Download Evaluación de compuestos desinfectantes en la

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental
Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
EVALUACIÓN DE COMPUESTOS DESINFECTANTES EN LA ELIMINACIÓN DE Vibrio
cholerae y Escherichia coli PRESENTES EN AGUA
Juan L. García Rojas(*)
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Biólogo, Universidad Nacional Autónoma de México, Maestría en Ciencias (Biotecnología).
UNAM. Experiencia 18 años en tecnología enzimática, biosensores y microbiología. Posición
actual: Investigador, Laboratorio de Calidad del Agua, IMTA. Asociaciones; FEMISCA, Sociedad
Mexicana de Biotecnología y Bioingeniería.
Juana E. Cortés Muñoz:
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Miguel Angel Córdova Rodríguez :
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Dirección (*) : Paseo Cuahunahuac, 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos. CP 62550, México. Tel y Fax: (777)3-1942-81, e-mail: [email protected]
RESUMEN
En este trabajo se presenta una evaluación a nivel laboratorio de la efectividad de hipoclorito de sodio (1 mg/L), de
cobre (1 mg/L), de plata coloidal (0.32 g/L), y luz ultravioleta (UV a 220 a 300 nanómetros) para la desinfección de
agua. Los patógenos evaluados fueron Escherichia coli y Vibrio cholerae, la determinación del número de unidades
formadoras de colonia (UFC), después del tratamiento con estos desinfectantes se realizó empleando la técnica de
filtración por membrana (NOM-181-SSA1-1998 apéndice B). Con el hipoclorito de sodio se observó que el Vibrio
cholerae presenta un 85 % de células sobrevivientes, mientras que Escherichia coli se presenta en un mayor porcentaje
91 %. En el caso de cobre la sobrevivencia sólo pudo ser reducida para E. coli en un 10%, y para V. cholerae en un 60%
con respecto a la observada con una hora de contacto. El uso de plata coloidal parece ser el de mayor efectividad, en este
caso se observó que V. cholerae presentó un 42% de UFC sobrevivientes al tratamiento, mientras que Escherichia coli
es completamente eliminada después de 45 minutos de contacto. Finalmente, los resultados de la evaluación de la luz
UV indicaron que este tratamiento fue altamente eficiente para la eliminación de Escherichia coli, aunque en cuanto a
V. cholerae se observó únicamente un 33 % de sobrevivencia después del tratamiento.
Palabras clave: Desinfectantes, V. cholerae, E.coli, Potabilización
INTRODUCCION
El agua para uso y consumo humano está sujeta a contaminación procedente de asentamientos urbanos y rurales. Debido
a ello, gran cantidad de virus, bacterias y protozoarios se pueden transmitir por el consumo de agua contaminada y
constituir un riesgo potencial para la salud.
El agua de calidad microbiológica deficiente puede ser el origen de infecciones bacterianas tales como las causadas por
Vibrio cholerae, Salmonella typhy, Campilobacter jejuni y Escherichia coli, entre las infecciones vírales destacan la
hepatitis A, virus Norwalk y gastroenteritis por rotavirus. Algunos brotes de amibiasis y la giardiasis se han relacionado
también al agua para consumo en los Estados Unidos. Existen datos que señalan que estas enfermedades, solamente
pueden ser prevenidas de manera confiable, asegurando que toda la población tiene acceso a agua de uso y consumo
humano desinfectada y a sistemas adecuados de disposición de excretas.
Aunque se ha comprobado que diversos microorganismos presentes en el agua de consumo son capaces de causar
enfermedad en solamente una fracción de la población expuesta, existe la necesidad de dar respuesta a algunas
interrogantes: ¿es necesario y suficiente con filtrar el agua?, ¿qué se puede considerar como un programa de control
adecuado?, ¿ nivel de contaminación de la fuente de abastecimiento?, ¿cuándo está justificada la desinfección en un
sistema de agua subterránea?, ¿cuánta y a qué nivel de desinfección deberá darse?, ¿qué cantidad mínima de
desinfectantes puede ser usada de manera segura, con el objeto de minimizar los riesgos por exposición al mismo y a los
subproductos? ¿qué medidas de desinfección y manejo debe darse al agua en el hogar? ¿qué desinfectantes alternativos
al cloro pueden emplearse sin causar otros daños a la salud y al ambiente?.
