Presentazione di PowerPoint

L’utilizzo degli UV nel trattamento delle
acque destinate al consumo umano
Caratteristiche degli UV e
inattivazione dei microrganismi
Roberto Porro
Genova, 19 ottobre 2006
Spettro elettromagnetico
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Spettro ultravioletto
UV–A (315-400 nm)
9 Principale frazione di luce UV solare che raggiunge la Terra, poiché
minimamente trattenuta dall’atmosfera.
9 Scarso potere germicida.
9 Nell’uso “commerciale” UV-A è impiegato soprattutto nelle lampade
abbronzanti.
UV–B (280-315 nm)
9 Componente UV solare trattenuta al 90% dall’atmosfera.
9 Limitato potere germicida.
9 Applicazioni ospedaliere (psoriasi, vitiligine, ittero neonatale), laser ad
eccimeri (cataratta, miopia).
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Spettro ultravioletto
UV–C (200-280 nm)
9 Frazione UV solare totalmente assorbita dall’atmosfera (ma il “buco
dell’ozono” ne ha ridotto le proprietà filtranti).
9 Elevato potere germicida.
9 Applicazione nei processi di trattamento acque potabili e reflue.
Vacuum UV (100-200 nm)
9 Spettro UV fortemente assorbito dall’acqua e dall’ossigeno atmosferico.
9 Efficace potere germicida, ma limitato a pochi mm d’acqua.
9 A contatto con l’acqua genera radicali altamente reattivi: utilizzo come
processo di ossidazione avanzata (AOP) per la fotodegradazione di
inquinanti organici.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Caratteristiche degli UV
Effetti sull’uomo
Spettro
UV
Assorb.
atmosf.
Potere
germicida
Applicaz.
industriali
A
Minimo
Basso
Lampade
abbronz.
- Cataratta
+ Pigmentaz.
melaninica
- Bruciature
epidermiche
+ Sintesi
vitamina D
- Immunosop.
B
∼90%
Basso
Ospedali
- Fotocheratite
- Congiuntivite
- Eritema
- Cancro
+ Sintesi
vitamina D
C
∼100%
Elevato
Lampade
disinfett.
- Fotocheratite
- Cecità
temporanea
- Eritema
- Cancro
Vacuum
∼100%
Elevato
AOP
Occhi
Pelle
Organismo
+ effetti positivi
- effetti negativi
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Effetti biologici degli UV
Fonte: Pratesi R. (1993). Radiazioni non ionizzanti, ed. Pitagora
Meccanismi di inattivazione di agenti
chimici/fisici in ambito industriale
Bersaglio
Agente
Effetti
Parete
cellulare
9 Aldeidi
9 Tensioattivi anionici
9 Ozono
ƒ Interazione con gruppi –NH2 della
parete
ƒ Lisi cellulare
Membrana
citoplasmatica
9 Sali quaternari di
ammonio
9 Ipoclorito
ƒ Alterazione della permeabilità:
fuoriuscita di citoplasma e
materiale a basso peso molecolare
Acidi nucleici
ƒ Rottura della catena DNA/RNA
9 Composti alchilanti
9 Radiazioni ionizzanti ƒ Cross link
9 Radiazioni UV
ƒ Alterazione degli acidi nucleici
Enzimi o
proteine
9 Ioni metallici
9 Composti alchilanti
9 Biossido di cloro,
acido peracetico
ƒ Rottura gruppi –SH degli enzimi
ƒ Alterazione/legame con la
struttura delle proteine
Fonte: Block S.S. (1991). Disinfection, Sterilization and Preservation; 4th ed. Lea & Febiger, Philadelphia
DNA
Meccanismi di inattivazione con UV
¾ La radiazione UV induce danni agli acidi nucleici (DNA o RNA) dei
microrganismi: l’alterazione molecolare delle basi azotate
impedisce la replicazione degli agenti patogeni.
¾ In pratica vengono inibite anche le fasi di trascrizione (DNA →
mRNA) e di traduzione (mRNA → proteina).
