DESINFECCIÓN DE AGUA MEDIANTE RADIACIÓN SOLAR. Karina REYES OLIVAS, Luis A. GOMEZ, Ma. Teresa LEAL ASCENCIO y Silvia GELOVER SANTIAGO

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1 DESINFECCIÓN DE AGUA MEDIANTE RADIACIÓN SOLAR Karina REYES OLIVAS, Luis A. GOMEZ, Ma. Teresa LEAL ASCENCIO y Silvia GELOVER SANTIAGO Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Paseo Cuauhnáhuac 8532, Tel y fax , tereleal@tlaloc.imta.mx Palabras clave: Fotocatálisis Solar, SODIS, coliformes, huevos de helminto. RESUMEN La desinfección solar (SODIS) es un proceso que utiliza la radiación solar para la desinfección de agua. Este tratamiento está destinado a zonas rurales que carecen de sistemas de conducción de agua potable. En este trabajo se presenta una alternativa que mejora el proceso SODIS a través de la incorporación de un proceso de fotocatálisis solar con TiO 2 inmovilizado, para la desinfección de agua contaminada con bacterias y parásitos. Las pruebas bacteriológicas, se realizaron utilizando agua de una fuente natural con [2x10 3 ] en coliformes totales y [9x10 2 ] en fecales, ambos expresados en NMP/100 ml. Para las pruebas con parásitos se inoculó el agua con un número conocido de huevos de helminto (HH) previamente aislados e identificados. La desinfección mediante fotocatálisis solar con TiO 2 requirió de 30 minutos para reducir la concentración de coliformes a cero, mientras que el proceso SODIS requirió más de 60 minutos para lograr el mismo efecto. No se observó recrecimiento durante siete días para las muestras tratadas con fotocatálisis solar con TiO 2, mientras que las muestras con SODIS mostraron recrecimiento a partir del primer día de almacenamiento. En la inactivación de parásitos, las pruebas de viabilidad de las muestras control (blanco) presentaron una capacidad de formación larvaria de 77 %. Como resultado de la exposición a fotocatálisis solar con TiO 2, la viabilidad de los HH se redujo a cero con seis horas de tratamiento. En contraste, las muestras tratadas con SODIS mostraron un remanente de la concentración original encontrándose un 10% de viabilidad de HH, después del mismo tiempo de tratamiento. INTRODUCCIÓN Según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS), cada año mueren, aproximadamente, tres millones y medio de seres humanos, en su mayoría niños, por enfermedades diarreicas que frecuentemente están asociadas a la carencia de agua potable debido a la falta de métodos eficaces de desinfección (Wegelin 2000). La OMS ha estimado que en el mundo existen 3,5 billones de personas afectadas por helmintos, de las cuales 450 millones desarrollarán enfermedad. Los parásitos que más frecuentemente tienen repercusión sobre el crecimiento y desarrollo físico y cognitivo en los niños son Ascaris lumbricoides, Necator americano, Ancylostoma duodenalis, Trichuris trichura y Esquistosoma (OMS 1996). Las enfermedades infecciosas del tracto gastrointestinal se transmiten principalmente a través de las excretas de animales de sangre caliente incluyendo al hombre, por ello es importante determinar si el agua contiene contaminación fecal para estimar su calidad 1

