Síntesis y aplicación antibacterial de nanopartículas de plata soportadas en una matriz CEO2 para desinfección de aguas residuales.

Autores: Dr. Roberto Guerra-Gonzáleza, M.C. Gabriel Martínez Herreraa, Ing. América A. MondragónHerreraa, Ing. Alfonso Lemus-Solorioa * ; QFB. Luis Arces Palomino- Blasa. * Representante del Comité de Líderes Jóvenes de ALADYR. Programa Institucional de Maestría en Ciencias en Ingeniería Ambiental; Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Ciudad Universitaria; Avenida Francisco J. Múgica S/N Ciudad Universitaria, Edificio “E”, Planta Alta. Laboratorio de Investigación. Morelia, Michoacán; México. roberto.guerra@umich.mx, 1209689x@umich.mx

Resumen

Se sabe que cuatro quintos de las enfermedades intestinales son trasmitidas por el agua, unas de las principales enfermedades infecciosas que se transmiten a través del agua por un sin número de microorganismos patógenos. El número creciente de epidemias sin importar la susceptibilidad de la persona, pone de manifiesto la transmisión de patógenos por medio del agua potable. Solo bajo condiciones estrictas es posible minimizar la propagación de la contaminación y a veces este hecho es poco menos que imposible, ya que las medidas sanitarias son principalmente de prevención. Sin embargo, muchos de ellos, son tóxicos lo que los limita para su aplicación en algunos medios como agua potable, alimentos y productos textiles.

La diarrea afecta a todos los grupos de edad. El periodo pediátrico de mayor vulnerabilidad incluye a los menores de 5 años la Organización Mundial de la Salud estima que cada año se presentan 500 millones de casos de diarrea. (OMS, 1979; Rohdey Northrup, 1976; Barker 1975 y Gwatkin, 1980). La actividad antimicrobiana de especies de plata es de amplio espectro, los iones en particular, está bien documentado que han sido utilizados por mucho tiempo como germicida tanto como prevención oftálmica como para tratamientos curativos de ulceras, tratamientos para quemados graves y en servicios de cuidados intensivos con fin de reducir infecciones oportunistas. La plata coloidal es un desinfectante no tóxico, elimina una amplia gama de organismos patógenos lo que lo hace única, para añadirla a alimentos, incluso como potabilizador de agua que puede reducir significativamente muchas infecciones bacterianas. Además de sus excelentes propiedades antimicrobianas no se descompone en un intervalo amplio de temperaturas. Por ejemplo, la alta superficie específica y alta proporción de átomos de la superficie de las partículas de plata da lugar a una gran actividad bactericida, si se compara con el metal de plata a granel (Chmielewska D., 2006). Y muy importante es inofensiva para el cuerpo humano, no hay efectos secundarios negativos aun utilizando concentraciones bajas. Lo que hace la plata coloidal es inactivar las enzimas que las bacterias usan para su metabolismo del oxígeno; es decir, consigue inutilizar el pulmón químico de dichos parásitos y de sus formas pleofórmicas o mutantes. Es por este motivo que el microorganismo no puede desarrollar mecanismos de resistencia de ningún tipo de mutación que le permita escapar de la acción germicida de la plata. Por tanto, funciona como un catalizador.

Todo organismo debe encontrar en su medio ambiente las unidades estructurales y fuentes de energía necesarias para formar y mantener su estructura y organización. Los filtros biológicos de las aguas residuales, sin embargo, no se han estudiado a detalle el problema que genera de este tipo de aguas sobre el cultivo, los suelos o en la población. Debemos tener en cuenta que la meta del tratamiento de aguas residuales nunca ha sido obtención de un producto estéril, si no el hecho de reducir el nivel de microorganismos dañinos para la salud. Existe un grupo de enfermedades conocidas como enfermedades hídricas, pues su vía de transmisión se debe a la ingestión de agua contaminada. La trasmisión a través del agua de organismos patógenos ha sido la fuente más grave de algunas enfermedades. Muchas de las bacterias del agua provienen del contacto con el aire, suelo, animales, fuentes minerales, o materia fecal. (Romero, J. 1999). Los coliformes totales y coliformes fecales cuyo número está relacionado con el grado de contaminación se encuentran presentes cuando existen bacterias patógenas de origen fecal. El indicador tradicional de la calidad microbiológica son las bacterias del grupo de las coliformes fecales, especialmente Escherichia coli. (Jiménez Cisneros Blanca, 2001). El riesgo de contraer una infección por microorganismos patógenos depende de su grado de invasión, de su dosis

