AVALIAÇÃO DA FORMAÇÃO DE BIOFILME POR Escherichia coli EM CARVÃO ATIVADO DE CASCA DE DENDÊ (Elaeis guineensis)

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Materiais

Autores

Pereira Brasil, S. (UEG) ; Klein Sebastiany, L. (UEG) ; Faleiro Naves, P.L. (UEG) ; Ribeiro de Campos, J.D. (UEG)

Resumo

O carvão ativado (CA) é um dos materiais mais empregados como adsorvente em filtros de água. Porém, micro-organismos e matéria orgânica podem alojar em sua superfície e diminuir sua vida útil. Assim, objetivou-se avaliar a formação de biofilme por Escherichia coli em CA de casca de dendê Elaeis guineensis caracterizado por microscopia eletrônica de varredura acoplada ao espectrômetro de energia dispersiva. O ensaio microbiológico consistiu na passagem de água desafio com 10⁶ufc.mL^-1 de E. coli, incubação e sonicação das amostras para o desprendimento e contagem das bactérias viáveis. O CA apresentou elevada porosidade, altos teores de carbono e formação de biofilme por E. coli com resultados de 10⁶ufc.g^-1.

Palavras chaves

Carvão ativado; Biofilme; [i]Escherichia coli[/i]

Introdução

O carvão ativado é amplamente utilizado como filtros de água domésticos, devido sua alta capacidade adsortiva (BANDYOPADHYAYA et al, 2008) e de apresentar uma estrutura porosa altamente desenvolvida, o carvão ativado pode remover o sabor e o odor da água, eliminar contaminantes orgânicos e inorgânicos, gases tóxicos, pesticidas, reduzir a matéria orgânica natural, diminuindo ao máximo a formação de subprodutos de desinfecção e/ou oxidação, como os trihalometanos, que são substâncias cancerígenas (PHAN et al, 2006). O carvão ativado é um material carbonáceo que possui elevada porosidade em sua estrutura, grande área superficial e elevado poder adsortivo (ZHAO et al, 2013). A maioria dos materiais que possuem elevado teor de carbono podem ser ativados. Cascas de coco, de arroz, de nozes, madeiras, turfas, resíduos de petróleo, ossos de animais, carvões minerais (antracita, betuminoso, linhito), entre outros, são exemplos de materiais carbonáceos utilizados. Os carvões ativados possuem micro, meso e macroporos em sua estrutura, com uma proporção relativa que varia a partir do precursor e do processo de fabricação (SUDARYANTO et al, 2006). Quanto maior a área superficial do carvão ativado, maior será seu potencial de adsorção. Devido a esta propriedade, este adsorvente pode ser utilizado como filtros de água (TEUNIS et al, 2009). Sua estrutura constitui-se basicamente de carbono formando estruturas lamelares distorcidas e sua superfície contém grupos funcionais de oxigênio, tais como álcoois, fenóis e ácidos carboxílicos (OZDEMIR et al, 2014). Apesar da ampla utilização do carvão ativado para o tratamento de água, micro-organismos e matéria orgânica podem alojar-se facilmente nas superfícies. Estes micro-organismos consomem a matéria orgânica do meio e secretam polissacarídeos, formando biofilmes microbianos que podem ocasionar interferências no funcionamento do filtro e levar a diminuição de sua vida útil, contaminando a água filtrada durante a filtração (GIBERT et al, 2013). O biofilme microbiano é um aglomerado de células bacterianas unidas e aderidas a uma superfície sólida e úmida através de uma matriz composta de polissacarídeos sintetizados por elas mesmas. Organizadas nestas estruturas, as células encontram proteção em ambientes hostis ao seu crescimento (RENNER, WEIBEL; 2011). Estas comunidades possuem canais que permitem o fluxo de nutrientes proporcionando a proteção destes micro-organismos a diversos tipos de estresses, como: variações de temperatura, pH, agentes antimicrobianos, radiação ultravioleta, entre outros (COSTERTON et al, 1999). Os exopolissacarídeos determinam a estrutura tridimensional do biofilme microbiano e quanto maior a quantidade destas substâncias poliméricas extracelulares, maior é a adesão destes biofilmes nestas superfícies (TSUNEDA et al, 2003). Biofilmes microbianos podem ser formados em superfícies internas de tubulações em estações de distribuição de água (BOE-HANSEN et al, 2002),podem também ser formados na estrutura porosa de carvões ativados que são utilizados como filtros de água, comprometendo a qualidade da água potável (GIBERT et al, 2013). A etapa inicial da formação de um biofilme inicia-se com a adesão de colonizadores primários em uma superfície biótica ou abiótica que contenha matéria orgânica e umidade, ocorrendo primeiramente interações do tipo Van der Waals entre a superfície de fixação e o colonizador inicial (GU, 2014). Os colonizadores primários se desenvolvem formando pequenas colônias que passam a sintetizar uma matriz exopolissacarídica que atua como substrato, auxiliando a aderência de outros micro-organismos, denominados colonizadores secundários em sua estrutura (DUNNE JÚNIOR, 2002). Após a adesão irreversível destes micro-organismos nessa estrutura, passam a consumir a matéria orgânica presente no meio, secretam polissacarídeos e se reproduzem, formando assim o biofilme microbiano (HEYDORN et al, 2000). Devido ao risco de formação de biofilmes microbianos em filtros de carvão ativado e de contaminação da água filtrada por micro-organismos potencialmente patogênicos, este trabalho objetivou avaliar a formação de biofilme por Escherichia coli ATCC 8739 nas superfícies de carvão ativado de casca de dendê Elaeis guineensis previamente caracterizado por microscopia eletrônica de varredura acoplada ao espectrômetro de energia dispersiva.

