FACULTAD DE CIENCIAS DEL MAR Y AMBIENTALES TRABAJO DE FIN DE MSTER

APLICACIN DE TRATAMIENTOS DE RADIACIN ULTRAVIOLETA PARA LA DESINFECCIN DE AGUAS DE LASTREAUTORA: PAOLA JACKELINE DUQUE SARANGOCURSO 2009/2010

INTRODUCCIN

El transporte martimo es un elemento fundamental para el comercio mundial. La descarga descontrolada de aguas de lastre en los puertos destinos es un problema que impacta el ambiente marino, la seguridad sanitaria y salud de los seres humanos. Los organismos forneos que se desplazan a travs de los ocanos agua de lastre de los buques problemas para el medio marino composicin biolgica, en particular enterobacterias (E. coli y Enterococcus). Con la radiacin ultravioleta, se desactivan los microorganismos presentes en el agua residual, como resultado del dao fotoqumico generado en sus cidos nucleicos ADN y ARN

El estudio de la eliminacin de microorganismos presentes en aguas de lastre mediante tratamiento ultravioleta

OBJETIVOSEstudio del comportamiento de una cepa comercial de E. coli y de cepas salvajes de E. coli y Enterococcus contenidas en efluentes de depuradora de Aguas Residuales Urbanas, en las aguas marinas.

Estudio de la cintica de inactivacin en aguas marinas y su relacin con la dosis UV, de la cepa comercial de E. coli y las cepas salvajes de E. coli y Enterococcus intestinales, tras los tratamientos.

METODOLOGA

MATERIAL

MTODOSParmetros Fsico Qumicos y Microbiolgicos, Principios y Metodologa Parmetros fsico Parmetros qumicos microbiolgicosTransmitancia a 254 nm Turbidez Conductividad

Escherichia coli (EC): medio cromognico Tryptone Bile Glucuronic Agar (TBX). Enterococus: se us el medio selectivo Agar SlanetzBartley

Tcnica de Filtracin con Membrana

METODOLOGA DE EXPERIMENTACIN: DETALLEDE LOS ENSAYOS A CUMPLIR LOS OBJETIVOS

Se usaron cepas de Escherichia coli ATCC 11229. El blanco = evaluar el patgeno en agua milli-Q esterilizada. El agua de mar se la obtuvo de la playa la Caleta, coordenadas: 36 29 47 y 6 16 14, la cual se le dio un tratamiento previo de filtracin (filtro de 45 m)

Ensayo para evaluar la Influencia del agua de mar en la cepa E. coli y en cepas salvajes de E. coli y Enterococcus Estudiar la influencia de la alta conductividad de las aguas marinas en la supervivencia de los microorganismos El ensayo dur dos horas, tomando intervalos cada 15 min, hasta el minuto 60 y luego cada media hora, hasta llegar a los 120 min

Descripcin del ensayo para evaluar la Influencia de estrs mecnico del sistema en la cepa y cepas salvajes de E. coli y Enterococcus Objetivo determinar el porcentaje de disminucin debido al estrs mecnico y descartarlo de los valores posteriores que se determinen con la lmpara uv en funcionamiento. Para lo cual se realiz un ensayo tanto con la cepa y con el agua residual, ambos duraron 30 min. y se tomaron muestras cada 5 min.

ESTUDIO DE LA CINTICA DE INACTIVACIN Y SU RELACIN CON LA DOSIS UV, DE CEPA E. COLI ATCC 11229 Y CEPAS SALVAJES DE E. COLI Y ENTEROCOCCUS.

Los ensayos se realizaron en la planta piloto, situada en los laboratorios del DTMA, con una lmpara UV de baja presin de 10 W, contenida en una carcasa de cuarzo y un sistema de bombeo a travs de la bomba centrifuga. Se llevaron a cabo en total cinco ensayos vlidos; tres de cepa E. Coli ATTCC 11229 en agua marina y dos de agua residual en agua marina. Cada ensayo tuvo una duracin 180 minutos tomndose muestras a los 10, 20, 40, 60, 90, 120, 150 y 180 min.