¾ Il danno agli acidi nucleici dei microrganismi non inibisce comunque
le funzioni metaboliche. Tuttavia, non potendo riprodursi, gli agenti
patogeni non sono in grado di infettare l’ospite.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Adsorbanza UV
L’adsorbanza di luce UV da parte del DNA è dovuta al contributo delle
adsorbanze delle basi azotate, con picco massimo attorno a 260 nm
(254 nm) e minimo a 230 nm
Danni indotti dall’UV
I più frequenti danni al DNA sono
i dimeri di pirimidine adiacenti
nello stesso filamento, ovvero
9 Dimero T-T
9 Fotoprodotto (6-4)
Ma è possibile, seppure con
minore frequenza, la formazione
di dimeri C-C e T-C.
Nei virus a RNA l’irraggiamento
UV induce soprattutto la
formazione di dimeri C-C e U-U.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Dimero di Timine
I fotoni di luce UV destabilizzano i legami idrogeno tra basi complementari T-A
favorendo la messa in comune di 2 elettroni tra timine adiacenti lungo lo stesso
filamento. Il legame covalente T-T (dimero) “distorce” la struttura elicoidale del
DNA, impedendo la fase di replicazione.
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Danni indotti dall’UV
ƒ
Altri danni agli acidi nucleici possono verificarsi, in genere, con
percentuale inferiore al 5%:
9 alterazione delle basi puriniche (A e G);
9 fotoidrati di pirimidina (T e U).
ƒ
Infine, altre alterazioni del DNA possono avvenire con dosi UV più alte
di quelle impiegate nella disinfezione di acque potabili:
9 rottura doppia o singola dell’elica del DNA;
9 “cross-links” (legami covalenti tra due eliche di DNA)
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Dose UV-risposta
Come per i disinfettanti chimici, anche il processo con UV può essere
rappresentato dal modello C • t: al posto di C si considera l’intensità
d’irraggiamento I, ovvero la potenza (W o mW) per unità di superficie
(m2 o cm2). Quindi la Dose UV si ottiene dalla relazione:
(mJ/cm2)
D = dose UV
I = intensità (mW/cm2)
t = tempo di esposizione (sec.)
D=I
•
t
Variando I e t si ottengono differenti dosaggi in funzione delle necessità
di riduzione microbica (log inattivazione), poiché l’efficacia degli UV
varia secondo la specie di microrganismo:
Virus
Batteri
Criptosporidium (oocisti)
Giardia (cisti)
Resistenza agli UV
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Dose UV-risposta
Dosi medie (mJ/cm2)
di inattivazione
(Studi bench-scale con
collimatore di luce UV)
Fonte: Wright H.B. and Sakamoto G. (1999).
UV dose required to achieve incremental log
inactivation of bacteria, virus and protozoa.
Trojan Technologies, Inc., London, Ontario,
Canada
Dose UV-risposta
• In realtà, la dose UV trasferita dalla lampada di un reattore ai
microrganismi non può essere valutata direttamente dalla relazione
D = I • t poiché nel sistema dinamico tali grandezze non possono essere
misurate con l’adeguata accuratezza.
• Nel reattore UV la variabilità delle caratteristiche chimiche dell’acqua
(trasmittanza, ecc.), la geometria del reattore (turbolenze), le
variazioni di portata e il progressivo calo di efficienza della lampada
(invecchiamento) possono causare un sensibile scostamento dal caso
“ideale”.
• Il manuale U.S.EPA (Ultraviolet Disinfection Guidance Manual) descrive
le procedure di validazione dei reattori UV con test microbiologici in
condizioni statiche (collimatore UV) e dinamiche (biodosimetria).
• Con il bioassay si opera in differenti condizioni di potenza della
lampada, di portata, di trasmittanza e di concentrazione microbica. I
risultati di inattivazione sono interpolati con le curve dose/risposta
ottenute in bench scale, considerando opportuni fattori di sicurezza.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Cinetica di inattivazione
L’andamento della riduzione microbica è rappresentato dall’equazione:
Log inattivazione = log10 N0/N
L’andamento lineare di 1° ordine (caso “ideale”) può differire dalle
condizioni “reali” (reattore UV). Spesso possono verificarsi scostamenti
quali:
“Shoulder”
Inattivazione poco efficace a basse dosi UV, cui segue un andamento
lineare o esponenziale con l’incremento della dose (es. Bacillus subtilis).