Material e métodos

As amostras de carvão ativado de casca de dendê (Elaeis guineensis) foram caracterizadas pelas determinações do teor de cinzas conforme o método ASTM D2866-94, de solúveis em água (ASTM D 5029-98) e do número de iodo de acordo com a norma ASTM D4607-94. Na determinação da morfologia e composição química do carvão ativado por microscopia eletrônica de varredura acoplada ao espectrômetro de energia dispersiva (MEV/EDS), as amostras foram recobertas com carbono (grafite), pois o carvão ativado por si só não apresenta condutividade. Em seguida as amostras foram colocadas em suporte de alumínio e analisadas no MEV Jeol JSM-6610, equipado com EDS, Thermo Scientific NSS Spectral Imaging. As análises foram realizadas no Laboratório Multiusuário de Microscopia de Alta Resolução na Universidade Federal de Goiás. Os ensaios de formação de biofilmes por Escherichia coli em filtros piloto de carvão ativado foram realizados com a inoculação de alíquotas de Escherichia coli ATCC 8739 em ágar Muller Hinton durante 24h a 35°C. Após a incubação, cinco colônias foram transferidas para 10 mL de água peptonada, ajustando-se o inóculo com escala 0,5 McFarland. Posteriormente, alíquotas de 0,6 mL desta suspensão foram diluídas em 59,4 mL de água destilada para obtenção da água desafio com 10⁶ unidades formadoras de colônias por mililitro de solução (ufc.mL^-1). Para a preparação do filtro de leito fixo, cinco gramas de carvão ativado foram pesados e acondicionados em cada uma das duas seringas estéreis previamente vedadas com algodão. Sessenta mililitros de água desafio foram submetidos a filtração em cada um desses filtros em condições assépticas em câmara de fluxo laminar, durante cerca de 50 minutos. Após a filtração completa, os filtros foram incubados em câmara úmida à temperatura ambiente sob o abrigo de luz, durante 24h. Um dos filtros foi submetido a enxágue com 60 mL de água destilada. Alíquotas da água de enxágue foram recolhidas, diluídas até 10^-5, semeadas em ágar Muller Hinton e incubadas a 35°C durante 24h. O carvão ativado contido no filtro foi transferido assepticamente para um Erlenmeyer com 100mL de solução fisiológica e sonicado durante 5 minutos, posteriormente alíquotas de 1mL foram diluídas e processadas como mencionado anteriormente para a água de enxágue. O outro filtro incubado em paralelo foi processado de forma idêntica, excetuando a passagem de água de enxágue antes do procedimento.