En los primeros años del siglo XX, la protección a las fuentes de abastecimiento, la filtración de las aguas superficiales y
la desinfección con cloro, fueron acciones que permitieron reducir de manera importante la hidrotransmisión de
enfermedades tales como la fiebre tifoidea y el cólera. La desinfección se dirigió al control de enfermedades
transmisibles por el agua y asociadas con bacterias, tomando como organismos indicadores a los coliformes, el proceso
se define como la eliminación o inactivación de bacterias, virus y parásitos, y uno de los principales objetivos es la
protección de las fuentes de abastecimiento de agua para uso y consumo humano.
En Estados Unidos y América Latina, el cloro aplicado como desinfectante ha sido excelente para matar o inactivar los
microorganismos patógenos, sin embargo, el deterioro en la calidad de las fuentes de abastecimiento ha obligado a la
aplicación de tecnologías alternativas que prevén la formación de subproductos de cloro reglamentados como
trihalometanos.
Aunque se han descrito bien los mecanismos de acción de algunos desinfectantes químicos como cloro y sus
compuestos, yodo, bromo, ozono y peróxidos, compuestos metálicos (cobre y plata), álcalis, ácidos y detergentes y otros
de naturaleza física como temperatura (calor húmedo, calor seco), radiaciones (luz ultravioleta, gama) y sonicación, cada
uno tiene diferentes valores de efectividad a los distintos patógenos que pueden presentarse en agua.
El hecho de que los brotes de cólera así como de otras enfermedades gastrointestinales de origen hídrico no han sido
totalmente prevenidas, ponen de manifiesto que los esfuerzos en materia de saneamiento, protección de fuentes de
abastecimiento y desinfección adecuada del agua, tanto en concentración de desinfectante por litro como en cobertura,
han permitido que la bacteria del cólera, Vibrio cholerae, sobreviva en las redes y sistemas formales y no formales de
distribución del agua.
Para la solución de este problema, se requiere de grandes inversiones y casi siempre algunos años para su
implementación; desafortunadamente hasta el momento si bien se ha trabajado en el abasto de desinfectantes en algunas
comunidades, la dosificación no siempre es correcta ni regular, y en numerosas ocasiones la población rechaza el olor y
sabor que el cloro en particular suele conferir al agua. En este sentido, los programas de saneamiento integral son lo más
adecuado en términos de una evaluación de costo - beneficio, sobre todo cuando los planes son de corto plazo.
En Estados Unidos y América Latina, el cloro aplicado como desinfectante ha sido excelente para matar o inactivar los
microorganismos patógenos, sin embargo, el deterioro en la calidad de las fuentes de abastecimiento ha obligado a la
aplicación de tecnologías alternativas que prevén la formación de subproductos de cloro reglamentados como
trihalometanos.
La Organización Mundial de la Salud recomienda entre otras cosas:
• El agua para uso humano debe ser desinfectada ya sea aplicando, mejorando o manteniendo algún procedimiento de
desinfección en los sistemas de distribución rurales y urbanos.
• El uso de pastillas de cloro o yodo, deben ser distribuidos a la población con las instrucciones para su empleo
correcto.
• En donde no sea posible el tratamiento químico realizar programas de educación para la salud, recomendando el
consumo de agua hervida.
