Inactivation of fish pathogenic bacteria by cationic porphyrin

Abstract

A importância da aquacultura tem vindo a aumentar de modo a compensar a progressiva redução mundial de peixes em ambiente natural. No entanto, esta indústria sofre frequentemente de elevadas perdas financeiras resultantes do desenvolvimento de infecções nos peixes causadas por microrganismos patogénicos, incluindo bactérias resistentes a antibióticos. Isto gera a necessidade de criar estratégias de controlo de infecções microbianas nos peixes que sejam benéficas para o ambiente, de modo a controlar a tornar a indústria e produção de peixe em aquacultura mais sustentável. A terapia fotodinâmica antimicrobiana tem surgido como um método alternativo para o tratamento de doenças e para evitar o desenvolvimento da resistência aos antibióticos por parte das bactérias patogénicas. Esta terapia consiste na utilização de um fotossensibilizador que absorve luz visível, na presença de oxigénio, levando a formação de espécies altamente citotóxicas que inactivam os microrganismos. O objectivo deste trabalho foi investigar o efeito fotodinâmico de bactérias Gram (-) (Vibrio anguillarum Vibrio cholerae, Vibrio, Aeromonas salmonicida, Photobacterium damselae damselae, Photobacterium piscicida damselae, Escherichia coli e Pseudomonas sp) e Gram (+) (Enterococcus faecalis e Staphylococcus aureus), isoladas de uma aquacultura da Ria de Aveiro (Portugal). Foi usada a porfirina catiónica livre Tri-Py+-Me-PF a concentração de 5.0 mM, e irradiação por exposição a luz branca artificial (40 W m-2) durante 270 minutos. O efeito da terapia fotodinâmica na estrutura da comunidade bacteriana total e na abundância de bactérias cultiváveis da aquacultura foi também avaliado O impacto do tratamento fotodinâmico na abundância dos isolados bacterianos e na comunidade bacteriana cultivável da aquacultura foi avaliado através do número de unidades formadoras de colónias (UFC) após sementeira em placas de agar. Os efeitos ao nível da estrutura da comunidade bacteriana foram avaliados por "denaturing gel gradient electrophoresis (DGGE)". A exposição ao derivado porfirínico na presença de luz branca resultou numa diminuição de 7-8 log na abundância dos isolados bacterianos. A abundância de bactérias cultiváveis nas amostras de água provenientes do sistema de aquacultura foi também afectada, mostrando um decréscimo até 2 log na sobrevivência das células bacterianas. Porém, a taxa de inactivação variou significativamente nos diferentes períodos de amostragem. Os perfis de DGGE revelaram uma diminuição da diversidade da comunidade bacteriana total da água da aquacultura com a aplicação do tratamento fotodinâmico. Os resultados sugerem que a terapia fotodinâmica antimicrobiana pode ser considerada como um novo método para o controlo de infecções bacterianas em peixes em aquacultura, contudo como em regimes semi-intensivos e extensivos a comunidade bacteriana não patogénica pode ser afectada, antes da implementação da terapia fotodinâmica devendo ser feita uma avaliação rigorosa das implicawes ao nível do ecossistema.

ABSTRACT: Aquaculture is assuming an increasing importance for the compensation of progressive worldwide reduction of natural fish stocks. Fish farming often suffer heavy financia1 losses resulting from fish infections caused by microbial pathogens, including multidrug resistant bacteria. Therefore, more environmentally-friendly strategies to control fish infections are urgently needed, in order to make aquaculture industry more sustainable. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) has emerged as an alternative to treat diseases and prevent the development of antibiotic resistance by pathogenic bacteria. This therapy involves the use of a photosensitizer that absorbs visible light, in the presence of oxygen, leading to the formation of highly cytotoxic species that inactivate microorganisms. The aim of this work was to investigate the photodynamic inactivation of Gram (-) (Vibrio anguillarum, Vibrio parahaemolyticus, Aeromonas salmonicida, Photobacferium damselae damselae, Photobacterium damselae piscicida, Escherichia coli and Pseudomonas sp.) and of Gram (+) (Enterococcus faecalis and Sfaphylococcus aureus) bacteria isolated from an aquaculture system of Ria de Aveiro (Portugal). A free cationic porphyrin Tri-Py+-Me-PF at 5.0 mM was used and the irradiation regime consisted of artificial white light (40 W. m-2) for 270 minutes. The effect of the photodynamic process on the total bacterial community structure and on the abundance of cultivable bacteria from the aquaculture system was also evaluated. Photodynamic inactivation of bacterial isolates and cultivable bacteria was assessed by the number of colony forming units (CFU) in agar plates. The impact of photodynamic treatment in the total bacterial community structure of the aquaculture plant was evaluated by denaturing gel gradient electrophoresis (DGGE).The results showed that, in the presence of porphyrin derivative d tri-Py+-Me-PF, the growth of bacterial isolates was inhibited, resulting in a decrease of = 7-8 log after 270 minutes of irradiation. Total cultivable bacteria from the aquaculture were also considerably affected, showing decreases up to = 2 log on cell survival by the photodynamic treatment. However, the inactivation rate varied significantly with the sampling period. DGGE profiles revealed a decrease in the diversity of the total bacterial community of the aquaculture water upon photodynamic treatment. Results indicate that photodynamic antimicrobial therapy can be regarded as new approach to control fish infections in aquaculture systems, but as non pathogenic microbial community of extensive and semi-intensive aquaculture systems can also be affected, a careful evaluation must be done before aPDT implementation in these systems.