Modelado cinético de la inactivación de escherichia coli en agua mediante radiación solar y aplicaciones de sodis. (kinetic modelling of the escherichia coli inactivation in water by solar radiation: applications to sodis)
- Autores: María Castro Alférez
- Directores de la Tesis: Antonia Pilar Fernández Ibañez (dir. tes.), Angel Javier Margugán Aguado (codir. tes.), María Inmaculada Polo López (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Gilles Mailhot (presid.), Isabel Oller (secret.), María José López Muñoz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología y Bioprocesos Industriales Aplicados a la Agroalimentación y Medioambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Uno de los mayores problemas a nivel mundial es la escasez de agua que unida a la desigual distribución de agua dulce en el mundo y a la falta de higiene y sanidad adecuados en zonas con bajos ingresos económicos, provoca que actualmente millones de personas se vean obligadas a consumir aguas contaminadas. La carga fecal que presentan estas aguas genera serios problemas de salud a aquellos que las consumen, incluso pueden resultar letales para la población más vulnerable.
La técnica de ‘desinfección solar de agua’, más conocida como SODIS (acrónimo de la expresión inglesa ‘solar water disinfection’) se presenta como una solución de bajo coste para aquellas comunidades con accesos limitados a fuentes de agua potable y con bajos recursos económicos. En las últimas décadas, su uso se ha extendido a cerca de 5 millones de personas en todo el mundo gracias al trabajo realizado por las ONGs y científicos dedicados a la difusión del SODIS como método de tratamiento de agua. El funcionamiento es muy simple, consiste en exponer el agua contaminada en contenedores transparentes (normalmente botellas de tereftalato de polietileno, PET por sus siglas en inglés) a la luz solar directa durante al menos 6 horas. La eficacia de la técnica SODIS ha sido muy estudiada demostrando que es adecuada en diversas condiciones de operación y se han determinando cuáles son los factores que más influyen en la desinfección. Sin embargo, todavía hay algunos aspectos desconocidos en la técnica SODIS, principalmente aquellos relacionados con la comprensión de los mecanismos de la foto-inactivación solar de las células bacterianas.
El objetivo de este trabajo consiste en modelar los mecanismos por los que se produce la inactivación celular mediante su interacción con la radiación solar. En particular, se ha desarrollado un modelo mecanicista usando E. coli K-12 en agua isotónica (agua destilada con cloruro sódico). El modelo se basa en una de la hipótesis más aceptadas de la literatura, que afirma que la inactivación bacteriana durante la exposición solar se debe al ataque a diversas dianas intracelulares por las Especies Reactivas de Oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés) que se generan a nivel celular debido a la acción de los fotones de la luz solar. Por primera vez, este trabajo demuestra experimentalmente la presencia y acúmulo de ROS en el interior de las células de E. coli expuestas a radiación solar natural, lo que ha sido esencial para el desarrollo del modelo mecanicista de SODIS. La detección intracelular de las ROS se ha realizado mediante un protolocolo modificado para la medida del estrés oxidativo en células eucariotas mediantes sondas fluorescentes, usando el diacetato de 2,7-diclorodihidrofluoresceína (DCFH-DA), previamente hidrolizada químicamente y posteriormente detectada mediante citometría de flujo.
Como pilar de este trabajo, se ha propuesto un primer modelo mecanicista cinético que explica la inactivación bacteriana durante la desinfección solar del agua. El modelo se basa en la foto-generación de ROS intracelulares y la foto-inactivación de ciertas enzimas: la catalasa (CAT) y la superóxido dismutasa (SOD), cuyas funciones principales son la eliminación de las ROS generadas dentro de las células bacterianas. Para estimar los parámetros del modelo, se ha llevado a cabo una serie de experimentos de SODIS a escala de laboratorio a diferentes valores de irradiancia solar y diferentes valores de concentración inicial de bacteria en condiciones controladas de radiación y temperatura. La constante cinética de la foto-inactivación de la catalasa se determinó experimentalmente bajo las mismas condiciones controladas.
A continuación, se ha desarrollado una modificación del primer modelo propuesto para considerar también el efecto térmico que normalmente se genera en el proceso SODIS (30 – 55 ºC). Para ello, se realizaron experimentos de inactivación térmica en oscuridad y experimentos de SODIS a diferentes valores de temperatura controlada para determinar la relación entre la temperatura del agua y la inactivación bacteriana durante la exposición de las células a la luz solar. Se observó un claro efecto sinérgico entre la temperatura y la radiación UVA, que se incluyó en el modelo matemáticamente mediante parámetros de Arrhenius obtenidos por regresión.
Finalmente, el modelo obtenido se ha validado en condiciones reales de iluminación solar natural en aguas claras (agua isotónica y de pozo) y en botellas PET, usando los valores cambiantes de la irradiancia solar y la temperatura del agua durante el proceso de desinfección. También se ha validado el modelo en aguas turbias en botellas PET, para lo que adicionalmente se ha desarrollado un modelo de luz que estima la radiación dentro del foto-reactor. El rango de turbidez validado ha sido de 5 a 300 NTU usando dos agentes de turbidez distintos, caolín y tierras rojas naturales. Además, el modelo se ha validado en diversos reactores solares a escala de planta piloto diseñados para obtener volúmenes de producción mayores y usando diferentes materiales. En todos los casos, los experimentos y las simulaciones se llevaron a cabo bajo diferentes condiciones climáticas (días soleados y días nublados).
El modelo de desinfección solar de agua propuesto en este trabajo presenta prometedoras aplicaciones para el diseño de foto-reactores solares a gran escala, como una herramienta para predecir la eficiencia de nuevos prototipos de reactores sin necesidad de construirlos y operarlos. Para ello, se han definido los parámetros de "tiempo seguro de tratamiento " y "dosis segura de UVA" para comparar la eficiencia de diferentes reactores solares ante unas mismas condiciones climáticas. Además, en condiciones reales en un reactor solar que esté instalado y operando, los parámetros propuestos pueden utilizarse para determinar el punto final del tratamiento teniendo en cuenta la variabilidad de la irradiancia y la temperatura del agua.