“Tailing”
Diminuzione dell’efficacia di inattivazione (“appiattimento” della curva),
dopo il raggiungimento di un certo log (es. microrganismi aggregati o
legati a particelle, tipico delle acque reflue).
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Cinetica di inattivazione
Fonte: Chang J.C.H. et al. (1985). UV Inactivation of Pathogenic and Indicator Microorganisms. Applied and Environmental
Microbiology 49, n.6: 1361-1365.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Meccanismi biologici di riparazione
Il danno agli acidi nucleici in seguito all’esposizione UV non
inibisce, tuttavia, le reazioni cellulari del microrganismo.
In alcune circostanze specifici enzimi cellulari possono riparare i
danni molecolari al DNA. In questo caso, l’agente patogeno
riacquista l’infettività.
I meccanismi di riparazione enzimatica sono essenzialmente
due:
1 - Fotoriattivazione
2 - Dark repair
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Fotoriattivazione
Processo di riparazione enzimatica che può
avvenire solo in presenza di luce.
È catalizzata dall’enzima fotoliasi:
1. si lega alla sezione di DNA danneggiato,
in assenza di luce;
2. è attivato dall’esposizione a range di luce
tra 310-490 nm;
3. separa il dimero T-T per monomerizzazione.
Le reazioni di fotoriparazione sono molto
efficienti, rapide e non richiede rottura
del segmento di DNA danneggiato.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Fotoriattivazione
ƒ
Fattori che influenzano la fotoriattivazione:
9 log inattivazione raggiunto (la probabilità che si verifichi riparazione è
inversamente proporzionale alla dose UV applicata);
9 specie e ceppo di microrganismo;
9 tempo intercorso tra esposizione agli UV e luce riattivante;
9 condizioni ambientali (pH, temperatura, “nutrienti”).
ƒ
Virus a DNA sono privi della fotoliasi, ma la riattivazione può avvenire
utilizzando l’enzima cellulare dell’ospite.
ƒ
Non si evidenzia fotoriattivazione di Giardia e Cryptosporidium con dosi
UV comprese tra 16 e 40 mJ/cm2.
ƒ
In definitiva: la fotoriattivazione non avviene in sistemi UV a canale
chiuso (tipici delle acque potabili) ma può verificarsi in quelli a
canale aperto (disinfezione di acque reflue).
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Differenza di dose UV necessaria ad ottenere
determinati log inatt. in microrganismi con e
senza fotoriattivazione
Fonte: Knudson G.B. (1985). Photoreactivation of UV-irradiated Legionella pneumophila and other Legionella species.
Applied and Environmental Microbiolgy 49, n.4:975-980.
Dark repair
ƒ La definizione “riparazione al buio è ambigua poiché può avvenire in
presenza di luce e non richiedere, quindi, oscuramento.
ƒ Contrariamente alla fotoriattivazione (specifica per i dimeri
pirimidinici), la dark repair può riparare diverse tipologie di danno agli
acidi nucleici.
ƒ La maggior parte dei batteri possiedono gli enzimi necessari per la
reazione.
ƒ Come per la fotoriattivazione, non è dimostrata dark repair in Giardia e
Cryptosporidium con dosi UV impiegate nella potabilizzazione.
ƒ I virus a DNA possono utilizzare gli enzimi di riparazione della cellula
ospite, quelli a RNA no.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro
Dark repair
Processo enzimatico che avviene in 4 fasi:
1 - l’endonucleasi riconosce la frazione di DNA
danneggiato e separa la doppia elica;
2 - l’endonucleasi scinde la sezione di DNA alterata;
3 - la DNA polimerasi ricostruisce la sezione
rimossa utilizzando l’elica complementare;
4 - la ligasi riunisce la doppia elica del DNA.
Caratteristiche degli UV e inattivazione dei microrganismi – Roberto Porro