Sin embargo, los mohos también son responsables de una gran cantidad de deterioro de los alimentos a nivel mundial y causan daños a una amplia gama de materiales de construcción y superficies domésticas. Además, también son capaces de producir una gran cantidad de metabolitos orgánicos dañinos. Muchos de los metabolitos producidos son proteínas que pueden provocar reacciones alérgicas y enfermedades respiratorias –
Especialmente peligrosas son las especies de hongos relacionados con los alimentos, que son capaces de producir metabolitos tóxicos conocidos como micotoxinas, muchos de los cuales son carcinógenos humanos, neurotoxinas, inmunosupresores y disruptores endocrinos conocidos-
La aparición de moho no deseado provoca pérdidas económicas a escala mundial; un desafío que se vuelve aún más urgente por la falta de una medida de respuesta verdaderamente eficaz para prevenirlo. Recientemente, varios estudios han indicado que los problemas causados por la contaminación por hongos están aumentando a un ritmo alarmante debido a prácticas agrícolas inadecuadas y al cambio climático global.
Además, las economías globalizadas exigen el transporte de alimentos a larga distancia del productor al consumidor, lo que significa cambios frecuentes en el clima local y tiempos de almacenamiento prolongados, lo que agrava aún más el problema.
Los enfoques actuales para evitar la contaminación por moho generalmente implican el uso de grupos de productos químicos como fungicidas y desinfectantes, donde los desinfectantes son típicamente alcohol, ácido peracético, yodóforos, aldehídos, cloro, peroxígeno o una mezcla de estos productos químicos.
Por ejemplo, un desinfectante líquido recientemente introducido y ampliamente utilizado conocido como Virkon está compuesto por una combinación de oxona, dodecilbencenosulfonato de sodio y ácido sulfámico más varios tampones inorgánicos. Como agente antimicrobiano clásico, tiene un amplio espectro de actividad desinfectante, incluida la eficacia contra especies de hongos.
Al igual que con otros desinfectantes, la inactivación fúngica completa con Virkon requiere una exposición significativa, lo que dicta procedimientos de descontaminación largos y complejos que aumentan el riesgo de exposición inadvertida y los posibles riesgos para la salud asociados. Tras el procedimiento de inactivación, el desinfectante debe desecharse ejerciendo una carga sobre el medio ambiente y dando lugar a la posibilidad de que queden residuos tóxicos.
Dados los desafíos que plantean los agentes de desinfección líquidos convencionales, se buscan con urgencia nuevos métodos antifúngicos que ofrezcan un enfoque “suave” respetuoso con el medio ambiente, al tiempo que garanticen tasas de fungicidas suficientes y un impacto mínimo en el sujeto tratado.
Dichos enfoques incluyen métodos de inactivación de hongos no térmicos que incluyen radiación ultravioleta y con luz pulsada, radiación gamma y ozonización.
El efecto fungicida de las técnicas de irradiación se basa en la acción indirecta de electrones (e – ), radicales hidroxilo (OH), radicales hidroxiperoxilo (HO 2 ), peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) y otras especies reactivas formadas por radiólisis del agua celular, que conduce a daños estructurales letales en las células de los hongos, incluida la rotura de la cadena de ADN, el rapto de la membrana celular o daños mecánicos de las paredes celulares.
El ozono (O 3 ) es un agente oxidante muy potente. Con su capacidad de difundirse a través de las membranas, es capaz de atacar varios componentes de las membranas celulares, las paredes celulares y el citoplasma.
Recientemente, se introdujo un nuevo método no térmico conocido como tratamiento con plasma a presión atmosférica.
La tecnología de plasma a presión atmosférica fría (CAP) representa un enfoque nuevo y prometedor para la inactivación de hongos.
Ya se ha demostrado que es una herramienta eficaz para la inactivación de patógenos microbianos y otros agentes tóxicos de superficies y productos alimenticios, la degradación de contaminantes en el agua potable, el tratamiento de células cancerosas y tumores, así como una serie de otras aplicaciones que abarcan los dominios de la ciencia ambiental, la biología y la nanotecnología.
Sin embargo, hasta la fecha, pocos estudios han explorado la inactivación de hongos con CAP a base de aire.
En principio, el estado de plasma de la materia se refiere a un gas ionizado con propiedades físicas y químicas únicas. CAP se genera agregando energía (por ejemplo, a través de un campo eléctrico aplicado) a un estado gaseoso, lo que resulta en la creación de una mezcla de átomos y moléculas en estado fundamental y excitado, electrones, iones, radicales libres y fotones UV.
La generación de plasma a presión atmosférica no equilibrada da como resultado la producción de un amplio espectro de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS) a bajas temperaturas. Estas especies juegan un papel importante en la actividad biológica de CAP debido a su alto potencial oxidativo. Los más críticos entre ellos son el oxígeno atómico (O) y el nitrógeno (N), OH, superóxido (O 2 – ), HO 2 , O 3 , H 2 O 2 , óxidos de nitrógeno (NO x ) y peroxinitrito (ONOO – ) .
