, Robin MS Thorn und Darren M. Reynolds

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GEC: Entwicklung experimenteller Methoden, experimentelle Arbeit, Datenerfassung und -analyse, Vorbereitung und Schreiben von Manuskripten, Überprüfung und Bearbeitung. RMST: Finanzierungseinwerbung, experimentelle Konzeptualisierung und Entwicklung, Projektüberwachung sowie Manuskriptprüfung und -bearbeitung. DMR: Finanzierungseinwerbung, experimentelle Konzeptualisierung und Entwicklung, Projektüberwachung sowie Manuskriptprüfung und -bearbeitung.

Korrespondenz mit Darren M. Reynolds.

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Clayton, GE, Thorn, RMS & Reynolds, DM Die Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln auf Chlorbasis gegen Plankton- und Biofilmbakterien für dezentrales Trinkwasser am Einsatzort. npj Clean Water 4, 48 (2021). https://doi.org/10.1038/s41545-021-00139-w

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Eingegangen: 09. Juli 2021

Angenommen: 08. Oktober 2021

Veröffentlicht: 04. November 2021

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-021-00139-w

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