El agua puede ser desinfectada por diferentes medios, entre los cuales se encuentran:
a) Agentes físicos: temperatura (calor húmedo, calor seco), radiaciones (luz ultravioleta, gama) y sonicación
b) Agentes químicos: oxidantes (cloro y sus compuestos, yodo, bromo, ozono y peróxidos), compuestos metálicos
(cobre y plata), álcalis, ácidos y detergentes
Considerando que el agua distribuida debe ser agradable, clara, libre de cualquier tóxico cancerígeno o producto
mutagénico vector de nuevas enfermedades, en los años 70, se prestó atención a la práctica de la desinfección, tomando
en cuenta los subproductos que se forman entre el desinfectante y la materia orgánica y que pueden ser peligrosos a la
salud humana.
Cuando el objetivo del proceso de desinfección es la reducción del número de patógenos a los niveles a los cuales el
riesgo de infección sea mínimo, los diferentes mecanismos que presentan los desinfectantes son:
•
•
•
•
Daño a la pared celular
Alteración de la permeabilidad de las células
Alteración de la naturaleza coloidal del protoplasma
Inhibición de la actividad enzimática.
Aunque se han descrito bien los mecanismos de acción de los desinfectantes, cada uno tiene diferentes valores de
efectividad a los distintos patógenos que pueden presentarse en agua, sin embargo, es deseable que las características
que un desinfectante “ideal” deba poseer son:
•
•
•
•
•
•
Inactivar a todos los patógenos en un mismo porcentaje
Debe ser insensible a parámetros físico-químicos que ocurren en el agua
No debe producir subproductos durante el proceso
Debe inactivar patógenos del interior o de la superficie de partículas presentes en agua
Debe ser capaz de eliminar cualquier proceso de reparación posterior a la desinfección
En términos de costo-beneficio debe ser fácilmente incorporable a los procesos de tratamiento de agua
Existen varias opciones que han sido recomendadas recientemente por la OMS para la desinfección del agua: cloro, plata
coloidal, cobre, yodo, luz ultravioleta y ozono. En función de la factibilidad de aplicación en gran escala de
desinfectantes en comunidades pequeñas y a nivel casero el presente trabajo se realizó con el siguiente:
OBJETIVO
Evaluación de hipoclorito de sodio, plata en solución y electrogenerada, cobre y luz ultravioleta, como desinfectantes
para la eliminación de Vibrio cholerae y Escherichia coli presentes en agua.
METODOLOGÍA
Agua de Prueba (Agua con bacterias contaminantes)
Para cumplir con los procedimientos de la norma oficial mexicana en la evaluación de sustancias germicidas o
desinfectantes en agua, se inoculó una fuente de agua con un número conocido de colonias del microorganismo
seleccionado (NOM-181-SSA-1988). Posteriormente el agua se somete a la acción de la sustancia germicida, siempre
bajo las condiciones que requiere cada sustancia desinfectante. Se toman muestras del agua de prueba antes y después de
haberse sometido al tratamiento, de acuerdo con la NOM-014-SSA1-1993. A continuación se determina en dichas
muestras la concentración de los organismos de prueba.
Bacterias empleadas en las pruebas
En todos los casos se usaron 2 L de agua contaminada artificialmente usando Escherichia coli (ATCC 11775) y Vibrio
cholerae (ATCC 14033). Aunque en la norma oficial se sugiere únicamente a Escherichia coli en este trabajo se incluyo
la bacteria de Vibrio cholerae con el objeto de evaluar comparativamente el efecto de los diferentes germicidas sobre
dos patógenos de importancia por su potencialidad de transmisión en agua.