Un enfoque alternativo prometedor en comparación con la aplicación directa del plasma a una superficie objetivo con el propósito de desinfectar es usar un «líquido activado por plasma».
En esta modalidad, CAP se aplica a un líquido que inicia una amplia variedad de interacciones entre las especies de CAP gaseosas y los medios líquidos, lo que resulta en la difusión de RONS gaseosos en líquido y la creación de químicas líquidas únicas que han mostrado un amplio espectro de efectos biológicos. efectos.
La probada actividad antimicrobiana de los RONS gaseosos y líquidos se origina en el daño que causan a la pared celular microbiana y / o la membrana, lo que posteriormente permite que otras especies reactivas ingresen a la célula y dañen los componentes intercelulares como orgánulos y biomoléculas importantes (ADN, ARN). y proteínas).
Algunos estudios han indicado que los tratamientos CAP pueden ser efectivos para la inactivación de diversas especies de hongos de los géneros Aspergillus , Penicillium , Fusarium y Cladosporium .en comparación con otros enfoques de descontaminación no térmica, como la irradiación UV y la ozonización. Por ejemplo, se logró una reducción de 5,48 log para Aspergillus flavus y una reducción de 5,2 log para Aspergillus parasiticus después de una exposición de 5 min a un plasma de aire de lecho fluidizado a presión atmosférica.
Además, más de 4 log de esporas de Penicillium digitatum se inactivaron después de una exposición de 7 min a un sistema CAP de oxígeno a presión atmosférica.A pesar de los resultados alentadores de estos estudios informados, los sistemas CAP informados no se pueden aplicar fácilmente para el procesamiento o implementación a gran escala del mundo real en un entorno industrial.
Además, las rutas físico-químicas detalladas en juego en el plasma y sus resultados biológicos en términos de inactivación de hongos siguen siendo difíciles de alcanzar, lo que requiere una investigación significativamente mayor en la tecnología antes de que pueda esperar ver una adopción industrial generalizada.
Para superar estas lagunas de conocimiento, este estudio se centra en la inactivación de esporas de hongos utilizando un sistema CAP de descarga de barrera superficial (SBD) que emplea solo aire ambiental. Una de las principales ventajas de SBD es su escalabilidad. Como se demostró anteriormente, se puede generar plasma uniforme sobre un área de electrodo de 100 × 100 mm y se puede escalar hacia arriba o hacia abajo al tamaño requerido.
En este estudio, se eligió Aspergillus flavus ya que presenta un peligro particular para los humanos debido a su capacidad para producir micotoxinas altamente cancerígenas, conocidas como aflatoxinas.
La fuente de SBD se utilizó para tratar directamente las esporas de hongos y generar una solución de caldo acuoso activado por plasma (PAB). Se comparó la eficacia fungicida tanto del tratamiento directo de CAP como de la aplicación de PAB con una solución estándar de Virkon al 1%. Se emplearon una gran cantidad de técnicas de diagnóstico de plasma y líquidos para vincular las propiedades físicas y químicas tanto del efluente de plasma gaseoso como de la composición del PAB con los efectos biológicos observados.
En última instancia, los resultados de este estudio indican que el tratamiento de CAP de aire directo es un agente antifúngico extremadamente eficaz, que proporciona ventajas clave sobre los enfoques de la competencia al ofrecer la capacidad de generar altas densidades de RONS directamente en el punto de necesidad, utilizando solo aire ambiental y muy poco energía eléctrica.
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2.1. Gas de cloro
El cloro es un gas de color amarillo verdoso. Al proporcionar alta presión, el gas se vuelve líquido. Es tóxico. El cloro gaseoso se utiliza principalmente como desinfectante de agua. La introducción de cloro en el agua juega un papel muy eficaz para eliminar casi todos los microorganismos patógenos. Se puede utilizar como desinfectante primario y secundario. El gas no es aplicable para su uso en sistemas domésticos ya que es muy peligroso. Es letal en concentraciones tan bajas como 0,1% de aire por volumen.
2.1.1. Ventajas
- La cloración es una fuente más barata que los métodos de desinfección con ozono o UV utilizados para tratar el agua.
- Es muy eficaz contra una amplia gama de microorganismos patógenos.
- Las tasas de dosificación se controlan fácilmente ya que son flexibles.
- Los residuos de cloro que quedan en el efluente de las aguas residuales pueden prolongar el proceso de desinfección incluso después del tratamiento inicial. Pueden utilizarse además para evaluar la eficacia.
2.1.2. Limitaciones
Aunque el cloro gaseoso se utiliza en plantas y redes de tratamiento de distribución de agua a gran escala como el mejor método para tratar el agua, tiene varias limitaciones. Estas limitaciones pueden afectar la aplicabilidad a un sistema de tratamiento en el punto de uso (POU). Las objeciones contra la cloración se deben a preocupaciones estéticas, logísticas y relacionadas con la salud.
