Uso de la radiación solar (UV-A y temperatura) en la inactivación del Vibrio cholerae en agua para consumo humano. Factores que condicionan la eficiencia del proceso (página 2)

RESULTADOS

Impacto de la temperatura. La concentración inicial que se alcanzó, al inocular con 1 ml del cultivo fue de 16,000 NMP/100 ml de V. cholerae (la concentración total en el volumen utilizado, es decir, cantidad de agua que consume una persona al día, fue de 320,000 NMP para botellas de vidrio y de 240,000 NMP para botellas de plástico).

Ambas pruebas mostraron un aumento ligeramente distinto de la temperatura entre los dos tipos de recipientes debido a los distintos volúmenes utilizados en las botellas, pero la inactivación de V. cholerae fue similar (Figura 1). La temperatura comenzó aumentar lenta y constantemente hasta alcanzar más de 50° C primero en las botellas de vidrio (225 minutos) y luego en las botellas plásticas (240 minutos). La reducción de las bacterias fue drástica cuando se alcanzó 40° C (3 log) en el agua, después de los 45° C el nivel de bacterias fue <2 NMP/100 ml (valor mínimo que se puede dar cuando todos los tubos son negativos y según el número de tubos utilizados en la prueba) en ambas botellas.

En la Figura 2 se evidencia de nuevo la importancia de la temperatura en la reducción del V. cholerae. Cuando se tiene una temperatura constante de 30° C, se necesitan cerca de 100 Wh/m2 para alcanzar la inactivación total de los vibrios, en una segunda prueba, con 140 Wh/m2 de UV-A acumulada, al final del experimento se demostraron 70 NMP/100 ml de vibrios (99.5% de reducción). Al emplear 50° C, se necesitaron menos de 10 Wh/m2 para obtener 100% de inactivación.

Influencia de la turbiedad. Como cada prueba se realizó en días distintos, se obtuvieron diferentes turbiedades, radiación solar, máxima temperatura alcanzada y diferente inóculo inicial de V. cholerae. La calidad del agua (turbiedad y sólidos suspendidos) la radiación total de UV-A y la concentración inicial de V. cholerae se presentan en el Cuadro 1.

Cuadro 1: Condiciones Experimentales de las Pruebas Realizadas con Botellas y Tres Tipos de Agua.

La temperatura en el agua cruda (40 UNT) y prefiltrada (23 UNT) no alcanzó a llegar a 50° C, lo que permitió que al terminar el experimento se presentara una concentración residual de V. cholerae (4 NMP/100 ml en botellas plásticas y de vidrio), con agua filtrada (5 UNT) que alcanzó los 50° C; no se encontraron vibrios en ninguna de las botellas inoculadas después de los 35° C.

Las pruebas con agua cruda y prefiltrada fueron positivas para V. cholerae a 45° C. Se notaron diferencias apreciables en la radiación y el tiempo necesario para inactivar los vibrios en estos dos tipos de agua. En agua cruda tanto en las botellas de plástico como de vidrio, se necesitaron 105 Wh/m2 de radiación UV-A para disminuir 2.6-2.9 log (de 1,500 NMP a 4 NMP) de vibrios en 270 minutos y con agua prefiltrada se necesitaron 46° C y 52 Wh/m2 de radiación UV-A para una reducción de 3.2-3.7 log (de 11,000 NMP a 4 NMP) de vibrios en 130 minutos.

El agua con baja turbiedad (<5 UNT) requiere menos radiación solar, temperatura y tiempo para la inactivación de estas bacterias (Cuadro 2). La inactivación de V. cholerae con agua de baja turbiedad comenzó a los 35° C y 39 Wh/m2 de radiación UV-A y la inactivación fue total cuando se alcanzó 40° C y 36 Wh/m2 de radiación UV-A (botellas de vidrio) y 44 Wh/m2 de radiación UV-A (botellas de plástico).

Cuadro 2: Comparación de la Sobrevivencia de V. cholerae, Tiempo y Radiación UV-A Necesaria para la Inactivación, con Tres Tipos de Agua.

OD: cálculo de la recuperación 24 horas después de la exposición. V ch: Vibrio cholerae.

Nota. Como se utilizaron 5 tubos por dilución, cuando todos los tubos son negativos, el valor mínimo estimado es <2 NMP/100 ml.

