用于對水進(jìn)行光消毒的異卟啉化合物、方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對可能的危險微生物病原體種群污染的水進(jìn)行消毒。更具體地，本發(fā) 明涉及通過固定在惰性樹脂上并通過曝露在可見光照明中被電子激發(fā)的異卟啉 (porphy r i no i d)對水進(jìn)行消毒。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 如我們所了解的，水能充當(dāng)反應(yīng)和運輸介質(zhì)，溫度調(diào)節(jié)劑和生命歷程的重要支持， 因而水起著多種作用。隨著人口和人類活動數(shù)量增加，越來越難以供應(yīng)來自于地表和地下 水庫存的高品質(zhì)純凈水。事實上，世界上越來越多國家，尤其是發(fā)展中國家以及一些地中海 國家面臨關(guān)于灌溉用水、工業(yè)用水和飲用水的可用性的日益困難的形勢。許多水源受到已 知對人類和多種動物和植物生態(tài)系統(tǒng)有害的危害性化學(xué)品的嚴(yán)重污染，以及受到諸如細(xì) 菌、真菌、霉菌、病毒和寄生原生動物之類的一些種類的病原微生物的嚴(yán)重污染。
[0004] 因此，強(qiáng)烈需要能獲得有效水純化和消毒的有效的環(huán)境安全技術(shù)。
[0005] 目前，最常采用的水消毒方法是基于物理方法(例如過濾，加熱，或用紫外線(UV) 或X射線輻照），即使使用諸如氯、二氧化氯或臭氧之類的氧化物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)處理通常較為 可靠 （Tomas C. R. , 1990 , Wastewater engineering and treatment: problems and solutions. In:Chemical Engineering Techniques in Biotechnology,ed.M.A.Winkler, 23-94 .Amsterdam:Elsevier)。然而，這些方法通常顯現(xiàn)出多種消極方面，尤其是作為在所 述化學(xué)消毒劑和有機(jī)物質(zhì)之間的反應(yīng)的副產(chǎn)物的內(nèi)過氧化物或三鹵甲烷的形成，或者是在 重復(fù)處理以大量微生物菌叢為特征的水之后多藥耐受微生物菌株的選育。而且，在水產(chǎn)養(yǎng) 殖水的情況下，其中在所述養(yǎng)殖設(shè)施中高密度的魚加上高濃度的食物殘渣、有機(jī)碎肩和排 泄物通常導(dǎo)致形成大量的微生物病原體，水純化措施是基于引入所述魚養(yǎng)殖池的化學(xué)品， 例如孔雀石綠、甲醛或溴硝丙二醇，其可能對魚、消費者和環(huán)境是相當(dāng)危險的(Magaraggia 等人，2006，Treatment of microbio logically polluted aquaculture waters by a novel photochemical technique of potentially low environmental impact·J·Environ·Monit·8:923-931)〇
[0006] 微生物細(xì)胞耐受的演化代表了由于真實種類繁多的機(jī)制而導(dǎo)致的尤其具有挑戰(zhàn) 性的問題，其已被發(fā)現(xiàn)由病原體所發(fā)展以增加它們抵抗外部損害的防御策略:這些包括增 厚它們的外壁，編碼防止藥物滲透的新蛋白，引起在那些允許流入外部添加的化學(xué)品的膜 孔蛋白通道中的突變體缺陷等（Smith, T.L.等人，1999，Emergence of vancomycin resistance in Staphylococcus aureus:glycopeptide-intermediate Staphylococcus aureus working group.New Engl.J.Med.340:493_501)。這樣的耐受性向人體病原體或多 種生態(tài)系統(tǒng)的其它組成的轉(zhuǎn)移表明可能嚴(yán)重威脅公眾健康（Cabello，F(xiàn).C.，2006，Heavy use of prophylactic antibiotics in aquaculture: a growing problem for human and animal health and for the environment.Environ.Microbiol.8:1137-1144)〇