2 desde el punto de vista de higiene (Organización Panamericana de la Salud 1995). El proceso SODIS emplea la energía solar para destruir los microorganismos patógenos que causan enfermedades transmitidas por el agua y de esa manera mejora la calidad del agua utilizada para el consumo humano. Los microorganismos patógenos son vulnerables a dos efectos de la luz solar: la radiación en el espectro de luz UV-A y el calor (que causa un incremento en la temperatura del agua). SODIS es ideal para desinfectar agua en el hogar. El agua contaminada se coloca en botellas de PET (polietilen-tereftalato) de 2 L, que se llenan a 75% de su capacidad y son agitadas vigorosamente para aumentar el contenido de oxígeno en el agua, ya que un mayor contenido de oxígeno mejora el proceso de desinfección. Finalmente, las botellas se exponen a la luz solar durante seis horas (Mercado et al. 2005). En el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) a partir de 1998, se probó la desinfección bacteriana solar del agua (SODIS) en botellas de plástico PET utilizando un concentrador solar de paredes planas forradas de papel aluminio para reflejar la radiación solar (Martín et al. 2000). El uso de concentradores, implicó una disminución en los tiempos de insolación en 30 %. A pesar de ello, hay todavía desventajas como la necesidad de cuatro horas de exposición al sol, así como la presencia de recrecimiento después de 24 o 48 horas de almacenamiento de la muestra, luego de la desinfección (Cortés et al. 2000). Existe un proceso capaz de aprovechar la energía solar conocido como fotocatálisis solar con dióxido de titanio (TiO 2). En este proceso se incluyen una gran variedad de reacciones de oxidación con especies como ٠OH, O 2-, ٠OOH lo que, en organismos vivos, daña la membrana externa y finalmente permite la desinfección, de manera más efectiva que la lograda con sólo radiación UV (Huang et al. 2000). Las aplicaciones potenciales de esta tecnología incluyen degradación de materia orgánica y desinfección de agua. La fotocatálisis solar con TiO 2 ha sido propuesta como una de las mejores tecnologías porque no es peligrosa a la salud, además de que no forma compuestos halogenados mal olientes, a diferencia de otras técnicas de desinfección y utiliza un catalizador de bajo costo y energía solar (Ibáñez et al. 2003). MATERIALES Y MÉTODOS Las muestras para los experimentos de desinfección bacteriana se tomaron de una fuente natural de agua (manantial) con una concentración aproximada de 2x10 3 en coliformes totales y 9x10 2 NMP/100 ml en coliformes fecales. La Irradiación solar por medio de ambos procesos SODIS y fotocatálisis solar con TiO 2 inmovilizado (Gelover et al., 2004), se realizó en botellas PET de 2 L en concentradores solares de paredes planas (figura 1), durante tiempo suficiente para llevar la concentración de coliformes totales y fecales a cero. La cuantificación de coliformes antes y después de los procesos de desinfección se llevó a cabo mediante la técnica del sustrato cromogénico (APHA 1998). Al término de la exposición solar, las muestras de agua eran almacenas dentro de sus recipientes de prueba de uno a siete días bajo condiciones de luz y temperatura ambiente, para monitorear el grado de recrecimiento bacteriano durante este tiempo. La cuantificación del recrecimiento durante el almacenaje se realizó mediante la técnica del sustrato cromogénico. La recuperación de las bacterias con capacidad de recrecimiento se hizo en medios selectivos (XLD, 2

3 EMB, McConkey y SS), para su posterior identificación a través de pruebas bioquímicas miniaturizadas tipo API 20-E (Juang y Morgan 2001). Para las pruebas de desinfección con huevos parásitos se realizó un trabajo previo de aislamiento y conteo. Para el aislamiento, se ocupó una muestra de una corriente de agua natural contaminada (barranca). Muestras de 5 L fueron concentradas hasta un volumen final de 5 ml de acuerdo a los criterios establecidos por la NMX-AA-113-SCFI Después de concentrar las muestras, la identificación de los huevos de helminto se realizó distribuyendo alícuotas de 1 ml en una celda de Sedgwich-Rafter, para su observación al microscopio de contraste de fases. Las muestras muy sucias eran diluidas con H2SO4 para facilitar su observación al microscopio en aumentos de 10x y 40x. Al mismo tiempo que se observaron e identificaron los huevos, éstos fueron cuantificados para obtener un pequeño concentrado de aproximadamente 30 a 40 huevos para cada ensayo de desinfección. Los géneros utilizados en los experimentos de desinfección fueron: Ascaris, Himenolepis y algunas veces Toxocara y Trichuris, siendo en su mayoría huevos pertenecientes al género Ascaris spp. Cada concentrado (30 a 40 huevos) fue inoculado dentro de una botella de plástico PET, que contenía 2 Litros de agua de manantial, utilizada con la intención de proporcionar un medio donde los huevos de helminto pudieran permanecer y evitar en lo posible la pérdida de los mismos. Las botellas fueron colocadas dentro de concentradores solares simples, una botella para el proceso SODIS y la otra para la desinfección por fotocatálisis con TiO2 inmovilizado (como se ejemplifica en la figura 1). Siempre manteniendo una muestra control a la sombra. Los concentradores solares se inclinaron 19º sobre el suelo, sobre la dirección norte-sur, según la latitud local del sitio de prueba. El tiempo de exposición de las muestras fue de 6 horas. Figura 1. Irradiación de muestras de agua conteniendo coliformes o huevos de helminto Una vez terminada la exposición solar, se repitieron los pasos de la metodología anteriormente mencionada. Para la recuperación de los huevos de helminto. Posteriormente, se realizó la observación al microscopio de contraste de fases para cuantificar la cantidad de huevos de helminto recuperados después de los tratamientos. La viabilidad de los huevos de helminto sólo se determinó para el género Ascaris spp, debido a que este genero fue el más abundante, mediante incubación de los concentrados finales, a 26º C, en medio ácido, durante 30 días (NMX-AA-113-SCFI-1999). Al finalizar el periodo de 3