Influencia del tipo de recipiente. Al comparar la mortalidad del V. cholerae en los tres recipientes se puede concluir que las bolsas plásticas alcanzaron mayores temperaturas y dan mayor seguridad al proceso SODIS; al final del experimento, los resultados fueron los mismos, 100% reducción de los vibrios. En la Figura 3 se observan diferencias entre la dosis de UV-A y la temperatura necesaria para inactivar los vibrios en los tres recipientes evaluados; estas diferencias se deben al nivel de turbiedad en las muestras de agua. Las botellas de vidrio y plástico contenían agua con turbiedades de 9 UNT, mientras las bolsas 124 UNT (más alta concentración de vibrios) y 14 UNT (más baja concentración de vibrios) (Figura 3).

Influencia de la concentración de V. cholerae. Cuando se alcanzó una temperatura de 30° C (18 Wh/m2 de radiación UV-A), hubo una leve reducción en los recipientes con concentraciones más bajas (2.5 x 103 NMP/100 ml) alcanzando a 1,600 NMP/100 ml, mientras que en las concentraciones más altas no se obtuvieron reducciones apreciables (2.5 x 106, 2.5 x 105, 2.5 x 104 NMP/100 ml).

A 35° C y 28 Wh/m2 de radiación UV-A (95 minutos) sólo hubo reducción en las dos concentraciones más bajas, pues llegaron a 16,000 y 350 NMP/100 ml. Cuando la temperatura alcanzó 40° C y una radiación UV-A de 36 W/m2 (125 minutos) la concentración de vibrios fue similar para las tres concentraciones llegando a 350 NMP/100 ml.

Con 48° C y 84 W/m2 de radiación UV-A (305 minutos) no se descubrieron tubos positivos para V. cholerae (<2 NMP/100 ml) en las diferentes concentraciones, con excepción de la más baja en la que se determinaron 2 NMP/100 ml. Al final de la prueba todas las botellas fueron negativas para los vibrios (345 minutos) (Figura 4).

Correlación de inactivación entre coliformes termotolerantes y el V. cholerae. Se establecieron nueve correlaciones entre la inactivación de los coliformes termotolerantes y V. cholerae, con correlaciones entre 0.82 y 0.99 (Cuadro 3).

Cuadro 3: Correlaciones entre la Inactivación de los Coliformes Termotolerantes y la Inactivación del Vibrio cholerae.

DISCUSIÓN

Las diferentes pruebas demostraron que el V. cholerae es sensible a las condiciones ambientales; esto se deduce de los resultados. El impacto de sólo aumentar la temperatura causó reducciones drásticas de los vibrios (Figuras 1 y 2). Este mismo fenómeno ya lo observaron Ciochetti y Metcalf13. Por el contrario, con los coliformes termotolerantes, la radiación es mucho más importante que la temperatura; estas bacterias resisten incrementos de la temperatura hasta casi 50° C sin causar mortalidades apreciables14.

Cuando se combinan la temperatura y la radiación solar, la reducción comienza a los 35° C (menor turbiedad) y 100 minutos y cuando se exponen los recipientes sólo a la temperatura, la inactivación se inició a los 40° C y 135 minutos. En una prueba similar realizada en Nigeria, se necesitaron cerca de cinco horas y aproximadamente 600 W/m2 de radiación UV-A para la inactivación completa del V cholerae13,15. MacKenzie et al.16 sólo lograron una reducción de 99.9% (3 log) de los vibrios en seis horas de exposición al sol, pero esta exposición comenzó a la mitad del día y no se determinó el nivel de temperatura alcanzado y la radiación UV-A acumulada.

El aumento de la temperatura causa importantes cambios en algunos parámetros físicos y químicos del agua, eleva la tasa de reacciones químicas y bioquímicas, decrece la solubilidad de los gases y se aumenta la tasa metabólica de los microorganismos17. Estos cambios podrían ser los causantes de la destrucción de la integridad celular, mientras que la radiación UV-A afecta la respiración, el transporte a través de la membrana, la duplicación del ácido nucleico y la síntesis de proteínas18 y junto con el O2 disuelto produce compuestos tóxicos19, por esta razón la temperatura y la radiación son sinérgicos.

La influencia de la turbiedad en la inactivación de V. cholerae fue similar a la encontrada en la inactivación de los coliformes termotolerantes8, pues con altos niveles de turbiedad en el agua se necesitaron más altas dosis de radiación UV-A y temperatura (más tiempo de exposición) para inactivar completamente los vibrios. Alward14 y Odeyemi15 demostraron que las bacterias se inactivan más rápidamente por la radiación solar en aguas con turbiedad baja, que en aguas con turbiedad alta.