RESULTADOS Y DISCUSIN

CARACTERIZACIN DEL AGUA DE MAR USADA EN LOS ENSAYOSCoordenadas Hora de muestreo Hora pleamar Hora bajamar Altura de marea PARMETROS Temperatura pH Conductividad Salinidad % Saturacin de oxgeno Oxgeno disuelto Turbidez Color Slidos en suspensin Nitritos Nitratos Amonio Fosfatos COT Coliformes totales E. coli Enterococos Muestra 1 (17/05/2010) Muestra 2 (16/06/2010) 36 29 47 6 16 14 36 27 47 6 1614 10:20 horas 11 horas 06:50 horas 07:10 horas 12:30 horas 12:10 horas Pleamar 128,5; Bajamar -134,8 Pleamar 143,6; Bajamar -125,8 VALOR OBTENIDO UNIDADES VALOR DE REFERENCIA 17 de mayo 20010 16 de junio 2010 Parmetros fisico-qumicos C 19 21 --Unidades de ph 8,19 8,13 Entre 6-9 (Orden 14/02/97) mS/cm 47,8 47,1 --Entre 0,9 y 1,1 por la media normal del --36,2 35,6 parmetro en la zona no afectada por el vertido (Orden 14/02/97) --99,5 80 70% (Orden 14/02/97) mg/L 9,34 7,1 --UNT 1,63 2,15 --mg/L Pt-Co 33,4 36,06 Media normal +10 (Orden 14/02/97) mg/L ug/L NO2 ug/L NO3 ug/L NH4 ug/L PO4 mg/L UFC/100 mL UFC/100 mL UFC/100 mL 22,6 5,07 40,43 144,33 12,4 < 1,24 27,49 144,33 1,2 por la media normal (Orden 14/02/97) 600 ug/L (Orden 14/02/97) 1000 ug/L (Orden 14/02/97) 1000 ug/L (Orden 14/02/97) 600 ug/L como P total (Orden 14/02/97) 3mg/L (Orden 14/02/97) --500 (R.D. 1341/2007) 185 (R.D. 1341/2007)

< 0,01 < 0,01 5,435 2,161 Parmetros microbiolgicos 5 1100 0 0 895 15

Influencia del agua de mar en la cepa E. coli ATCC 11229

1,2 TIEMPO (min) 1 E. coli/100ml normalizado 0 0,8 y = 0,8108e-0,006x R = 0,8111 20 35 50 65 0,4 95 125 0,2 1,29E+07 7,95E+06 7,60E+06 7,57E+06 7,50E+06 4,88E+06 3,94E+06 100 61 59 59 58 38 30 E. coli/100ml Superviviencia EC (%)

0,6

Infuencia salina cepaMuestra control

0 0 50 100 150 TIEMPO (min) Comportamiento de E. coli ATCC 11229 en agua marina y % de supervivencia.

Los resultados muestran una disminucin de un orden de magnitud al final de los 120 minutos de ensayo y una constate cintica K= 0.006.

Influencia del agua de mar en las cepas salvajes de E. coli y Enterococcus1,21,2

1 E. coli/100ml normalizado Entero/100ml normalizado

1

0,8 y = 1,0499e-0,003x R = 0,9759

0,8 y = 0,9828e-0,001x R = 0,9558

0,6

0,6

0,4

0,4

0,2

Infuencia salina E coli ARU Muestra control 0 50 100 TIEMPO (min 150 200

0,2

Infuencia salina Entero ARU Muestra control

0

0 0 50 100 TIEMPO (min 150 200

En este caso, los resultados demuestran que estas bacterias naturales son menos sensibles al estrs osmtico, ya que su disminucin no llega a ser de un orden de magnitud y sus constantes cinticas son K E. coli= 0.003 y K = -0.001.

Evidencian la alta sensibilidad de la cepa utilizada, y mayor resistencia de los Enterococcus a factores medioambientales adversos. Adems tomar en cuenta la adaptabilidad de las bacterias en el medio marino. As, cuando las bacterias entricas llegar a ambientes marinos costeros, su suerte depende de varios procesos, lo que lleva bien sea hacia su desaparicin o a una alteracin en su estado fisiolgico

De estos factores, el principal es la salinidad; expresada como la causa de procesos de osmosis.

POR LO TANO: un porcentaje inicial de reduccin debido a la salinidad, para E. coli ATCC 11229 que ser del 30%, para E. coli 57% y para Enterococcus del 80% de la poblacin inicial.

Influencia de estrs mecnico por el sistema de desinfeccin UV en la cepa E. coli ATCC 11229 y cepas salvajes de E. coli y enterococcus.1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 y = -0,0097x + 0,9791 R = 0,9336 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 y = -0,01x + 0,9203 R = 0,748

E. coli/100ml normalizado

0,200,00

estrs mecnico = > bacterias debido al diseo del equipo experimental es menos significativa que la debida a salinidad. Para la cepa ATCC 11229 hay una disminucin al cabo de los 30 minutos de ensayo, de alrededor del 30% y del 40% para E. coli proveniente de agua residual

E. coli/100ml normalizado

CINTICA DE INACTIVACIN EN AGUAS MARINAS Y SU RELACIN CON LA DOSIS UV, DE LA CEPA E. COLI ATCC 11229 Y CEPAS NATURALES DE E. COLI Y ENTEROCOCCUS, TRAS LOS TRATAMIENTOS.

