Tratamiento fotocatalítico de aguas para la inactivación de biofilms bacterianos

Se acaba de publicar un novedoso estudio (https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2021.112253) evaluando la eficacia del uso de un tratamiento fotocatalítico de aguas para la inactivación de biofilms bacterianos. Este trabajo surge gracias a la colaboración de los grupos de investigación de dos universidades: KU Leuven en Gante Bélgica y Universidad Rey Juan Carlos cuyos investigadores forman parte de la Red Madrileña de Tratamiento de Aguas Residuales (REMTAVARES, 2018/EMT-4341) financiada por la Comunidad de Madrid. Esta colaboración también fue financiada por el programa de movilidad para jóvenes investigadores José Castillejo (CAS18/00414).

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos

La formación de biofilms se ha observado habitualmente en la industria del tratamiento del agua, así como en muchos entornos de procesamiento de alimentos, siendo la Salmonella y la Listeria dos bacterias patógenas que pueden considerarse relevantes para ambos campos. Los biofilms pueden crecer en las superficies, las tuberías y los equipos, lo que provoca bioincrustación, corrosión y fallos operativos. En consecuencia, se produce una reducción de la eficiencia en la producción y un aumento del consumo de energía en las operaciones [1]. La formación de biofilms en las industrias alimentarias también conlleva problemas similares, por ejemplo, puede provocar una reducción de la transferencia de calor en los intercambiadores de calor y de la circulación óptima del agua en las torres de refrigeración y los sistemas de agua potable, lo que también puede reducir la eficiencia [2]. En este sector, además, los biofilms también son responsables de la aparición de patógenos de origen alimentario en las superficies de contacto con los alimentos y en los productos alimenticios.

Las bacterias adoptan varias estrategias para sobrevivir a las condiciones de estrés en el entorno natural, incluida la producción de biofilms. Los biofilms son comunidades de microorganismos que producen sustancias poliméricas extracelulares (EPS) para ayudar a las células a anclarse entre sí y a superficies como las tuberías de agua. Se sabe que es mucho más difícil inactivar las células asociadas a los biofilms que a las bacterias en forma planctónica y que los biofilms representan un reto para la desinfección del agua y el saneamiento de los alimentos [1].

La desinfección fotocatalítica del agua se ha propuesto como alternativa a los desinfectantes convencionales, como el cloro, ya que puede superar el riesgo de formación de subproductos de la desinfección [3]. Otras ventajas pueden ser que (i) funciona a temperatura y presión ambiente, (ii) utiliza el aire como oxidante sin necesidad de productos químicos adicionales, y (iii) permite la posibilidad de utilizar la luz solar como fuente de radiación. La fotocatálisis con semiconductores es un proceso que se ha estudiado durante más de cuatro décadas y que ha demostrado ser muy eficaz contra los patógenos [4]. Cuando los fotocatalizadores, como el dióxido de titanio (TiO2), se irradian con luz ultravioleta, se generan potentes agentes oxidantes capaces de destruir las bacterias. Se acepta que el principal mecanismo de destrucción fotocatalítica de las bacterias se basa en el ataque de su pared celular por los radicales hidroxilo (OH) [5]. Estudios anteriores han demostrado que cuanto más compleja es la pared celular, más resistentes son las bacterias a la desinfección fotocatalítica. Todavía no se sabe si el grosor, la estructura y/o la química de la célula bacteriana pueden desempeñar un papel. Además, es aún más difícil comprender la entidad de cada factor, ya que todavía se está investigando [6]. Sin embargo, está bien establecido que la eficiencia fotocatalítica depende de la proximidad de la superficie de TiO2 fotoactivada a la pared celular. De hecho, las nanopartículas de TiO2 en suspensión presentan una eficiencia de inactivación mucho mayor que el TiO2 inmovilizado. Sin embargo, la aplicación comercial de los sistemas fotocatalíticos obliga a emplear una configuración inmovilizada del fotocatalizador, evitando un paso adicional para recuperar las partículas de TiO2 [5]. Aunque la eficacia del fotocatalizador de TiO2 para la inactivación de suspensiones bacterianas ha sido ampliamente estudiada, la inactivación de biofilms ha recibido menos atención.