En cuanto al nivel estético, la cloración puede ser rechazada ya que imparte malos sabores y olores al agua. Los países desarrollados podrían enseñar a su gente sobre los buenos impactos de la cloración; sin embargo, los países menos desarrollados carecen de esta capacidad.
Las limitaciones en el uso de cloro gaseoso en un contexto doméstico pueden incluir la distribución, adquisición / fabricación, dosificación de cloro y manipulación precisa.
Los peligros para la salud causados por el cloro no se limitan únicamente a su naturaleza volátil. Una gran preocupación pueden ser los subproductos y los compuestos incompletamente oxidados presentes en el agua clorada que aumentan su toxicidad. Los subproductos más notorios de la cloración son los cloroorgánicos y el trihalometano (THM). Los ácidos húmicos y fúlvicos están presentes en el agua.
Cuando el cloro reacciona con estos ácidos, se forma trihalometano. Se ha identificado en muchos estudios que algunos de estos cloro-orgánicos son mutágenos, toxinas o carcinógenos. El conocido THM cloroformo es un carcinógeno animal.
La USEPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) ha establecido algunas pautas de que los THM no deben ser superiores a 0,10 mg / l. Las altas concentraciones de THM conducirán a complicaciones de salud.
2.1.3. Proceso
El cloro se combina fácilmente con todos los componentes del agua, es decir, productos químicos, animales pequeños, microorganismos, material vegetal, olores, colores y sabores. Es necesaria una cantidad suficiente de cloro para satisfacer la demanda de cloro en el agua y proporcionar una desinfección residual.
Se denomina cloro residual (libre) al que no se combina con otros componentes del agua. El punto en el que el cloro libre está disponible para la desinfección continua se denomina punto de interrupción. El sistema en el que se suministra cloro libre a una concentración de 0,3 a 0,5 mg / l es un sistema ideal. Se encuentran disponibles kits de prueba simples, más comúnmente los kits de prueba colorimétrica DPD (N, N-dietil-p-fenilendiamina) para analizar el punto de ruptura y el cloro residual en sistemas privados. El kit debe analizar la cantidad de cloro libre, no el cloro total.
2.1.4. Equipo
Consiste en contenedores de 908 kg (2000 lb) o 68 kg (150 lb), básculas, clorador, inyectores, módulos de conmutación, líneas de vacío, bombas de refuerzo, líneas de solución, difusores y un medidor de flujo. Los requisitos de seguridad son ventilación pasiva, ventilación mecánica, alarmas y dispositivos de advertencia, duchas, herrajes antipánico para puertas y lavaojos. Es obligatorio disponer de una sala hermética separada para el equipo de cloración. Para el proceso de desinfección, se dispone del 100% de cloro gaseoso.
2.1.5. Químico
El cloro se puede utilizar en forma líquida o gaseosa. Es un agente oxidante muy fuerte. Ambas formas (líquida y gaseosa) se pueden almacenar y utilizar a partir de cilindros de gas a presión. Los cilindros de cloro pueden pesar 150 libras. Los sistemas pequeños de agua potable comúnmente usan cilindros de 150 libras.
Los iones hipocloroso e hipoclorito se forman cuando el cloro se mezcla con agua. El ion hipocloroso es un mejor desinfectante que se forma en mayor concentración a bajas concentraciones de pH. Los iones hipoclorito e hipoclorito estarán presentes en concentraciones iguales a pH 7,3. A pH por encima de 8.3, predomina el ion hipoclorito, que no es un mejor desinfectante. Por lo tanto, se logra una mejor desinfección a pH bajo. Para evitar la formación de trihalometanos y ácidos haloacéticos, se debe aplicar cloración después del tratamiento.
2.2. Cloración (solución de hipoclorito de sodio)
El hipoclorito de sodio se utiliza como agente blanqueador, principalmente para blanquear papeles o textiles, y como desinfectante en solución. La solución generalmente contiene entre el 10 y el 15% del cloro disponible, pero pierde rápidamente su fuerza en el proceso de almacenamiento. Se necesita un ambiente controlado regular ya que la solución se ve muy afectada por el pH, la luz, el calor y los metales pesados .
Ventajas
- El hipoclorito de sodio también se puede utilizar como desinfectante.
- Tanto el hipoclorito de sodio como el cloro gaseoso muestran una eficacia de desinfección similar.
- En comparación con el cloro gaseoso, la desinfección con hipoclorito de sodio reduce los peligros de almacenamiento y manipulación.
- No se utilizan productos químicos peligrosos en la generación in situ. Solo se usa agua ablandada y sal de alto grado (NaCl).