[0007] 因此，迫切需要開發(fā)用于防止水污染的便利且低成本的方法，尤其是用于防止由 能促使危險流行性疾病發(fā)病的生物因子所引起水污染的便利且低成本的方法。
[0008] 對用于處理化學(xué)或微生物污染的水的光化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用已實行多年，迄今為止得 到相反的結(jié)果。紫外光線的有效性通常受限于短于350nm的波長進(jìn)入天然水中的減少的滲 透力（〈lcm);而且，核酸對UV-C和UV-B波長的直接吸收是引起導(dǎo)致選育可能危險的新型微 生物菌株的致突變過程發(fā)生的主要原因（Mitchell，D.L. and D.Kerentz, 1993, The induction and repair of DNA photodamage in the environment. In: Environmental UV Photobiology，eds.A.R.Young等人，345_378.New York:Plenum Press)。為了解決這些 問題，已設(shè)計了用于水純化的新的光化學(xué)途徑，包括通過半導(dǎo)體(例如Ti02或ZnO)引入光輔 助的反應(yīng)，其可通過在UV-A光譜范圍內(nèi)的光波長電子激發(fā)，導(dǎo)致形成強(qiáng)氧化的高細(xì)胞毒性 物質(zhì)，主要是0H基團(tuán)和過氧化氫。然而，它們的有用性目前局限于小規(guī)模的水處理，主要是 由于可通過使用在UV-A光譜范圍內(nèi)的光波長以均勻方式照射的水體積的減少，以及與該技 術(shù)操作有關(guān)的成本相對高昂。而且，在這樣的光學(xué)處理中通常包含的氧化中間體表現(xiàn)出對 大部分核苷酸的明顯反應(yīng)性，因而又極大可能促進(jìn)致突變作用。
[0009] 已通過采用光動力工藝對具有高度微生物污染的水進(jìn)行處理開啟了新視角，所述 光動力工藝為通過可見光波長、氧和光敏染料的聯(lián)合作用誘導(dǎo)的方法(Magaraggia M.and G.Jori,2012,Photodynamic approaches to water disinfection. In:CRC Handbook of Organic Photochemistry and Photobiology，eds · A.Griesbeck等人，1557-1570 ·Boca Raton: CRC Press)。多種研究（參見，用于詳盡回顧的，Jori G.等人，2006，Photodynamic therapy in the treatment of microbial infections:basic principles and prospective applications .Lasers Surg.Med.38:468-481)一致地指出光動力敏化劑（尤 其是那些具有帶正電部分的敏化劑）的抗菌特性允許實現(xiàn)嚴(yán)格控制不同來源的水中病原菌 群。所述敏化劑的主要優(yōu)點如下：
[0010] -由于可通過一種照射操作廣泛減少多種微生物（例如革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰 性菌、多種真菌病原體、病毒和處于胞囊期和生長期的寄生原生動物）的種群，從而具有廣 譜作用；
[0011]-光動力敏化劑作用模式的多靶向性使得耐光的細(xì)菌和真菌細(xì)胞株的選育是不太 可能的；
[0012] -總的光處理時間通常是短的，其是由于為實現(xiàn)所述光敏劑與所述微生物細(xì)胞的 顯著緊密結(jié)合所需的孵育期是短的：實際上，所述結(jié)合是靜電性，即，其通過在光敏劑分子 中帶正電荷的外圍取代基和存在于多數(shù)微生物細(xì)胞外壁的大量帶負(fù)電荷官能團(tuán)之間的實 時相互作用得以促進(jìn)。
