Implementação de reator de leito fixo empacotado com nanopartículas de prata micológicas imobilizadas em alginato para desinfecção da água contaminada com bactérias potencialmente patogênicas

Abstract

O saneamento básico e o acesso à água potável são desafios críticos para países em desenvolvimento. Até 2025, a escassez de água pode afetar 50 % da população global. O Objetivo de Desenvolvimento Sustentável (ODS) 6 busca melhorar o saneamento e o acesso à água, mas no Brasil, mais de 40 milhões de pessoas ainda não têm acesso a água potável, e 100 milhões não têm tratamento adequado de esgoto. Diante dessa situação, a busca por métodos sustentáveis e econômicos para a purificação da água motivou a investigação da aplicação de nanopartículas de prata (AgNP), produzidas biologicamente a partir do fungo filamentoso Aspergillus niger IBCLP20 encapsuladas em alginato de cálcio, em um reator de leito fixo (PBR) para tratar água contaminada com Escherichia coli IPT245 e Pseudomonas aeruginosa IPT365. As AgNP são amplamente reconhecidas por suas propriedades antibacterianas, que se devem à sua capacidade de interagir diretamente com as membranas celulares bacterianas e gerar espécies reativas de oxigênio (ROS), resultando em danos ao DNA, RNA e outras biomoléculas essenciais. A obtenção das AgNP por métodos biológicos é vantajosa em comparação com métodos químicos, pois oferece uma alternativa mais ecológica e de baixo custo. Para a realização do estudo, as bio-AgNP foram caracterizadas utilizando técnicas de microscopia eletrônica de transmissão (MET), espalhamento dinâmico de luz (DLS), potencial zeta (Pζ) e índice de polidispersão (PDI). Os resultados mostraram que as nanopartículas têm formato esférico com um tamanho médio de 37,4 ± 67,4 nm e tamanho hidrodinâmico de 80 nm. A carga zeta das partículas foi medida em -38,56 mV, e o índice de polidispersão foi 0,215. Subsequentemente, as bio-AgNP foram encapsuladas em alginato de cálcio e testadas em um reator PBR para avaliar sua aplicabilidade na desinfecção de água contaminada. Foram examinados parâmetros operacionais, incluindo densidade do afluente (10³, 10⁴ e 10⁵ UFC·ml⁻¹), temperaturas (25 ºC, 30 ºC, 37 ºC e 40 ºC), massas de catalisador (50 %, 75 % e 100 %) e vazões volumétricas (1,0, 4,0, 7,0 e 10,0 ml·min⁻¹). A atividade antibacteriana das bio-AgNPAC contra E. coli IPT245 foi observada em todas as massas de catalisador testadas, enquanto o efeito bactericida sobre P. aeruginosa IPT365 foi constatado durante 8 h apenas com 100 % da massa de catalisador. A temperatura não teve impacto significativo na aplicação do sistema, e a vazão volumétrica ideal foi determinada como 4,0 ml·min⁻¹. Os resultados confirmaram que o sistema de reator de leito fixo PBR com bio-AgNP encapsuladas é uma solução promissora para a desinfecção de água. A manutenção da atividade antibacteriana após a imobilização das nanopartículas e a análise detalhada dos parâmetros operacionais sustentam a viabilidade desse método para aplicações ambientais.

Basic sanitation and access to drinking water are critical challenges for developing countries. By 2025, water scarcity could affect 50 % of the global population. Sustainable Development Goal (SDG) 6 seeks to improve sanitation and access to water, but in Brazil, more than 40 million people still do not have access to drinking water, and 100 million do not have adequate sewage treatment. Given this situation, the search for sustainable methods and cost-effective methods for water purification has motivated the investigation of biologically silver nanoparticles (bio-AgNP) application, produced from the filamentous fungus Aspergillus niger IBCLP20 encapsulated in calcium alginate, in a fixed bed reactor (PBR) to treat water contaminated with Escherichia coli IPT245 and Pseudomonas aeruginosa IPT365. AgNP are widely recognized for their antimicrobial properties, which are due to their ability to interact directly with bacterial cell membranes and generate reactive oxygen species (ROS), resulting in damage to DNA, RNA and other essential biomolecules. Obtaining AgNP by biological methods is advantageous compared to chemical methods, as it offers a more environmentally friendly and low-cost alternative. To carry out the study, the bio-AgNP were characterized using transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), zeta potential (Pζ) and polydispersity index (PDI) techniques. The results showed that the nanoparticles have a spherical shape with an average size of 37.4 ± 67.4 nm and a hydrodynamic size of 80 nm. The zeta charge of the particles was measured at -38.56 mV, and the polydispersity index was 0.215. Subsequently, the bio-AgNP were encapsulated in calcium alginate and tested in a PBR reactor to evaluate their applicability in the disinfection of contaminated water. Operational parameters including influent concentrations (10³, 10⁴ and 10⁵ CFU ml⁻¹), temperatures (25 ºC, 30 ºC, 37 ºC and 40 ºC), catalyst masses (50 %, 75 % and 100 %) and volumetric flow rates (1.0, 4.0, 7.0 and 10.0 ml min⁻¹) were examined. The antimicrobial activity of bio-AgNPAC against E. coli IPT245 was observed in all catalyst masses tested, while the bactericidal effect against P. aeruginosa IPT365 was observed for 8 h only with 100% of the catalyst mass. Temperature had no significant impact on system, and the optimum volumetric flow rate was determined to be 4.0 ml min⁻¹. The results confirmed that the PBR fixed bed reactor system with encapsulated bio-AgNP is a promising solution for water disinfection. The maintenance of antimicrobial activity after nanoparticle immobilization and the detailed analysis of the operational parameters support the feasibility of this method for environmental applications.