- En comparación con la solución estándar suministrada (concentración del 14%), las soluciones de hipocloruro de sodio (NaOCl) son menos peligrosas (concentración del 1%) y están menos concentradas mientras generan producción in situ
2.2.2. Limitaciones
El NaOCl puede suministrarse comercialmente o generarse in situ, siendo este último el más seguro de los dos métodos por motivos de manipulación. En la generación in situ, la sal se disuelve con agua ablandada para formar una solución de salmuera concentrada que posteriormente se diluye y se pasa a través de una celda electrolítica para formar hipoclorito de sodio. El hidrógeno también se produce durante la electrólisis y debe ventilarse debido a su naturaleza explosiva.
2.2.3. Proceso
Estos sistemas de dosificación son en su mayoría simples, pero puede haber una preocupación con respecto al diseño. El diseño podría influir en el control de la liberación de gas del hipoclorito a granel en las bombas dosificadoras y las tuberías y la formación de incrustaciones. La gasificación (principalmente produce oxígeno) puede conducir a la formación de burbujas de gas o vapor, específicamente si el hipoclorito de sodio está por debajo de la presión atmosférica, lo que conduce al bloqueo del gas de la línea de succión en un diafragma. Por lo tanto, las bombas deben estar provistas de succión inundada. Los tanques deben ventilarse adecuadamente de todas las estructuras a la atmósfera.
Los sistemas de dosificación más comúnmente disponibles utilizan bombas dosificadoras de diafragma. La acción de la bomba puede conducir al desarrollo de vacío. El vacío provoca la vaporización de los gases disueltos en el hipoclorito de sodio, lo que hace que la bomba pierda su cebado y se aplique una menor dosis de cloro.
En consecuencia, para ayudar a prevenir la gasificación, los dispositivos de dosificación deben tener una altura positiva en la succión de la bomba (con la entrada de la bomba siempre por debajo del nivel mínimo de líquido del tanque). Además, se deben evitar las configuraciones del sistema de tuberías que atrapen el NaOCl de sodio entre dos válvulas de aislamiento cerradas o válvulas de retención.
Un cilindro de calibración, un amortiguador de pulsaciones, una válvula de alivio de presión y una válvula de carga son los componentes principales de un sistema de dosificación. Algunos proveedores de bombas dosificadoras también proporcionan sistemas de válvulas automáticas de desgasificación.
El NaOCl se dosifica a través de una barra esparcidora sumergida dentro de un canal abierto o mediante un racor de inyección (tuberías presurizadas). El amortiguador de pulsaciones y la bomba dosificadora deben colocarse uno cerca del otro.
La amortiguación de pulsaciones también ayuda a mejorar la dispersión. También se debe proporcionar una válvula de carga en sistemas donde la contrapresión en el lado de suministro de la bomba no sea suficiente (<0,7–1,0 bar), hasta que se instale una válvula de demanda de succión en el lado de succión.
Para evitar que el diafragma se rompa, también se debe proporcionar una válvula de alivio de presión (PRV) en el lado de suministro de la bomba. El funcionamiento de la PRV debe ser detectado y alarmado: por ejemplo, la salida de la válvula podría dirigirse a un pequeño “recipiente” equipado con un interruptor de flotador. Todos los sistemas o bombas que estén apagados deben contener métodos para aliviar cualquier acumulación de presión.
Como se utiliza hidróxido de sodio (NaOH) en su fabricación, el pH del NaOCl es alto. Es necesario tener mucho cuidado cuando se utilizan aguas duras (o aguas con CO 2 presente), ya que el producto altamente alcalino puede conducir a tasas de flujo más bajas, diámetro de tubería reducido, capacidad de bombeo reducida y formación de incrustaciones en los puntos de dosificación.
2.2.4. Equipo
La solución de NaOCl es un líquido corrosivo con un pH alto, es decir, 12. Por lo tanto, se deben usar medidas de precaución generales para tratar con materiales corrosivos, como evitar el contacto con metales, incluido el acero inoxidable. Estas soluciones pueden contener clorato. Debido a la degradación del producto, se puede formar clorato durante los procesos de fabricación y almacenamiento de hipoclorito de sodio. La formación de clorato y la degradación de NaOCl están directamente relacionadas entre sí.
Al reducir la degradación del NaOCl, la formación de clorato se puede minimizar evitando las altas temperaturas, reduciendo la exposición a la luz y limitando el tiempo de almacenamiento. Se debe proporcionar contención de derrames para los tanques de almacenamiento de NaOCl. Las estructuras típicas de contención de derrames no incluyen desagües de piso no controlados.
2.2.5. Quimicos
La solución de NaOCl (o lejía líquida) es una solución con una concentración de cloro del 5 al 15%. Se utiliza como agente blanqueador y limpiador. También se utiliza mucho como desinfectante de agua, pero puede que no sea la solución más económica ya que es más cara que el gas. Al ser líquido, se puede manipular fácilmente que el gas o el hipoclorito de calcio, pero está limitado por su falta de estabilidad y naturaleza corrosiva. Se puede producir fácilmente. Se necesita un suministro continuo de sal y electricidad para la generación in situ de blanqueador líquido. El blanqueador líquido tiene una mejor aplicación POU debido a su disponibilidad y manejabilidad relativa.