Concentración de germicidas
Para la evaluación de hipoclorito de sodio se empleo una concentración de 1 mg/L. En el caso de plata coloidal se uso
una concentración de 0.32 g/L en agua. En el caso de cobre se empleó una concentración de 1 mg/L. La desinfección
mediante UV, se empleo entre 220 a 300 nanómetros con un flujo máximo de 10 L/min. con un tiempo de contacto
aproximado de 25 minutos. Todas estas concentraciones se probaron en base a que son las concentraciones que los
diferentes proveedores sugieren para cada uno de los diferentes productos empleados en este trabajo. Tres
concentraciones de plata electrogenerada fueron probadas en función de que las primeras pruebas indicaron a este
germicida como el mejor de los evaluados, verificadas con espectrofotómetro, se evaluaron: 195, 390 y 585 ppb. Se
determinó
Método de prueba
La determinación del número de unidades formadoras de colonia (UFC), de Escherichia coli y Vibrio cholerae,
después del tratamiento con los desinfectantes se realizó empleando la técnica de filtración por membrana (NOM-181SSA1-1998 apéndice B), en el caso de las pruebas con plata electrogenerada se determinó únicamente E. coli por ser ,el
bioindicador que señala la NOM y su determinación se realizó por cuenta heterotrófica por siembra en placa y
coliformes totales y fecales mediante sustrato definido, ONPG y MUG, respectivamente. Los experimentos se
condujeron por 72 hrs. a una temperatura de 25°C con agitación constante y monitoreo de pH y conductividad en un
sistema de reacción a nivel laboratorio.
RESULTADOS
En la figura 1, se observa el comportamiento del efecto del hipoclorito de sodio en la reducción de E.coli y V. cholerae.
A partir de el 100 % de bacterias que existen al principio de la prueba como inoculo inicial, se observa que el Vibrio
cholerae presenta un 85 % de UFC sobrevivientes al tratamiento con el hipoclorito de sodio, mientras que Escherichia
coli se presenta en un mayor porcentaje 91 % sobrevivientes a este desinfectante, estrictamente apegados a 45 minutos
de tiempo de contacto.
Plata
V. cholerae
E. coli
7
8
Hipoclorito
V. cholerae
7
5
6
4
5
Log. UFC
Log. UFC
6
3
4
3
2
2
1
0
E. coli
1
0
15
45
Tiempo de contacto (min)
Figura 1. Eficiencia del hipoclorito de sodio (1 mg/L)
después de 45 minutos de tratamiento
0
0
15
45
Tiempo de contacto (min)
Figura 2.- Eficiencia de la plata coloidal (0.32 g/L)
después de 45 minutos de tratamiento
En la figura 2, se observa la eficiencia de la plata coloidal. En esta figura se aprecia que V. cholerae presenta un 42% de
UFC sobrevivientes al tratamiento con la plata coloidal, mientras que Escherichia coli es completamente eliminada
después de 45 minutos de contacto.
Esto significa que en la evaluación del efecto de la plata coloidal para la eliminación de E. coli con este tiempo de
contacto fue suficiente. Sin embargo, fue evidente que se requiere mayor tiempo de contacto para eliminar aquellos
casos en que el agua presente niveles de contaminación de 10 6 bacterias de V. cholerae,
12
E. coli
Cobre
V. cholerae
10
10
UV
V. cholerae
8
8
6
Log. UFC
Log. UFC
E. coli
6
4
4
2
2
0
0
0
60
360
0
1440
25
Tiempo de contacto (min)
Figura 3. Eficiencia de sales de cobre (1 mg/l) con 1,
6 y 24 horas de contacto
Figura 4. Eficiencia de la luz Ultra Violeta
después de 25 minutos de contacto
En la figura 3, se aprecia que el cobre en los tiempos de contacto en que fueron usados el hipoclorito de sodio y la plata
coloidal (una hora aproximadamente), reduce la sobrevivencia de E. coli hasta un 36 % y de V. cholerae hasta 63 %.
Cuando se evalúa hasta las 24 horas la sobrevivencia de E. coli y V. cholerae se redujo hasta un 63 y 67.6 %
respectivamente.
Los resultados de la evaluación de la luz UV observados en la figura 4, indicaron que este tratamiento fue altamente
eficiente para la eliminación de Escherichia coli, aunque en cuanto a V. cholerae se observa un 33 % de sobrevivencia
después del tratamiento.