Este estudio tuvo como objetivo evaluar la eficacia de un sistema fotocatalítico de nanotubos inmovilizados (TiO2-NT) (IS) y de nanopartículas en suspensión (TiO2-NP) (SS) contra biofilms monoespecie y duales desarrollados por cepas bacteriana Gram negativas (Salmonella Typhimurium) y Gram positivas (Listeria monocytogenes). Se corroboró que dos factores principales afectan significativamente a la resistencia del biofilm durante la inactivación fotocatalítica, es decir, las condiciones de crecimiento del biofilm y las superficies que la forman. Las bacterias Gram-positivas mostraron una gran fotosensibilidad al formar biofilms de doble especie en comparación con las bacterias Gram-positivas de comunidades simples. Cuando se cultivaron sobre superficies de TiO2-NT (IS) para sistemas fotocatalíticos inmovilizados, los biofilm monoespecie y duales no mostraron diferencias en la inactivación fotocatalítica según los valores de la constante cinética (p > 0,05), pero dieron lugar a una reducción de aproximadamente 3-4 log10. Sin embargo, las superficies de TiO2-NT (IS) sí afectaron a la colonización del biofilm, ya que el crecimiento del biofilm monoespecie de bacterias Gram negativas y Gram positivas se ve significativamente (p ≤ 0,05) favorecido en comparación con el cultivo dual; aunque, la tasa de inactivación fotocatalítica no mostró dependencia de la concentración bacteriana inicial. La superficie de crecimiento del biofilm (que depende de la configuración fotocatalítica) también favoreció la resistencia de los biofilms monocultivo de bacterias Gram positivas en comparación con la de las Gram negativas en los sistemas fotocatalíticos inmovilizados, pero se confirmó un comportamiento opuesto con el TiO2 en suspensión (p ≤ 0,05). Se logró una eficacia exitosa del TiO2 inmovilizado para la inactivación de biofilm de una y dos especies, lo que hace factible la transferencia de esta tecnología a escenarios reales en el tratamiento de aguas y el procesado de alimentos.

Figura 1. Tratamiento fotocatalítico utilizado para la inactivación de biofilms monoespecie y duales. Constantes cinéticas de inactivación fotocatalítica de biofilms monoespecie y duales para fotocatalizadores en suspensión (TiO2-NP) (SS) e inmovilizados de TiO2 (TiO2-NT) (IS). (S) S. Typhimurium, (L) L. monocytogenes. Constante cinética (k, min-1) obtenida según el modelo log-lineal de Chick-Watson. DE: ± 0,005.

Referencias

[1] J.M.C. Robertson, C. Sieberg, P.K.J. Robertson, The influence of microbial factors on the susceptibility of bacteria to photocatalytic destruction, J. Photoch. Photobio. A 311 (2015) 53–58.

[2] R.A.N. Chmielewsky, J.F. Frank, Biofilm formation and control in food processing facilities, Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2 (2003) 22-32.

[3] R.H. Pires, M.F. Brugnera, M.V.B. Zanoni, M.J.S.M. Gianninia, Efectiveness of photoelectrocatalysis treatment for the inactivation of Candida parapsilosis sensu stricto in planktonic cultures and biofilms, Appl. Catal. A-Gen. 511 (2016) 149–155.

[4] C. Buck, N. Skillen, P.K.J. Robertson, J.M.C. Robertson, Influence of bacterial, environmental and physical factors in design of photocatalytic reactors for water disinfection, J. Photochem. Photobiol. A 366 (2018) 136–141.

[5] C. Pablos, R. van Grieken, J. Marugán, B. Moreno, Photocatalytic inactivation of bacteria in a fixed-bed reactor: Mechanistic insights by epifluorescence microscopy, Catal. Today 161 (2011) 133-139.

[6] R. van Grieken, J. Marugán, C. Pablos, L. Furones, A. López, Comparison between the photocatalytic inactivation of Gram-positive E. faecalis and Gram-negative E. coli faecal contamination indicator microorganisms, Appl. Catal. B: Environ.100 (2010) 212–220.

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