2.3. Cloración (hipoclorito de calcio sólido)
El Ca (OCl) 2 (hipoclorito de calcio) es un sólido esencial que se puede utilizar en sustitución del NaOCl (líquido). Como desinfectante, tiene similitud con NaOCl pero es mucho más seguro de manipular. Casi el 70% del cloro está disponible en grados comerciales de Ca (OCl) 2 . Tiene aplicaciones tanto en aguas residuales como en agua potable.
2.3.1. Ventajas
- Al ser sólido, el Ca (OCl) 2 es más seguro que el cloro gaseoso y el NaOCl.
- Incluso tiene una excelente estabilidad cuando se almacena en lugar seco, manteniendo bien su potencia en el tiempo.
2.3.2. Limitación
La contaminación o el uso inadecuado de Ca (OCl) 2 puede provocar una explosión, un incendio o la liberación de gases (gases tóxicos). No se debe permitir que el hipoclorito de calcio entre en contacto con materias extrañas (incluidos otros productos de tratamiento de agua).
Si el Ca (OCl) 2 se expone incluso a cantidades muy pequeñas de agua, puede reaccionar violentamente para producir gases tóxicos, calor y salpicaduras. El producto debe agregarse al agua en lugar de agregar agua al producto. La exposición al calor puede hacer que el Ca (OCl) 2 se descomponga rápidamente, lo que puede provocar una explosión, un incendio intenso y la liberación de gases tóxicos. Se necesita un área seca, fresca y bien ventilada para almacenar el producto. El Ca (OCl) 2 se utiliza como un fuerte agente oxidante. Aumenta la intensidad del fuego. Ca (OCl) 2debe mantenerse alejado del calor, es decir, las llamas, el calor y cualquier tipo de material en combustión.
2.3.3. Proceso
El clorador de hipoclorito de calcio contiene un tanque cilíndrico de cloruro de polivinilo (PVC) con una altura de 0,6 a 1,2 my un diámetro de 230 a 610 mm. Hay una placa de tamiz que contiene orificios que soportan el Ca (OCl) 2 de 80 mm de diámetrotabletas. Los sistemas de cloración de tabletas generalmente pueden proporcionar entre 1 y 295 kg de cloro por día. En la parte inferior, se canaliza una corriente lateral al clorador.
El flujo surge de los orificios en la placa del tamiz que da como resultado la erosión de la última capa de tabletas. La cantidad de agua que ingresa al clorador es proporcional a la velocidad a la que se erosionan las tabletas. La tasa de dosificación de cloro se puede calcular controlando el flujo de agua a través del clorador. Para cumplir con los requisitos operativos, el efluente del clorador se devuelve a la corriente principal, proporcionando el nivel deseado de cloro disponible.
Se puede hacer una variación en la dosis y el tiempo de contacto para calcular la desinfección requerida. Diferentes factores afectan la dosis de cloro, es decir, las características de las aguas residuales, la demanda de cloro y los requisitos de descarga.
En su mayoría, la dosis varía de 5 a 20 mg / L. Diferentes factores explican la desinfección óptima que pueden incluir temperatura, alcalinidad y contenido de nitrógeno. El pH de las aguas residuales puede afectar la distribución de cloro entre el ácido hipocloroso y el hipoclorito. Un pH más bajo favorece al ácido hipocloroso: un mejor desinfectante. Las concentraciones más altas de ácido hipocloroso conducirán a la formación de gas cloro peligroso.
2.3.4. Equipo
El Ca (OCl) 2 se puede agregar a las aguas residuales de dos maneras, es decir,
- Bien mezclando hipoclorito de calcio en polvo en un dispositivo de mezcla y luego inyectándolo en la corriente de aguas residuales;
- Sumergiendo tabletas de cloro en el agua residual usando un clorador de tabletas.
2.4. Cloraminas
Las cloraminas se forman al reaccionar el amoníaco con cloro libre. Desempeñan un papel importante a la hora de proporcionar protección residual en el sistema de distribución. Son muy estables. En comparación con el cloro, se forman menos subproductos halogenados.
2.4.1. Ventajas
- La cloramina es más estable pero no es un desinfectante fuerte como el cloro, proporcionando un desinfectante residual de larga duración.
- No se forman subproductos en la cloraminación.
- Sin embargo, la agencia de protección ambiental (EPA) está ansiosa por conocer el tipo y la cantidad de subproductos de desinfección producidos por las interacciones de cloraminas, bromuro, compuestos orgánicos bromados y por la cloraminación de aguas ozonizadas. Los hallazgos de la EPA pueden influir en el uso futuro de la cloramina.