En el caso de la plata originalmente se evaluó una concentración p/v de 320 ppm, sin embargo , la plata por haber
demostrado la mayor efectividad y en virtud de que su efecto germicida esta generado por la plata en estado de ion, se
probaron concentraciones de plata electrogenerada hacia abajo de esa concentración para determinar la concentración
mínima requerida para que su efecto se mantenga en agua. Los resultados se muestran en la figura 5, en esta se puede
observar que el efecto de la plata electrogenerada fue suficientemente efectivo para que en 30 minutos se redujera el
porcentaje de bacterias hasta un 16 % y en tres horas la reducción observada fue del 100 % y que es en este caso un
efecto similar a la plata usada disuelta en agua.
120
0.195
Plata electrogenerada
0.39
0.586
Reduccion (%)
100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
3
4
6
12
18
24
30
36
42
48
Figura 5. Eficiencia de plata electrogenerada como desinfectante en agua probada a 0.195, 0.39 y 0.586 ppb
En esta ultima prueba se extendió el tiempo de contacto y se evaluaron diferentes concentraciones para poder definir si
una mayor concentración de plata y un mayor tiempo de contacto mostraban mejores resultados. La conclusión principal
es que no importando la concentración de plata electrogenerada usada, arriba de 195 ppb el resultado es similar aun a
concentraciones 3 veces mayores a esta que es aproximadamente la concentración que se usa en algunas presentaciones
comerciales.
CONCLUSIONES
De estos tratamientos el uso de plata coloidal resulto ser el más efectivo, en la primera etapa de prueba parecía evidente
que en la medida que los tiempos de contacto fueran mayores, las eficiencias en la desinfección se incrementarían, sin
embargo, después de evaluar con plata electrogenerada mayores tiempos de contacto el efecto no se incrementa. En
este mismo caso, también es posible observar las diferentes susceptibilidades de los patógenos sometidos a la prueba,
debido a que la eficiencia de desinfección es del 100 % para E. coli y solamente del 50 % para V. cholerae.
En general la aplicación de plata en agua fue la mejor alternativa debido a que fue capaz de eliminar 104 células de V.
cholerae y 108 células de E. coli.
Las sales de cobre tienen mayor efecto sobre V. cholerae debido a que en concentraciones de 1.0 mg/L de agua
eliminaron 108 vibriones, sin embargo los tiempos de contacto requeridos hacen poco práctica su aplicabilidad.
La desinfección con luz ultravioleta mostró ser igualmente efectiva para eliminar V. cholerae y E. coli, sin embargo, su
aplicabilidad es limitada principalmente por la falta de poder residual y las necesidades de infraestructura.
Algunos resultados como en el caso de cobre, aun cuando se evaluó a las 24 horas, la sobrevivencia sólo pudo ser
reducida para E. coli. en un 10%, y para V. cholerae en un 60% con respecto a la observada con una hora de contacto.
Esto hace necesario considerar las diferencias en las fisiologías de los distintos patógenos potenciales presentes en agua
para la selección del desinfectante mas adecuado.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Brust-Carmona, H.A. Aguilar., Benítez, A., Bernal, J., Zarco, J. Y Vidrio, H. (1995) Tecnología apropiada para la
desinfección del agua para uso y consumo humano, eficiencia de la celda MOGGOD-CEDAT. En memorias del seminario sobre
desinfección del agua. México, pp. 18-28.
Landeen, L.K., Yahya, M.T., Gerba, C.P.1989. Efficacy of copper and silver ions and reduced levels of free chlorine in
inactivation of Legionella pneumophila. Appl. Environ. Microbiol. 55(12):3045-3050
Thurman, R.B. y Gerba, C.P. 1989. The molecular mechanisms of copper and silver ion disinfection of bacteria and viruses.
CRC Critical Reviews in Environmental Control. 18(4): 295-315.
Yahya,M.T., Landeen, L.K, Messina, M.C., Kutz, S.M., Schulza, R., Gerba, C.P. (1990) .Disinfection of bacteria in water
systems by using electrolytically generated copper:silver and reduced levels of free chlorine. Can. J. Microbiol. 36:109-116.