Resultado e discussão

O teor de cinzas determinado neste estudo foi de 10,8%. O teor de cinzas pode variar de acordo com a matéria-prima empregada. A presença de minerais nas matérias-primas utilizadas para fabricação do carvão ativado leva à formação de óxidos metálicos na sua estrutura. Para aplicabilidade deste carvão em filtros de água, o teor de cinzas determinado é aceitável. Loureiro (2012) determinou teores de cinza em amostras de carvão ativado de casca de dendê em média: 5,71%, 11,40%, 14,31% e 9,08% em diferentes formas do carvão ativado e Bernardo et al (1997) verificaram teores de cinza para carvão ativado de bagaço de cana em média: 15,5% e 12,1%. Para o teste de solúveis, utilizou-se água de lavagem do carvão ativado, na qual foram determinadas as quantidades de substâncias solúveis em água, presentes na amostra de carvão ativado. Pequenas quantidades destas substâncias solúveis em água foram identificadas, sendo em média 0,330%, indicando que praticamente todos os componentes do carvão ativado são insolúveis em água. Oliveira (2014) determinou teor de solúveis em água de lavagem de carvão ativado de 0,19%, sendo este valor, pouco menor que o teor de solúveis determinado neste trabalho. Estes solúveis são óxidos de minerais que são formados durante os processos de pirólise e ativação do carvão. O número de iodo determina a área superficial do carvão ativado. Quanto maior a quantidade de iodo adsorvida, maior será a área superficial do carvão ativado. O carvão ativado apresentou massa de iodo adsorvido de 1240,5 mg.g^-1 de CA, portanto, possui uma grande área superficial. A influência da ativação química na morfologia do material de partida, o carvão ativado de casca de dendê, foi obtida a partir de uma análise conduzida por microscopia eletrônica de varredura (MEV) aumentada 1000 vezes como se verifica na Figura 1. A análise da fotomicrografia eletrônica permitiu a visualização de inúmeros poros de diferentes tamanhos. Pela análise do espectrômetro de energia dispersiva (EDS) foi verificada uma quantificação elementar pontual média que relata a existência de alguns elementos presentes na amostra analisada. No espectro de EDS pode-se observar que o carvão ativado de casa de dendê é constituído basicamente de carbono, como se verifica no ponto 1 altos teores de carbono. Teores menores de oxigênio, magnésio, ferro e silício também foram identificados. A presença destes minerais é comum, pois, o carvão ativado é oriundo de material vegetal que é composto por elevados teores de carbono e minerais. A presença do alumínio pode ter ocorrido devido parte do feixe de luz atingir o suporte utilizado para colocar o material. A capacidade de adsorção de um carvão ativado irá depender em maior parte de sua porosidade. É durante o processo de ativação do carvão que essa porosidade será aumentada. A ativação do carbono compreende reações químicas para abertura dos poros no material e pode ocorrer através da utilização de vapor de água, oxigênio ou CO₂ como agentes oxidantes (ativação física) ou com o contato íntimo de fortes agentes oxidantes, como o H₃PO₄ ou o ZnCl₂, denominada ativação química. Os poros do carvão ativado podem ser classificados em função do diâmetro como macroporos: maior que 50nm; mesoporos: entre 2 e 50nm; microporos primários: entre 0,8 e 2nm e microporos secundários: menos que 0,8nm. A ativação consiste em aumentar a porosidade do carvão e, consequentemente, sua área superficial. Conforme o processo de ativação do carvão pode ocorrer variações em sua porosidade. A ativação do carvão pode ser dada através de dois processos: a ativação química e a física. Foi detectada a formação de biofilme de Escherichia coli nas superfícies do carvão ativado em ambas as amostras, com e sem enxague após a filtração (Tabela 1). A comparação entre os resultados obtidos demonstra que as bactérias ficaram aderidas a superfície do carvão ativado e formaram biofilmes após a incubação de 24 horas. Não foram detectadas diferenças significativas nas contagens de Escherichia coli aderidas após a formação de biofilme no carvão com a passagem de água de enxágue. Entretanto, foi detectado o desprendimento de uma quantidade significativa de bactérias na água de enxágue, fato que corrobora o risco potencial de contaminação da água filtrada com bactérias desprendidas do biofilme bacteriano e a permanência da liberação de bactérias durante o uso de filtros com carvão ativado contaminado.

Imagem do carvão ativado de casca de coco de dendê aumentada x1000 e o espectro de EDS indicando a composição química.


Contagens de E. coli na água desafio, água de enxágue e nas amostras de carvão ativado com e sem enxágue do filtro.

Conclusões

O carvão ativado de casca de dendê (Elaeis guineensis) demonstrou ser um adsorvente com elevada porosidade, o que foi comprovado pela técnica de microscopia eletrônica de varredura, empregada nesse trabalho a fim de obter a morfologia e a composição química do carvão ativado, podendo fornecer de forma rápida, informações sobre morfologia e composição química de amostras sólidas. Assim, acoplada a técnica de espectrometria de energia dispersiva, em que se verificou a grande estrutura carbonácea do carvão analisado. Nos testes microbiológicos, que permitiram a detecção da formação de biofilme de Escherichia coli, conclui-se que a quantidade de micro-organismos aderidos nas partículas de carvão ativado pode ser atribuída as características físicas dessas partículas, destacando-se a sua grande porosidade interna e elevada área superficial. A habilidade do carvão ativado em adsorver grandes quantidades de material está diretamente relacionada com a sua estrutura interna porosa, o que foi comprovado, neste caso, pela agregação bacteriana e efetiva formação de biofilme de E. coli em sua superfície. Em síntese, foi verificado que a elevada área superficial e o poder de adsorção do carvão ativado podem favorecer a formação de biofilmes microbianos fato que pode comprometer a efetividade do processo de filtração e purificação da água para consumo.

Agradecimentos

A Universidade Estadual de Goiás pelo Programa de Bolsa de Incentivo à Pesquisa e Produção Científica (PROBIP-UEG), a CAPES pela concessão de bolsas Mestrado.

Referências

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