4 incubación, se realizó una observación final al microscopio de contraste de fases para determinar la viabilidad de los huevos de helminto, tomando como positivos aquellos que presentaron una larva en su interior (figura 2). Figura 2. Huevos de Ascaris spp. Sin larva a la izquierda y larvado a la derecha A) Desinfección bacteriana RESULTADOS El tratamiento de fotocatálisis solar con dióxido de titanio requirió de 30 minutos para reducir la concentración de coliformes totales a cero, mientras que el proceso SODIS a ese tiempo aún presenta 43% de remanencia (figura 3a). Para el caso de coliformes fecales la fotocatálisis solar requirió de 15 minutos para reducir la carga inicial bacteriana a cero. En el caso del proceso SODIS el tiempo necesario para reducir la concentración a cero fue de 60 minutos (figura 3b). Figura 3a. Inactivación de coliformes totales en función del tiempo de irradiación Figura 3b. Inactivación de coliformes fecales en función del tiempo de irradiación B) Recrecimiento bacteriano Los resultados del almacenamiento de las muestras después de la desinfección, mostraron que no hubo recrecimiento de coliformes totales ni coliformes fecales durante siete días para las muestras tratadas con fotocatálisis solar. En contraste, en las muestras tratadas mediante SODIS, el recrecimiento de coliformes totales se presentó a partir del primer día de almacenamiento con una concentración bacteriana de 40 NMP/100 ml hasta 250 NMP/100 ml al quinto día de almacenamiento (figura 4a). En el caso de los coliformes fecales el máximo recrecimiento encontrado en las muestras tratadas por SODIS correspondió a 2 NMP/100 ml al quinto día de almacenamiento (figura 4b). 4

5 Figura 4a. Recrecimiento de coliformes totales Figura 4b. Recrecimiento de coliformes fecales C) Identificación bacterina Se identificó como bacterias responsables del recrecimiento a las especies de: Enterobacter cloacae, Rhanella aquatilis, Aeromonas hidrofila, Serratia odorifera, Klebsiella ornitolitica y Klebsiella terrigena. D) Desinfección parasitaria En la observación al microscopio se encontraron huevos típicos fértiles, los cuales presentaron un tamaño natural de aproximadamente 40 a 80 μm de longitud y de 25 a 50 μm de ancho, con formas comunes de los huevos de helmito (Ascaris spp, Toxocara spp, Trichuris spp, Himenolepis nana e Hymenolepis diminuta). En ocasiones, en el interior se observó una larva en segundo estadio o un núcleo en forma de masa amorfa (estos huevos se desecharon). La observación al microscopio después de los tratamientos no reveló cambios en la estructura morfológica de los huevos. El desempeño de los tratamientos fue evaluado a través de la permanencia de huevos de helminto tras la desinfección y de la viabilidad. La recuperación de los HH en promedio fue de 90 % en las muestras control, mientras que en las muestras sometidas a los tratamientos de desinfección fue de 80 y 85% para SODIS y fotocatálisis solar respectivamente (figuras 5a y 6a). La viabilidad se determinó de acuerdo al número de huevos larvados de Ascaris spp. Las muestras control presentaron una capacidad de formación larvaria del 81 %, en promedio (figuras 5b y 6b). En contraste, como resultado de la exposición a fotocatálisis solar, la viabilidad de los HH se redujo a cero con seis horas de tratamiento. Por su parte, las muestras tratadas con SODIS mostraron un remanente de huevos de helminto viables, equivalente al 10% del valor inicial (figuras 5b y 6b). Este último dato es de gran importancia médica, si se toma en cuenta que la dosis infectiva para los humanos es de 1 a 10 huevos. 5