2.4.2. Equipo de cloraminación
Los equipos para la producción de cloraminas y los sistemas de cloración son los mismos. Tanto el cloro como el amoníaco pueden introducirse en forma líquida o gaseosa. Además, tanto el cloro como el amoníaco están disponibles en forma líquida o granular. Se debe tener mucho cuidado para que el cloro concentrado y el amoníaco nunca se mezclen, ya que formarán tricloruro de nitrógeno, un compuesto potencialmente explosivo.
2.5. Ozonización
El ozono es una fórmula alotrópica (inestable) de oxígeno en la que se combinan tres moléculas para producir una nueva molécula. Se descompone rápidamente para generar radicales libres altamente reactivos.
El potencial de oxidación del ozono (−2,7 V) es mayor que el del cloro (−1,36 V) o el ion hipoclorito (−1,49 V), sustancias muy utilizadas en el tratamiento de aguas residuales como los oxidantes. El ozono es superado únicamente por el radical hidroxilo (• OH) y el fluoruro en su capacidad de oxidación.
2.5.1. Ventajas
Las siguientes son las ventajas cuando se usa ozono para tratar el agua:
- El ozono posee un fuerte poder oxidante
- Se necesita un tiempo de reacción corto para que los gérmenes (incluidos los virus) se eliminen en unos segundos
- No se producen cambios de color y sabor.
- No requiere productos químicos
- Se proporciona oxígeno al agua después de la desinfección.
- Destruye y elimina las algas
- Oxida el hierro y el manganeso.
- Reacciona y elimina toda la materia orgánica.
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Materiales y métodos
Sistema CAP
El sistema CAP altamente escalable utilizado en esta investigación fue similar al informado por Ni et al. 42 , que comprende una unidad de electrodo generador de plasma fabricada a partir de un disco de cuarzo de 100 mm de diámetro y 1 mm de espesor con electrodos de aluminio adheridos a ambos lados.
En una cara del disco de cuarzo, los electrodos se conectaron a una fuente de energía de alto voltaje y se recubrieron con resina epoxi para evitar la formación de plasma.
En el lado opuesto del disco de cuarzo, se creó un contraelectrodo conectando las tiras a la tierra de la fuente de energía.
Al aplicar una señal de CA de alto voltaje, se formó plasma alrededor de los bordes del electrodo conectado a tierra
Es bien sabido que el plasma de aire producido usando un SBD en condiciones ambientales genera una abundancia de RONS biológicamente activas. La composición particular del efluente de descarga está fuertemente influenciada por las propiedades de descarga, incluido el voltaje aplicado y la potencia disipada.
Preparación de esporas de hongos
- flavuslas esporas (cepa EXF-532) fueron provistas por el banco microbiológico Mycosmo (Ljubljana, Eslovenia) y se utilizaron en todas las investigaciones aquí reportadas. Para producir esporas, los mohos se cultivaron primero en placas de agar papa dextrosa fresca (PDA; VWR Chemicals) durante aproximadamente 7 días a 25 ° C.
- Tras un crecimiento satisfactorio, se preparó una suspensión madre de esporas inundando las placas de PDA con una solución acuosa de caldo de soja tríptico (TSB; Biolife) que incluía la adición de Tween 80 al 0,05% (Acros Organics). Después de la adición de la solución de caldo, las esporas se rasparon suavemente de la superficie del micelio recién formado usando un asa estéril. Para lograr la mayor homogeneidad posible, la suspensión de stock de esporas se mezcló minuciosamente con una aguja de inyección estéril. Para determinar la concentración de esporas en solución,
Actividad metabólica (prueba XTT) de las esporas
Después del tratamiento, se evaluó la actividad metabólica de las esporas mediante una prueba de actividad mitocondrial (prueba XTT). Esto se logró agregando una solución de 10 ml de PBS (Sigma-Aldrich) que contenía una concentración 10 mM de XTT (2,3-Bis (2-metoxi-4-nitro-5-sulfofenil) -2H-tetrazolio-5-carboxanilida ; Alfa Aesar).
Antes de la prueba, se añadió a la solución 1 μL de menadiona (2-metilnaftaleno-1,4-diona; Acros Organics) preparada en acetona al 100% (VWR Chemicals). Para la prueba, 50 μL de la muestra, que contiene una concentración de 10 6esporas / mL, se colocó en una placa de 96 pocillos y se mezcló con 50 μL de solución salina y 50 μL de reactivo XTT. A continuación, las placas de pocillos se incubaron a 37 ° C durante 2 h en la oscuridad para formar el producto de formazón XTT coloreado. La absorbancia a una longitud de onda de 450 nm se midió después de 4, 8, 12, 16, 20 y 24 h.
