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Inactivation of antibiotic-resistant bacteria present in water using light emitting diodes and a photocatalytic membrane reactor
Publication . Lopes, Lisandra Sofia Seixas; Pereira, Vanessa; Chambel, Lélia Mariana Marcão
O aumento de bactérias resistentes a antibióticos constitui um problema de saúde pública a nível
global. Os microrganismos podem ser naturalmente resistentes ou adquirir resistência, facilitada pela
transferência horizontal de genes. O uso generalizado de antimicrobianos, principalmente antibióticos,
promove o aumento de bactérias resistentes, diminuindo a eficácia dos agentes no tratamento de
infeções. Fatores como a presença de antibióticos na água, geram uma pressão seletiva que promove a
aquisição dos genes que conferem resistência a diversos antibióticos. As águas residuais são um dos
ambientes propícios à propagação de bactérias resistentes a antibióticos pelo meio ambiente. Deste
modo, o desenvolvimento de sistemas de desinfeção eficientes, principalmente no tratamento de águas,
é fundamental para controlar os riscos para a saúde que os microrganismos podem trazer. Ao mesmo
tempo, a falta de acesso a água potável para consumo humano é também um problema mundial. Em
diversos países em desenvolvimento ainda não existem sistemas de tratamento de águas, e por isso existe
um grande consumo de água contaminada, que é um fator de risco para doenças infeciosas, como cólera
e diarreia. Estes ambientes, além da propagação de doenças infeciosas, são propícios ao aparecimento
de bactérias resistentes a antibióticos, que também contribuem para a propagação das mesmas doenças
dificultando o seu tratamento. É por isso importante desenvolver sistemas capazes de reter e inativar
microrganismos patogénicos, incluindo bactérias resistentes a antibióticos, e outros contaminantes,
como pesticidas e metais pesados presentes na água, contribuindo assim para um consumo seguro.
Neste trabalho, um tratamento com díodos emissores de luz ultravioleta foi testado na inativação
de isolados de Escherichia coli resistentes a antibióticos provenientes de três matrizes de água reais:
água do mar, água do rio e água residual tratada. As três matrizes de água foram analisadas em termos
de coliformes totais, Escherichia coli e enterococcus. Os resultados demonstraram que a água residual
tratada tem os valores mais altos para estes três parâmetros, revelando ter a maior diversidade
microbiana. A análise em termos de microrganismos totais revelou também que, mais uma vez, a água
residual tratada apresenta valores muito superiores aos obtidos para a água do mar e água do rio. Foi
ainda realizada uma análise em termos de bactérias resistentes a seis antibióticos, representativos no
total de seis classes. Um dos antibióticos testado foi o imipenemo, que normalmente é utilizado em
ambiente hospitalar e em último recurso. A contagem de isolados resistentes estimada para este
antibiótico revelou ser superior ao esperado, o que poderá dever-se à instabilidade do imipenemo. Dos
isolados resistentes a cada um dos seis antibióticos, foram escolhidos 10 que foram previamente
identificados como E. coli. Estes 10 isolados, cinco multirresistentes, foram posteriormente submetidos
a um tratamento de inativação. Assim, díodos emissores de luz com comprimentos de onda de 255 nm
e 265 nm foram escolhidos, pois 255 nm é próximo do comprimento de onda de emissão das lâmpadas
de mercúrio (254 nm), e 265 nm é o comprimento de onda de absorção do DNA, podendo, por isso,
provocar mais danos no DNA bacteriano. Estes dois comprimentos de onda foram utilizados quer para
o tratamento por fotólise direta, quer para o tratamento utilizando reatores híbridos que combinam
fotólise e filtração com díodos emissores de luz ultravioleta e membranas de carbeto de silício,
respetivamente. Este tipo de membranas já foram testadas e comprovaram ser eficazes na retenção e
inativação de microrganismos com a ajuda de díodos emissores de luz ultravioleta. Aplicando apenas o tratamento com díodos emissores de luz ultravioleta que emitem nos 255
nm foi possível obter uma redução logarítmica superior a 4. O tratamento com os díodos emissores de