[0013] 雖然大量的多環(huán)有機(jī)染料可用作為光動力敏化劑(Boyle R.W.and Dolphin D.， 2006,Structure and biodistribution relationships of photodynamic sensitisers, Photochem.Photobiol. 14:4253-4259)，但卟啉及其四吡咯類似物，例如二氫卟吩、卟啉烯 (卩0印115^6116)、酞菁(口111：1^1〇〇5^11；[116)和萘酞菁(仙口111：1^1005^11；[116)，通常被公認(rèn)是光敏 劑的選擇，尤其是用于涉及水溶液體系的環(huán)境應(yīng)用。該論點是基于以下考量因素：
[0014] -卟啉可由從近紫外（360-400nm)至紅(600-700nm)光譜區(qū)范圍內(nèi)的多波段吸收光 譜表征。因此，可經(jīng)由實質(zhì)上所有的可見光波長非常有效地光激發(fā)卟啉，從而開創(chuàng)了在特定 地理或氣候條件下利用本質(zhì)上廉價的發(fā)出全光譜可見光的燈(例如熒光燈或鎢絲燈)或甚 至日光的途徑。
[0015] -卟啉的最強(qiáng)吸收帶，即所謂的索雷譜帶，的峰值位于光譜區(qū)的410-430nm。因此， 所述卟啉光敏劑與藍(lán)光波長發(fā)生非常有效的相互作用，所述藍(lán)光波長是太陽光譜中存在的 波長中具有最大的穿透天然水的能力（Baker K.S.and Smith R.C.，1982，Spectral irradiance penetration into natural waters. In: The Role of Solar Radiation in Marine Ecosystems，ed.J.Calkins，233-246.New York:Plenum Press)〇
[0016] -平面芳香大環(huán)有利于卟啉衍生物在細(xì)胞膜的脂質(zhì)區(qū)域中分布或者它們與各種蛋 白的穩(wěn)定結(jié)合；因此，外源性給予的卟啉很可能在顯著濃度的所述光敏劑到達(dá)基因物質(zhì)之 前被特定亞細(xì)胞部位"攔截"。迄今為止可獲得的所有證據(jù)表明由卟啉促使的光學(xué)處理具有 非常低的致突變可能性（Jori G.and Spikes J.D.，1994，Photobiochemistry of Proteins . In: Topics in Photomedicine，ed:K·C·Smith，183-319·New York: Plenum Press)。該特征對于重復(fù)處理情況下操作的安全性是重要的。
[0017] 卟啉用作為光動力敏化劑的進(jìn)一步優(yōu)點在于它們可通過使用多種合成策略來進(jìn) 行修飾，從而獲得卟啉衍生物，所述衍生物的物理化學(xué)性質(zhì)，例如水溶性、兩親性、光穩(wěn)定性 和黑暗穩(wěn)定性(dark-stabi 1 ity)、吸收光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可針對有待殺菌的體系的特定性 質(zhì)來設(shè)計。
[0018] 已經(jīng)實施了一些利用卟啉-光敏化方法的用于水消毒的方法。
[0019] 例如，已描述了可通過四價陽離子卟啉中位-(N，N，N，N-四甲基-吡啶基）π卜吩與可 見光照射或直接曝露在日光中的聯(lián)合作用減少在廢水中寄生蟲卵和糞大腸菌群的數(shù)量。通 過采用微摩爾卟啉含量和約4小時的總照明時間，所述大腸菌群計數(shù)下降至少5個對數(shù)級 (Alouini Z.and Jemli Μ.,2001 destruction of helminth eggs by photosensitised porphyrin · J· Environ ·Monit · 3:548-551)。當(dāng)采用全光譜可見光在作為光敏劑的四價陽離 子卟啉(tetracationic porphyrins)的存在下對從污水廠獲得的廢水進(jìn)行照射時，在該體 系中的糞大腸菌群和糞腸球菌也出現(xiàn)大范圍的死亡:在添加微摩爾的卟啉濃度和以低注量 率(f luence-rate)(例如小于lOmWcnf2)對所述廢水樣本進(jìn)行照射后，約2個對數(shù)級的通常極 其耐受革蘭氏陰性奠大腸菌群受到抑制（L. Costa等人，2010，Sewage bacteriophage inactivation by cationic porphyrins:influence of light parameters, Photochem.Photobiol · Sci ·，9:112