6 Figura 5a. porcentaje de recuperación de Huevos de helminto Figura 5b. porcentaje de viabilidad de Huevos de helminto Figura 6a. porcentaje de recuperación de Huevos de helminto Figura 6b. porcentaje de viabilidad de Huevos de helminto DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados obtenidos, el uso de la fotocatálisis solar con dióxido de titanio permite reducir los tiempos de exposición al sol, a 15 y 30 minutos para eliminar coliformes fecales y totales, respectivamente. Esto para concentraciones bacterianas típicamente encontradas en los cuerpos de agua superficiales de nuestro país. El uso del dióxido de titanio tiene la ventaja adicional de evitar el recrecimiento, según ha sido mostrado y su uso no representa riesgos ya que no es tóxico. El tiempo tan corto de tratamiento permite el uso de la desinfección solar en sitios con periodos muy breves de insolación o con altas cargas microbianas. Trabajar con parásitos representó un reto para los sistemas de desinfección probados, puesto que estos organismos son muy resistentes a los tratamientos de desinfección convencionales. Los porcentajes de recuperación de HH después de los tratamientos, fueron favorables, ya que se consiguió recobrar más del 80% de los huevos de helminto inicialmente inoculados. La fotocatálisis mostró excelente desempeño al lograr reducir a cero la viabilidad de los huevos de helminto. Estos resultados constituyen un buen sustento para considerar que muy pronto se podrá recomendar la adopción de este tipo de sistema como alternativa a los métodos tradicionales de desinfección, ya que es de fácil aplicación, efectivo y ayudaría a la disminución de la alta tasa de enfermedades gastrointestinales hidrotransmisibles que aquejan a los países en vías de desarrollo como el nuestro. 6

7 REFERENCIAS APHA (1998) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 th edn. Washington, DC: Amercan Public Health Asociation/American Water Works Association and Water Enviroment Federation. Cortés, J., Martín, D. A., Vázquez, V. S., Fonseca, M. O. y González, H. A. (2000). Radiación solar para desinfectar agua en comunidades rurales. IMTA, Coordinación de Tratamiento y Calidad del Agua, Subcoordinación de Potabilización. Jiutepec, Mor. 50. Gelover S., Monroy P. y Jiménez A. (2004). Titanium dioxide sol-gel deposited over glass and its application as a photocatalyst for water decontamination. J. Photochemistry and Photobiology A:Chem. 165, Huang, Z., Maness, P-C., Blake, D. M., Wolfrum, E. J., Smolinski, S. L. y Jacoby, W. A. (2000). Bactericidal mode of titanium dioxide photocatalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology 130, Ibáñez, J. A., Litter, M. I., y Pizarro, M. A. (2003). Photocatalytic bactericidal effect of TiO 2 on Enterobacter cloacae Comparative study with other Gram (-) bacteria. Journal of Photochemistry and Photobiology 157, Juang, Der-Fong. y Morgan, J. M. (2001). The applicability of the API 20E and API Rapid NFT systems for the identification of bacteria from activated sludge. Journal of Biotechnology 4, Martín, A., Cortés, J. E., Rodríguez, M. A., Mundo, Vázquez, S. y Estrada, C. (2000). Desinfección del agua con radiación solar. Memorias del XXIV Congreso de la Asociación Nacional de Energía Solar. México, D. F Mercado, A., Romero, A. M. y Coronado, O. (2005). Desinfección solar del agua en bolivia: proyecto piloto sacabamba y difusión inicial ( ). Desinfección Solar de Agua, de la investigación a la aplicación. Serie de publicaciones técnicas No. 1. Cochabamba, Bolivia. Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental, Universidad Mayor de San Simón. Norma oficial mexicana (NMX-AA-113-SCFI-1999). Análisis de agua - determinación de huevos de helminto método de prueba. OMS (Organización Mundial de la Salud). (1996). de información sobre prescripción de medicamentos. Medicamentos utilizados en enfermedades parasitarias. Segunda edición. O.M.S. Ginegra. Organización panamericana de la salud. (1995). Guías para la calidad del agua potable, 2ª edn. Organización Mundial de la Salud. Wegelin, M. (2000). EAWAG News 48,

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