mínima infectante, así como del nivel inmunológico del organismo huésped. Algunas bacterias patógenas pueden incluso multiplicarse en los alimentos y las bebidas, lo que aumenta los riesgos de infección. Debido a estas condiciones, en el caso de los microorganismos patógenos no existe un límite inferior tolerable; por lo que el agua destinada para el consumo (alimentos y bebidas) y a la higiene personal no debe contener ningún agente patógeno para los seres humanos (NMX-AA-42-SCFI-1987, 2000). El presente trabajo fue dirigido a realizar estudios de inhibición de Escherichia coli; empleando como catalizador nanopartículas de plata soportadas en oxido de cerio, los catalizadores fueron sinterizados por el método sol-gel, asistido por microondas y método hidrotérmico. Donde por último se impurificaron con nitrógeno atreves de un método químico de reflujo. Inicialmente se probaron los catalizadores con una concentración de 0.5% de plata y posteriormente se aumentó la concentración a 1.5% de plata con el objetivo, de efectuar un estudio comparativo acerca de su eficiencia. De acuerdo a los resultados de esta primera etapa se eligió la concentración más alta. Posteriormente se evaluó su eficiencia como bactericidas de microorganismos de Escherichia coli. Las variables estudiadas fuero la cantidad de plata soportada en el óxido de cerio, así como las pruebas para determinar las concentraciones mínimas inhibitorias (CMI) y concentraciones mínimas bactericida (CMB) de los materiales biocidas en estudio para inhibir la Escherichia Coli. Los catalizadores se caracterizaron por Microscopia electrónica de barrido (MEB), Difracción de rayos X (RDX) y Método de papeo coloreado a cada uno de los elementos. La bacteria se incubó en caldo de soya tripticaseína, empleando agar selectivo para su detección y cuantificación, las cantidades de CeO2 impregnados en plata por el método hidrotérmico y método sol-gel asistido por microondas son aproximadamente de 0.06 g/10 ml de cultivo. Los dos catalizadores fueron favorables en la inhibición de todas las colonias de Escherichia coli, se destacan los catalizadores por el método hidrotérmico con un tiempo biosida para Escherichia coli de 60 minutos, por el método sol gel asistido por microondas para Escherichia coli, con un tiempo biosida de 90 minutos. La metodología empleada para la obtención de los diferentes compuestos utilizados en el estudio de inhibición de la bacteria Escherichia coli. Así mismo se describen las condiciones de análisis para cada técnica utilizada para efectuar las concentraciones de plata en peso, favorecer la reducción e incorporación de esta misma sobre los polvos nanoestructurados de CeO2. • Síntesis de CeO2 por el método sol-gel asistido por microondas. • Síntesis de CeO2 por el método de hidrotérmico. • Método de impregnación húmeda insipiente. • Método de reducción con hidrogeno. • Caracterización de los materiales. • Materiales biológicos.

Conclusiones A través del desarrollo del presente proyecto fue posible llegar y cumplir el objetivo inicial planteado de inhibición de Escherichia coli, empleando los catalizadores de iones Ag, incorporados en cristales de CeO2 como medio de soporte. Cómo conclusiones generales podemos enunciar lo siguiente: •Se logró sinterizar los polvos nanoestructurados a través del método hidrotérmico y sol-gel asistido por microondas de CeO2. La síntesis química del material propuesto a través del método de sol-gel asistido por microondas se llevó en un tiempo mucho menor que al método convencional de sol-gel. •Se logró soportar los polvos nanoestructurados de CeO2 con nanopartículas de Ag por el método de impregnación húmeda insipiente obteniendo una perfecta homogenización de estos mismos. •Se logró la reducción de polvos nanoestructurados de CeO2-Ag con hidrógeno, mediante procesos químicos. •Dar a conocer la importancia de los materiales mesoporosos como medios para soportar agentes de carácter bactericidas. •En las fotomicrografías de MEB obtenidas para el CeO2-Ag nos muestran que el método de preparación de síntesis hidrotérmica asistida por microondas, nos provee un material poroso y con formas definidas con tamaños de partícula de orden de micras o de nanómetros, también observamos cada elemento por mapeo a color observando muy buena distribución y buen tamaño de partícula de cada uno de nuestros compuestos.

•En los análisis de DRX en los difractogramas obtenidos no se observa la formación de fases adicionales o de impurezas, por consecuencia pudimos estar seguros de que la actividad fotocatalítica es atribuida únicamente al CeO2-Ag. • Los materiales de plata soportada en CeO2-Ag son agentes antibacterianos para E. coli. Su eficacia, reflejada por un radio CMB/CMI menor a 1.2, indica que los materiales son bactericidas y no bacteriostáticos.

Palabras clave: Antimicrobiana, Escherichia coli, cristales, inhibición.

Referencias: 1. M. en C. Guadalupe Rodríguez-Angeles, “Principales características y diagnóstico de los grupos patógenos de Escherichia coli”, Salud Publica Mex 2002; 44: 464-475 2. Chmielewska D., Łukasiewicz A., Waliś L., Water soluble silica biocides containing quaternary ammonium salts. In: INCT Annual Report, 2006, 141-153. 3. Guyton A.C. and J.E. Hall 2007. Buku Ajar Fisiologi Kedokteran. Edisi 9. Jakarta: EGC. 74,76, 80-81, 244, 248, 606,636,1070,1340. 4. Nataro J., Enteroaggregative Escherichia coli pathogenesis. Current Opinion in Gastroenterology, 2005, 21, 4-8. 5. Nataro J., Kaper J., Diarrheagenic Escherichia coli., Clinical Microbiology Reviews., 1998, 11, 142-201