Microscopía electrónica de barrido
Las esporas de moho expuestas tanto al efluente de fase gaseosa CAP como al PAB se sumergieron primero en una solución fijadora de glutaraldehído al 2,5% y se incubaron durante la noche. Las muestras se deshidrataron luego en una serie de concentraciones crecientes de etanol, y finalmente se colocaron en etanol al 100%.
Después de eso, las muestras se secaron en hexametildisilazano (HMDS). Una vez en 100% HMDS, las esporas se colocaron en soportes SEM de aluminio y se recubrieron con una capa de platino de 6 nm para evitar efectos de carga durante el análisis. La SEM (Jeol JSM-7600F) se realizó a 2 kV.
Análisis de líquido activado por plasma
Inmediatamente después de la generación de PAB, se midió el nivel de pH utilizando una sonda combinada de pH y conductividad HI 98129 de Hanna instruments.
Para comprender mejor la composición química del líquido activado, se realizaron pruebas colorimétricas para medir las concentraciones de peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ), nitrito (NO 2 – ) y nitrato (NO 3 – ). Para determinar la presencia de H 2 O 2 , un complejo de color naranja férrico-xilenol (naranja xylenole, sorbitol y sulfato de amonio y hierro; Sigma-Aldrich) se añadió a la solución tratada y la absorbancia medida a 560 nm. NO 2 -Las concentraciones se evaluaron usando un ensayo de reactivo de Griess estándar (sistema de reactivos de Griess; Promega) examinando los valores de absorbancia a 540 nm. El NO 3 – concentración se determinó en agua desionizada tratada con plasma mediante la medición de la absorbancia a 200 nm seguido de la comparación con la curva de calibración estándar.
Las medidas de NO 3 – en agua desionizada tratada con plasma se compararon con los valores determinados en PAB usando tiras de prueba (tiras de prueba Quantofix Nitrate / Nitrite).
Análisis de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier
La generación de CAP usando un SBD produce una gran cantidad de especies químicas de larga vida que pueden viajar mucho más allá de los límites de la descarga visible. Para analizar las especies de fase gaseosa de larga vida en condiciones de operación de baja, media y alta potencia, la unidad de electrodo SBD se colocó dentro de un recinto sellado, y el efluente del sistema se extrajo a través de una celda de gas infrarroja con transformador de Fourier (FTIR) (multipaso diseño con 16 m de longitud de recorrido) utilizando una pequeña bomba de vacío (<1 l / min).
Se utilizó un espectrómetro Jasco FT / IR-4000 con un banco óptico de IR medio de 7800 a 500 cm –1 para registrar el espectro de absorción IR resultante. Las medidas se tomaron con una resolución de 4 cm -1.y cada espectro compuesto por 25 adquisiciones individuales promediadas.
Para obtener la concentración de especies relevantes de los espectros de absorción, se implementó un procedimiento de ajuste basado en una comparación del área de los picos con los perfiles de referencia estándar obtenidos de la biblioteca del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).
Los datos de referencia estándar se recopilaron con una resolución de 1 parte por millón de metro (ppm metro) a 296 K con una longitud de trayectoria de 1 m. Para obtener la concentración, C , de una molécula en particular a partir de los espectros de absorción, se utilizó la ecuación C = A / ( B · l ), donde A es el área del pico FTIR de una especie en particular, B es el área estándar del pico , yl es la diferencia entre la longitud de la ruta de la celda de gas experimental y la longitud de la ruta utilizada para obtener los datos de referencia.
Espectroscopia de emisión óptica
Se utilizó espectroscopía de emisión óptica (OES) para obtener una indicación de la naturaleza de las especies excitadas producidas en la capa de descarga y para evaluar la temperatura de rotación y vibración del plasma.
Se empleó un espectrómetro acoplado de fibra óptica (Ocean Optics HR2000 +) con una resolución espectral de ~ 0,5 nm para registrar los espectros de emisión de la descarga en condiciones de funcionamiento de baja, media y alta potencia. Para obtener la temperatura rotacional y vibratoria, se compararon los espectros de emisión registrados con los espectros sintéticos de la serie Nitrogen Second Positive, generados con el software comercial Specair, y se obtuvo la temperatura de mejor ajuste.
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Medidas de temperatura de muestra
Se utilizó una sonda de termopar para medir la temperatura de la muestra en función del tiempo de tratamiento.
La sonda se colocó sobre el cubreobjetos de vidrio o dentro de la muestra líquida y se registró la temperatura a intervalos de 30 s durante la exposición al plasma.
Análisis estadístico
Se llevaron a cabo tres muestras repetidas para cada momento del experimento. Se utilizó ANOVA unidireccional y bidireccional para evaluar la diferencia significativa entre los grupos de experimentos (GraphPad Prism 7).
Efecto antifúngico del caldo activado por plasma
Recientemente, se ha centrado un esfuerzo de investigación considerable en el uso de líquidos tratados con plasma para aplicaciones de inactivación microbiana.