FECHA

ENSAYO

TIEMP O (min) 0

Ph 7,94 7,86 7,98 8,09 8,10 8,13 7,98 8,01 7,99

Turbidez (UNT) 1,33 1,27 1,56 1,63 1,70 2,07 1,26 1,33 1,41

Conductivid Transmitan ad (-S/cm) cia (%/cm) 44,40 31,10 44,50 44,60 44,90 45,00 40,70 41,70 40,05 95,60 95,30 95,70 93,20 92,70 93,20 92,50 93,30 93,70

Promedio transmi (%)95,53

27/07/2010

1 UV: C+SW

90 180 0 90 180 0 90 180

93,03

29/07/2010

2 UV: C+SW

93,17

03/08/2010

3 UV: C+SW

los datos de turbidez, conductividad, pH y transmitancia son homogneos en todos los muestreos de los ensayos estudiados El valor de la transmitancia en todos los ensayos: rango del 93 al 95% aproximadamente La turbidez, tambin resultan ser bajo, alrededor de 1 a 3 UNT. la conductividad, rangos entre: 30 al 45 mS/cm

CINTICA DE INACTIVACIN DE E. COLI ATCC 11229 EN AGUAS MARINAS Y SU RELACIN CON LA DOSIS UV.

Se requiere una dosis aproximada de 145 mWs/cm2 para la inactivacin de 1 log de E. coli.

Alta eficacia del proceso de desinfeccin UV para la cepa, con rendimientos del 99,97% a la salida, y una disminucin en el numero de microorganismos de hasta 8 UL en 3h de ensayo, con una dosis final de 2949,2 mWs/cm20,0000 0 1000 2000 3000 4000

0,0000 -2,0000 Ln Nt/No -4,0000 -6,0000 -8,0000 y = -0,0028x - 1,462 R = 0,8539 Dosis uv (mWs/cm2) 0,0000 -1,0000 0 -2,0000 Ln Nt/No -3,0000 -4,0000 -5,0000 -6,0000 -7,0000 -8,0000 -9,0000 y = -0,002x - 1,6979 R = 0,781 1000 2000 0 1000 2000 3000 4000

-2,0000

Ln Nt/No

-4,0000-6,0000 -8,0000 y = -0,0025x - 2,4221 R = 0,7528 Dosis uv (mWs/cm2)

-10,0000 -12,0000

-10,0000 -12,0000

3000

4000

Dosis uv (mWs/cm2)

Dosis uv (mWs/cm2)0,0000 0 -1,0000 -2,0000 -3,0000 Ln Nt/No -4,0000 -5,0000 -6,0000 -7,0000 -8,0000 -9,0000 500 1000 1500 2000 2500 3000

Nt/No = -0,0024 dosis UV - 1,8682 R2 = 0,7551

Cepa+SW

Influencia salina

-10,0000

Figura 17. Comparacin del comportamiento de la cepa E. coli ATCC 11229 ante la aplicacin de dosis UV e influencia salina.

el factor salinidad influye en la supervivencia de la cepa, al representarlo en la grfica da cuenta en la disminucin de un logaritmo.

CINTICA DE INACTIVACIN DE E. COLI Y ENTEROCOCCUS, EN AGUAS MARINAS Y SU RELACIN CON LA DOSIS UV.Las concentraciones bacterias fueron relativamente bajas (entre 3 y 4 unidades log).0 -1 -2 Ln Nt/No Ln Nt/No -3 0 1000 Dosis uv (mWs/cm2) 2000 3000 4000 0 0 -2 -4 -6 -8

Para la disminucin de -1,966 uni. Log se requiere alrededor de 292 mWs/cm2.Dosis uv (mWs/cm2 1000 2000 3000 4000

-4-5 -6 -7 -8 0 -1 0 1000 y = -0,0018x - 1,3178 R = 0,8397

-10 -12 Dosis uv (mWs/cm2) 2000 3000

y = -0,0026x - 3,488 R = 0,7443

4000

-2

Para Escherichia coli: Se requiere alrededor de 140 a 150 a mWs/cm2 para la disminucin de un logaritmo.

-3 Ln Nt/No -5 -6 -7 -8 y = -0,0023x - 2,7184 -9 R = 0,6897 -10 -4

Figuras. Comportamiento de E. coli natural durante la aplicacin de dosis UV: a) ensayo 1, b) ensayo 2, c) ensayo 3.

