El mundo de la microbiología tiene sus propios desafíos. Los biofilms bacterianos son agrupaciones de microorganismo que se forman en superficies húmedas y que albergan patógenos que compromete la calidad del agua, y pueden interrumpir el funcionamiento de muchos sistemas de ingeniería diferentes a través de la corrosión, la contaminación y la obstrucción de tanques, tuberías y válvulas.
En algunos entornos, incluso podrían ser mortales. Por ejemplo, los trajes espaciales que permiten las operaciones de la tripulación fuera de la Estación Espacial Internacional utilizan agua de recirculación para regular las temperaturas corporales en los extremos orbitales de pleno sol (250 F) y sombra plena (-250 F). Pero las biopelículas que florecen en esas líneas de agua casi han comprometido la seguridad de los astronautas durante las caminatas espaciales.
La luz ultravioleta (UV), puede ofrecer un medio muy eficaz, libre de productos químicos, para controlar este problema, ya que es capaz de dañar los sistemas de reparación de ADN y enzimas de los microbios, conduciendo a su desaparición. Aprovechando este potencial, investigadores de la Universidad Estatal de Arizona ha colaborado con la empresa H2Optic Insights para desarrollar un nuevo método de uso de la luz UV, específicamente UV-C de longitud de onda más corta, para inhibir el crecimiento de los biofilms en casi cualquier espacio. Los resultados de su trabajo se publicaron recientemente en la revista científica Nature Water.
“La luz ultravioleta ha sido ampliamente estudiada por su capacidad para desactivar bacterias y microorganismos en el agua. Pero los estudios sobre su eficacia contra las bacterias en biofilms establecidas son limitados, y un reto clave en este apartado es hacer llegar la luz de forma eficaz a las superficies de los sistemas de agua a presión”, detalla Paul Westerhoff, el autor del paper de investigación y profesor de ingeniería civil y ambiental en Ira A de la ASU.
Westerhoff y su equipo superaron este reto utilizando LED conectados a finas fibras ópticas de emisión lateral, o SEOF, colocadas directamente sobre superficies en las que pueden desarrollarse biopelículas. El equipo consiguió inhibir el crecimiento de biofilms suministrando luz UV-C a través de las SEOF a longitudes de onda de 265 o 275 nanómetros y a bajos niveles de irradiancia, justo por encima de un umbral de 9 µW/cm2.
El estudio también analizó el impacto de las distintas longitudes de onda de los rayos UV en la inhibición de los biofilms y reveló que los efectos de los rayos UV-A y UV-B eran insignificantes a bajos niveles de irradiación, mientras que los de los rayos UV-C eran eficaces. Westerhoff y su equipo demostraron además que los ciclos intermitentes de UV-C, con 10 minutos de irradiación seguidos de 50 minutos de oscuridad, lograban resultados comparables a la exposición continua a la luz. Eso significaba reducir el consumo de energía en más de un 80%.
“Desde el punto de vista del diseño, los SEOF ofrecen una solución flexible para iluminar eficazmente amplias superficies dentro de conductos estrechos o superficies de forma irregular. Esto puede lograrse utilizando un único SEOF o varios SEOF integrados en diseños de Malla”, explica Westerhoff, que también es subdirector del Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas de la Fundación Nacional de Ciencias sobre Tratamiento de Aguas con Nanotecnología.
Por tanto los SEOF podrían revolucionar el diseño de aparatos para el control de biofilms que suministren luz UV de cualquier longitud de onda a superficies en las que pueden desarrollarse biofilms y sin necesidad de tener en cuenta complicaciones como la absorción o dispersión de la luz a través del agua.
La combinación de UV-C y SEOFs abre la puerta a soluciones más seguras, eficientes y versátiles para el control de biofilms en sistema acuáticos. Esto es especialmente relevante en ambientes desafiantes como puede ser la Estación Espacial Internacional.
Sin embargo, Westerhoff enfatiza que se requiere más investigación para optimizar esta técnica para diferentes aplicaciones, como dispositivos biomédicos y sistemas energéticos, y para entender cómo los biofilms en diferentes etapas de desarrollo responden a diferentes longitudes de onda de luz UV.
Otros autores del paper de la investigación son Zhe Zhao, Nora Shapiro, François Perreault y Bruce Rittmann, todos ellos de la ASU, así como Hojung Rho, del Instituto Coreano de Ingeniería Civil y Tecnología de la Construcción, y Li Ling, del Instituto Interdisciplinario Avanzado de Medio Ambiente y Ecología de la Universidad Normal de Pekín.
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