L utilizzo degli UV nel trattamento delle acque destinate al consumo umano

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1 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

2 Spettro elettromagnetico

3 Spettro ultravioletto UV A ( nm) Principale frazione di luce UV solare che raggiunge la Terra, poiché minimamente trattenuta dall atmosfera. Scarso potere germicida. Nell uso commerciale UV-A è impiegato soprattutto nelle lampade abbronzanti. UV B ( nm) Componente UV solare trattenuta al 90% dall atmosfera. Limitato potere germicida. Applicazioni ospedaliere (psoriasi, vitiligine, ittero neonatale), laser ad eccimeri (cataratta, miopia).

4 Spettro ultravioletto UV C ( nm) Frazione UV solare totalmente assorbita dall atmosfera (ma il buco dell ozono ne ha ridotto le proprietà filtranti). Elevato potere germicida. Applicazione nei processi di trattamento acque potabili e reflue. Vacuum UV ( nm) Spettro UV fortemente assorbito dall acqua e dall ossigeno atmosferico. Efficace potere germicida, ma limitato a pochi mm d acqua. A contatto con l acqua genera radicali altamente reattivi: utilizzo come processo di ossidazione avanzata (AOP) per la fotodegradazione di inquinanti organici.

5 Caratteristiche degli UV Effetti sull uomo Spettro UV Assorb. atmosf. Potere germicida Applicaz. industriali Occhi Pelle Organismo 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. Vacuum 100% Elevato AOP - Fotocheratite - Cecità temporanea - Eritema - Cancro + effetti positivi - effetti negativi

6 Effetti biologici degli UV Fonte: Pratesi R. (1993). Radiazioni non ionizzanti, ed. Pitagora

7 Meccanismi di inattivazione di agenti chimici/fisici in ambito industriale Bersaglio Agente Effetti Parete cellulare Membrana citoplasmatica Acidi nucleici Enzimi o proteine Aldeidi Tensioattivi anionici Ozono Sali quaternari di ammonio Ipoclorito Composti alchilanti Radiazioni ionizzanti Radiazioni UV Ioni metallici Composti alchilanti Biossido di cloro, acido peracetico Interazione con gruppi NH 2 della parete Lisi cellulare Alterazione della permeabilità: fuoriuscita di citoplasma e materiale a basso peso molecolare Rottura della catena DNA/RNA Cross link Alterazione degli acidi nucleici Rottura gruppi SH degli enzimi Alterazione/legame con la struttura delle proteine Fonte: Block S.S. (1991). Disinfection, Sterilization and Preservation; 4th ed. Lea & Febiger, Philadelphia

8 DNA

9 Meccanismi di inattivazione con UV 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. In pratica vengono inibite anche le fasi di trascrizione (DNA mrna) e di traduzione (mrna proteina). 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.

10 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

11 Danni indotti dall UV I più frequenti danni al DNA sono i dimeri di pirimidine adiacenti nello stesso filamento, ovvero Dimero T-T 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.

12 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.

13 Danni indotti dall UV Altri danni agli acidi nucleici possono verificarsi, in genere, con percentuale inferiore al 5%: alterazione delle basi puriniche (A e G); fotoidrati di pirimidina (T e U). Infine, altre alterazioni del DNA possono avvenire con dosi UV più alte di quelle impiegate nella disinfezione di acque potabili: rottura doppia o singola dell elica del DNA; cross-links (legami covalenti tra due eliche di DNA)

14 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 (m 2 o cm 2 ). Quindi la Dose UV si ottiene dalla relazione: D = dose UV (mj/cm 2 ) I = intensità (mw/cm 2 ) 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

15 Dose UV-risposta Dosi medie (mj/cm 2 ) 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

16 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.

17 Cinetica di inattivazione L andamento della riduzione microbica è rappresentato dall equazione: Log inattivazione = log 10 N 0 /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).

18 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:

19 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

20 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 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.

21 Fotoriattivazione Fattori che influenzano la fotoriattivazione: log inattivazione raggiunto (la probabilità che si verifichi riparazione è inversamente proporzionale alla dose UV applicata); specie e ceppo di microrganismo; tempo intercorso tra esposizione agli UV e luce riattivante; condizioni ambientali (ph, temperatura, nutrienti ). Virus a DNA sono privi della fotoliasi, ma la riattivazione può avvenire utilizzando l enzima cellulare dell ospite. Non si evidenzia fotoriattivazione di Giardia e Cryptosporidium con dosi UV comprese tra 16 e 40 mj/cm 2. 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).

22 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:

23 Dark repair La definizione riparazione al buio è ambigua poiché può avvenire in presenza di luce e non richiedere, quindi, oscuramento. Contrariamente alla fotoriattivazione (specifica per i dimeri pirimidinici), la dark repair può riparare diverse tipologie di danno agli acidi nucleici. La maggior parte dei batteri possiedono gli enzimi necessari per la reazione. Come per la fotoriattivazione, non è dimostrata dark repair in Giardia e Cryptosporidium con dosi UV impiegate nella potabilizzazione. I virus a DNA possono utilizzare gli enzimi di riparazione della cellula ospite, quelli a RNA no.

24 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.