2

Dosis uv (mWs/cm2)

0

0-2

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ln Nt/No

-4

E. coli (Ln Nt/No) Influencia salina Strees mecnico

-6

muestra de control

-8

-10

y = -0,0022 dosis uv - 2,5081 R = 0,5847

-12

Figura 19. Comparacin del comportamiento de E. coli natural ante la aplicacin de dosis uv, influencia salina y estrs mecnico.

Las concentraciones de Enterococcus fueron entre 2,64E+03 y 5,90E+03/100 ml en los tres ensayos.0,000 -1,000 0 -2,000 -3,000 Ln Nt/No -4,000 -5,000 -6,000 -7,000 -8,000 -9,000 -10,000 y = -0,0024x - 1,5104 R = 0,8411 500 1000 Dosis uv (mWs/cm2)

Se requiere una dosis de alrededor de 144 mWs/cm2 para la inactivacin cercana a 1 log de E. coli.0 Dosis uv (mWs/cm2) 0 -2 -4 Ln Nt/No -6 -8 -10 -12 y = -0,0025x - 2,3547 R = 0,7223 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

1500

2000

2500

3000

3500

Dosis uv (mWs/cm20

rendimientos de desinfeccin del 99,99% a la salida, as como una disminucin en el numero de micro. de hasta 9 UL en 3h, con una dosis final de 2936 mWs/cm2 .

0 -2 -4 Ln Nt/No -6 -8 -10 -12

1000

2000

3000

4000

y = -0,0023x - 3,1465 R = 0,7692

Figuras: Comportamiento de Enterococcus durante la aplicacin de dosis uv: a) ensayo 1, b) ensayo 2, c) ensayo 3.

2

Dosis uv (mWs/cm2)

0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

-2

Ln Nt/No

-4

y = -0,0024 dosis uv - 2,3372 R = 0,735

Enterococcus (Ln Nt/No) Influencia salina muestra de control

-6

-8

-10

Figura 19. Comparacin del comportamiento de E. coli natural ante la aplicacin de dosis uv, influencia salina y estrs mecnico.

CONCLUSIONES

Los traslados de grandes volmenes de agua de mar de un lugar a otro, ha sido y es un problema que internacionalmente ha acaparado la atencin de numerosos pases y organismos como las Naciones Unidas, que a travs de la Organizacin Martima Internacional (OMI), dedica grandes esfuerzos a su control y mitigacin de los efectos perjudiciales que estas causan u originan en el medio marino donde son vertidas. Un factor principal de desinfeccin es la salinidad del agua marina, responsable de una disminucin de la mortalidad bacteriana a causa del estrs del medio receptor que fue para E. coli ATCC 11229 del 30%, para E. coli natural 57% y para Enterococcus del 80% de la poblacin inicial. Mientras que la influencia en la mortalidad debida al estrs mecnico que sufren las bacterias es menos significativa que la salinidad. Los resultados obtenidos y contrastados con la literatura, sobre la cintica de inactivacin de la desinfeccin con radiacin UV, demuestran que el proceso es eficaz contra los microorganismos: E. coli y Enterococus, contenidos en agua de mar y como proyeccin de uso como agua de lastre.

La inactivacin de los microorganismos por los rayos UV puede describirse con una cintica de primer orden. Los parmetros que se utilizaron para describir la inactivacin son los k tasa de inactivacin constante. La cepa dentro de los tres ensayos present valores de sensibilidad muy altos, con un rendimiento ptimo de desinfeccin. Hay una resistencia mayor al UV, por las bacterias del medio ambiente proveniente del agua residual utilizada en los ensayos, en comparacin con la cepa de laboratorio ATCC 11229. Esto significa que se necesitarn altos flujos de energa UV para obtener la inactivacin. De forma general para la cepa E. coli ATCC 11229 se requiere una dosis de 145 mWs/cm2, para E. coli natural una dosis de 150 mWs/cm2 y para Enterococus de 144 mWs/cm2 para la inactivacin de 1 log en cada caso. Se deber realizar estudios adicionales a la desinfeccin uv, para obtener una mejor comprensin de la suerte de entrica bacterias en agua de mar, un mejor conocimiento de la adaptacin previa fenmenos podra constituir una nueva base para la reflexin acerca de los tratamientos de aguas de lastre. Para su aplicacin en desinfeccin de aguas de lastre, la aparicin de la fotoreactivacin y reactivacin en oscuridad, de los microorganismos estudiados es un tema para futuras investigaciones. Que permitan una evaluacin precisa de la influencia de la reactivacin en los sistemas de UV para el tratamiento de aguas de lastre.

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