La comparación de los resultados obtenidos con diferentes turbiedades indica, que con agua cruda (turbiedad alta) se necesitó casi el doble de la radiación que la necesaria con agua prefiltrada (turbiedad media) para causar una reducción pequeña en los niveles de los vibrios. Esto aunque cuando se realizó la prueba con agua cruda se alcanzaron los 50° C y se tuvo una baja concentración inicial de vibrios.

También se pudo observar que con agua prefiltrada se logró llegar más rápido a 45° C (110 minutos vs. 140 minutos). Esto sugiere que las turbiedades altas (y los sólidos suspendidos) reducen la eficiencia de la SODIS; por tanto, se recomienda reducir la turbiedad antes de exponer el agua a la radiación solar20,21.

Generalmente, a menor densidad de bacterias la tasa de inactivación es mayor. Odeyemi22 encontró altas reducciones de bacterias con bajas densidades. El mismo autor propone que esto se debe a la fácil penetración e inactivación que causan los rayos solares a las bacterias cuando están dispersas y en forma individual en el agua, lo opuesto se encuentra en aguas con altas densidades, pues las células se pueden encontrar aglomeradas, protegiéndose muchas bacterias de la radiación UV-A. Sin embargo, en la presente investigación con V. cholerae la inactivación parece que no es influida por la densidad de bacterias (Figura 1), pues si la UV-A no llega hasta las bacterias, la temperatura sería la encargada de inactivarlas.

Otro factor importante para la SODIS adecuada es el tipo de recipiente7,9,10. Las paredes del recipiente sirven como filtro a la radiación UV-A: Si el recipiente causa reducciones altas es necesario emplear más tiempo de exposición, como es el caso de las botellas plásticas usadas en estos experimentos que reducen cerca de 30% de la UV-A; por el contrario, las bolsas plásticas reducen cerca de 10%. Además, Sommer9 demostró que las bolsas plásticas se calientan mucho más que los otros recipientes por la relación área/columna de agua, que resulta ser mucho mayor que con las botellas.

Cuando se realizaron las comparaciones entre la inactivación de los coliformes termotolerantes y los vibrios, se encontraron altas correlaciones entre la inactivación de los coliformes y los vibrios termotolerantes (entre 0.86 y 0.99). Las correlaciones más bajas se presentaron con botellas de plástico y las más altas con bolsas plásticas. La diferencia entre estos recipientes pudo ser el nivel de temperaturas que siempre fue mayor en el agua de las bolsas plásticas.

Esto permite evidenciar que el impacto de SODIS sobre los vibrios es mucho más alto que para los coliformes termotolerantes9. Con estos resultados se deduce la utilidad de los coliformes termotolerantes como indicadores de la mortalidad de los vibrios. Estos resultados son importantes debido a los costos de los métodos que se usan para el aislamiento y la identificación del V. cholerae, con respecto a los que se emplean para los coliformes termotolerantes.

Las pruebas preliminares demuestran que existe un potencial para SODIS en el control de este tipo de infección. Estas consideraciones se basan también en los resultados obtenidos por otros investigadores en Canadá14, Suiza5 y el Líbano4 con la inactivación de los coliformes termotolerantes.

SUMMARY: Vibrio cholerae was inoculated in plastic and glass bottles and plastic bags. The containers were exposed to sunlight during six hours. When temperature raised up to 30° C, 35° C, 40° C, and 45° C, samples of water were taken. The impact of: a) temperature, b) turbidity, c) container and d) initial concentration of vibrio were determined. The bacteria were inactivated with only temperature, when it raised up to 45º C, whereas, with constant temperature of 30º C it was necessary 100 Wh/m2 of the radiation and at 50º C, only 10 Wh/m2. The turbidity caused interference with SODIS process: total inactivation was achieved with different levels: 105 Wh/m2 (40 TNU), 91 Wh/m2 (23 TNU) and 36 Wh/m2 (5 TNU). The container type and initial different concentration of vibrio did not have influence on the SODIS process. Full correlation among thermotolerant coliforms and V. cholerae inactivation was always high (0.86 and 0.99).

REFERENCIAS

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Yezid Solarte1, Martha Lucía Salas1, Bernhard Sommer2, Carlos Dierolf1, Martin Wegelin2 1. Instituto de Investigación y Desarrollo de Agua Potable, Saneamiento Básico y Conservación del Recurso Hídrico (CINARA). Universidad del Valle, A.A. 25157. 2. Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), CH-8600, Duebendorf, Switzerland.