luz ultravioleta que emitem no comprimento de onda dos 265 nm permitiu uma taxa de desinfeção mais
elevada, cerca de 7 log, aplicando uma dose de ultravioleta de 4 mJ/cm2
. Estes valores correspondem a
um tempo de exposição à radiação de 5 min. Comparativamente, utilizando díodos emissores de luz
ultravioleta que emitem no comprimento de onda dos 255 nm, com o mesmo tempo de exposição de 5
min, o valor mais alto foi de 5 log correspondente a uma dose de ultravioleta de 2 mJ/cm2
. A suspensão
bacteriana foi ainda exposta à mesma dose de ultravioleta de 2 mJ/cm2 para ambos os comprimentos de
onda. Esta dose corresponde a 5 min de exposição ao comprimento de onda de 255 nm e 2,5 min de
exposição a 265 nm. Estas amostras foram analisadas em termos de dímeros de ciclobutano de
pirimidina. Os dímeros de pirimidina revelam o dano causado pela radiação ultravioleta no DNA
bacteriano. Os resultados demonstraram que efetivamente a radiação aplicada causou danos no DNA
das bactérias, incluindo as multirresistentes, sendo provável obter uma maior concentração de dímeros
com maiores tempos de exposição. Uma amostra de água residual tratada foi também submetida a este
tratamento com díodos emissores de luz, e os valores de desinfeção foram ligeiramente mais baixos uma
vez que se trata de uma matriz real e por isso contém mais matéria orgânica que pode interferir com a
penetração da radiação. Após submeter a suspensão bacteriana a um sistema de filtração utilizando
membranas de carbeto de silício em combinação com díodos emissores de luz ultravioleta, uma rejeição
superior a 99,845% foi atingida, revelando a capacidade das membranas para reter E. coli. Apenas a
filtração, sem a aplicação de radiação ultravioleta, reteve 75,655% dos microrganismos. O sistema de
díodos emissores de luz revelou-se também eficiente não só na capacidade de obter um permeado limpo,
como também no tratamento do retentado. A aplicação do sistema de díodos emissores de luz permitiu
assim efetuar filtração de uma amostra contaminada com E. coli e, ao mesmo tempo inativar as bactérias
presentes na amostra que não é filtrada, com um tratamento superior a 99,985%.
Bactérias bioluminescentes foram também testadas neste trabalho, utilizando a
bioluminescência como um método alternativo para inativar bactérias resistentes a antibióticos. A
bioluminescência pode ser observada em diversos organismos, mas os mais comuns são as bactérias
bioluminescentes que atuam muitas vezes em relações de simbiose com outros organismos vivos, como
o peixe-lanterna. As bactérias bioluminescentes já são exploradas em áreas da biotecnologia e
recentemente têm vindo a ser estudadas no desenvolvimento de sistemas de iluminação independentes
de energia. Neste trabalho, foi utilizada uma estirpe de E. coli geneticamente modificada. A bactéria foi
previamente transformada com um vetor de expressão com vários elementos: gene de resistência à
kanamicina como marcador, e o promotor do operão lac para controlar a expressão dos genes do operão
lux. O operão lux proveio de Photobacterium leiognathi subsp. mandapamensis 27561. Adicionalmente
tinha ainda um gene extra, luxF, que permite obter uma maior intensidade da bioluminescência. Assim,
uma suspensão de bactérias bioluminescentes em conjunto com membranas fotocatalíticas modificadas
com ureia foi utilizada para verificar se a bioluminescência é capaz de ativar as superfíciesfotocatalíticas
e assim levar à inativação de bactérias resistentes a antibióticos. Os resultados mostraram que a
bioluminescência, a uma intensidade de 10 u.a., não foi suficiente para induzir a inativação de bactérias
resistentes a antibióticos. No entanto, este método deve ser novamente testado uma vez que pode ter um
futuro promissor na criação de sistemas de tratamento de água independentes de energia. Díodos
emissores de luz ultravioleta continuam a revelar ser altamente eficientes na inativação bacteriana, e
devem continuar a ser estudados de forma a alcançar a inativação de genes de resistência a antibióticos.
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Entidade financiadora
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
3599-PPCDT
Número da atribuição
PTDC/EAM-AMB/1561/2021