Los ejemplos incluyen la inactivación de Escherichia coli , Pseudomonas fluorescens , Staphylococcus aureus , Candida albicans, etc.
El uso de un líquido como vehículo para las especies de plasma reactivas supera algunos inconvenientes asociados con un tratamiento con plasma gaseoso, incluida la capacidad de tratar materiales altamente porosos con morfologías complejas y permite el tratamiento de sistemas o entornos altamente sensibles a la temperatura donde el plasma gaseoso no se puede usar directamente.
Otra ventaja comparativa de esta modalidad de tratamiento es la naturaleza de larga duración del PAB (hasta 1 semana),que se puede utilizar cuando sea necesario, sin la necesidad de crear un plasma.
Para evaluar el potencial de PAB para la inactivación de hongos, se preparó una solución de PAB y posteriormente se utilizó para exponer las esporas de A. flavus durante períodos de tiempo variables. Los resultados de la inactivación se presentan en la (C.A).
Claramente, la eficacia de inactivación de PAB es significativamente menor que el correspondiente tratamiento en fase gaseosa. No se observó una reducción significativa en el recuento de esporas con la excepción de la exposición de 24 h al PAB creado usando condiciones de plasma de alta potencia, lo que produjo una reducción logarítmica de 1,04. Por el contrario, la exposición a una solución de Virkon al 1% condujo a la inactivación completa en todas las condiciones investigadas.
Curiosamente, la actividad metabólica de las esporas tratadas con PAB disminuyó significativamente en todas las condiciones de tratamiento, alcanzando un valor dos veces menor en comparación con el control.
Dado que estudios previos han demostrado el alto potencial antimicrobiano de la PAB, los resultados son inesperados, ya que sería razonable suponer que están en juego vías de inactivación similares. Para desentrañar esto, las esporas de A. flavus tratadas con PAB y Virkon no tratadas se analizaron por SEM después de una incubación de 6 h en solución acuosa de TSB reciente.
Esquema de las principales reacciones durante el tratamiento CAP de líquido.
Para explicar la diferencia significativa en la eficiencia de inactivación entre las esporas expuestas a especies en fase gaseosa del plasma y aquellas expuestas a PAB, se debe considerar la persistencia de las esporas fúngicas. Esta diferencia podría atribuirse a las características superficiales de Aspergillus spp. esporas que tienen propiedades extremadamente hidrofóbicas debido a la presencia de proteínas conocidas como hidrofobinas.
Estas proteínas hacen que las esporas se agrupen y formen agregados en solución acuosa por asociación de sus moléculas hidrófobas entre sí en lugar de con otras moléculas dentro del líquido.
Las propiedades hidrofóbicas de la superficie de las esporas en relación con su inactivación insuficiente en agua ya fueron discutidas en el estudio de Ouf et al.,
Donde se utilizó plasma frío a doble presión atmosférica con la intención de inactivar diferentes especies de mohos durante lavados con agua de la fruta.–
Por el contrario, las esporas esparcidas sobre el vidrio y dejadas secar no están protegidas con líquido y, por lo tanto, es mucho menos probable que formen tales agregados y, por lo tanto, son más vulnerables a las especies de plasma reactivo.
En el caso de este estudio, se asumió que solo una pequeña cantidad de O 3 alcanzaba la fase acuosa debido a su baja constante de la ley de Henry, y al número de vías de pérdida potencial que surgen debido a la presencia de otras especies generadas por plasma, especialmente en un pH bajo.
En todos los casos, se observó una caída del pH del PAB y se acepta comúnmente que el efecto fungicida en condiciones ácidas es menos significativo ya que muchas especies de mohos toleran un pH bajo.
Este no es el caso cuando el PAB se usa como agente antimicrobiano, ya que muchas especies bacterianas son significativamente menos tolerantes a un pH bajo en comparación con sus homólogos fúngicos.
Sin embargo, un pH bajo puede afectar las propiedades electrostáticas de las esporas de moho, lo que resulta en un aumento del potencial zeta, lo que significa que es probable que las esporas estén más dispersas en el volumen del líquido, lo que puede afectar negativamente el desarrollo de hifas de moho, micelios y moho de detención. crecimiento.
En general, está claro que el tratamiento CAP en fase gaseosa es un método extremadamente eficaz y ecológico para la inactivación de hongos, que no requiere consumibles y no produce residuos nocivos. Con base en los resultados presentados, se descubrió una mayor comprensión de la tecnología CAP del gas y, por lo tanto, puede acelerar la traducción de esta innovadora tecnología verde para la descontaminación de alimentos, áreas habitables o su uso en otros entornos relevantes.
Por el contrario, los resultados con el líquido tratado con plasma no mostraron resultados prometedores. La diferencia entre la eficacia de la inactivación superficial y líquida se atribuyó a las propiedades superficiales hidrófobas de las esporas, lo que las hace considerablemente más resistentes a las RONS cuando se encuentran en la fase líquida.
