La adhesión bacteriana implica la unión (o deposición) de bacterias en la superficie (sólido, capa de gel, etc.). Esta interacción juega un papel importante en el sistema natural así como en la ingeniería ambiental. La unión de biomasa en la superficie de la membrana resultará en un ensuciamiento de la membrana , lo que puede reducir significativamente la eficiencia del sistema de tratamiento que utiliza el proceso de filtración por membrana en las plantas de tratamiento de aguas residuales. [1] La baja adhesión de las bacterias al suelo es clave esencial para el éxito de la biorremediación in situ en el tratamiento de aguas subterráneas. [2] Sin embargo, la contaminación de patógenosen el agua potable podría estar relacionado con el transporte de microorganismos en las aguas subterráneas y otras fuentes de agua. [3] El control y la prevención del impacto adverso de la deposición bacteriana en el medio acuático requiere un conocimiento profundo de los mecanismos de este proceso. La teoría DLVO se ha utilizado ampliamente para describir la deposición de bacterias en muchas investigaciones actuales. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Predicción de la deposición bacteriana mediante la teoría clásica de DLVO
La teoría DLVO describe el potencial de interacción entre superficies cargadas. Es la suma de la doble capa electrostática, que puede ser atractiva o repulsiva, y atractivas interacciones de Van der Waals de las superficies de carga. [2] La teoría DLVO se aplica ampliamente para explicar la agregación y deposición de nanopartículas y coloidales como el Fullereno C60 en el sistema acuático. Debido a que las bacterias y las partículas coloides comparten similitudes en tamaño y carga superficial, la deposición de bacterias también puede describirse mediante la teoría DLVO. [1] [2] [3] [4] La predicción se basa en la interacción esfera-placa para una celda y la superficie.
Las interacciones electrostáticas de doble capa podrían describirse mediante la expresión del potencial de superficie constante [2] [3] [4] [6]
Donde ε 0 es la permitividad del vacío , ε r es la permitividad dieléctrica relativa del agua, a p es el radio esférico equivalente de la bacteria, κ es la inversa de la longitud de Debye , h es la distancia de separación entre la bacteria y la superficie del colector; ψ py ψ c son los potenciales de superficie de la célula bacteriana y la superficie del colector. Se utilizó el potencial zeta en la superficie de las bacterias y el colector en lugar del potencial superficial.
El potencial de interacción retardado de Van der Waals se calculó utilizando la expresión de Gregory, 1981. [1] [2] [3] [4]
Con A es la constante de Hamaker para el colector de la superficie del agua-bacterias (cuarzo) = 6,5 x 10 −21 J y λ es la longitud de onda característica del dieléctrico y podría suponerse 100 nm, a es el radio equivalente de las bacterias, h es el distancia de separación desde el colector de superficie hasta las bacterias.
Por lo tanto, la interacción total entre las bacterias y la superficie cargada se puede expresar de la siguiente manera
Resultado experimental actual
Método experimental
El sistema de flujo de punto estancado radial (RSPF) se ha utilizado actualmente para el experimento de adhesión bacteriana con la verificación de la teoría DLVO. Es un sistema experimental bien caracterizado y es útil para visualizar la deposición de bacterias individuales en la superficie plana de cuarzo de carga uniforme . [1] [3] La deposición de bacterias en la superficie se observó y estimó a través de un microscopio invertido y se registró a intervalos regulares (10 so 20 s) con una cámara digital.
El flujo voló en el punto de estancamiento del flujo https://web.archive.org/web/20090418224617/http://www.yale.edu/env/alexis_folder/alexis_research_2b.jpg
Se han utilizado muchas tinciones bacterianas para los experimentos. Ellos son:
- Ooquistes de Cryptosporidium parvum , [4] con un diámetro esférico equivalente de 3,7 μm.
- Escherichia coli , [2] [6] que tiene un diámetro esférico equivalente de 1,7 μm.
- Pseudomonas aeruginosa , [1] [3] [5] [7] con un diámetro esférico equivalente de 1,24 μm.
Todas las cepas bacterianas tienen potencial zeta negativo a pH experimental (5,5 y 5,8) y menos se vuelven negativas a mayor fuerza iónica en soluciones de sal mono y divalente. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Los colectores de superficie de cuarzo ultrapuro se han utilizado ampliamente debido a su homogeneidad de superficie, que es un factor importante para aplicar la teoría DLVO . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] La superficie de cuarzo originalmente tiene potencial negativo. Sin embargo, la superficie de los colectores generalmente se modificó para tener una superficie positiva para los experimentos de deposición favorables. [2] [3] [4] [6] [7]
En algunos experimentos, el colector de superficie se cubrió con una capa de alginato con carga negativa para simular la película acondicionadora real en un sistema natural. [1] [5]
Resultado
Se concluyó que la deposición bacteriana se produjo principalmente en un mínimo de energía secundaria mediante el uso de la teoría DLVO. [2] [4] [6] El cálculo de DLVO predijo una barrera de energía de 140 kT a una fuerza iónica de 31,6 mM a más de 2000 kT a una fuerza iónica de 1 mM. Estos datos no estaban de acuerdo con los datos experimentales, que mostraron un aumento de la deposición con el aumento de la fuerza iónica. [2] Por lo tanto, el depósito podría ocurrir en un mínimo secundario con una energía de 0,09 kT a 8,1 kT a una fuerza iónica de 1 mM y 31,6 mM, respectivamente. [2] La conclusión fue probada aún más por la liberación parcial de bacterias depositadas cuando la fuerza iónica disminuyó. Debido a que la cantidad de bacterias liberadas fue inferior al 100%, se sugirió que las bacterias podrían depositarse en el mínimo primario debido a la heterogeneidad del colector de superficie o la superficie bacteriana. Este hecho no se cubrió en la teoría clásica de DLVO. [2]
La presencia de electrolitos divalentes (Ca 2+ ) puede neutralizar la superficie de carga de las bacterias mediante la unión entre Ca 2+ y el grupo funcional en la superficie del ooquiste. [4] Esto resultó en una deposición bacteriana observable a pesar de la energía repulsiva electrostática muy alta de la predicción DLVO.
La motilidad de las bacterias también tiene un efecto significativo sobre la adhesión bacteriana. Las bacterias inmóviles y móviles mostraron un comportamiento diferente en los experimentos de deposición. [1] [5] [7] Con la misma fuerza iónica, las bacterias móviles mostraron una mayor adhesión a la superficie que las bacterias inmóviles y las bacterias móviles pueden adherirse a la superficie del colector con una alta fuerza electrostática repulsiva. [1] Se sugirió que la energía de natación de las células podría superar la energía repulsiva o pueden adherirse a regiones de heterogeneidad en la superficie. La capacidad de natación aumenta con la fuerza iónica y 100 mM es la concentración óptima para la rotación de los flagelos. [7]
A pesar de la energía de repulsión electrostática del cálculo de DLVO entre las bacterias y el colector de superficie, la deposición podría ocurrir debido a otras interacciones, como el impacto estérico de la presencia de flagelos en el entorno celular y la fuerte hidrofobicidad de la célula. [1]
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l Alexis J. de Kerchove y Menachem Elimelech, Impacto de la película de acondicionamiento de alginato en la cinética de deposición de cepas de Pseudomonas aeruginosa móviles y no móviles, Microbiología aplicada y ambiental, agosto de 2007, p. 5227–5234.
- ^ a b c d e f g h i j k l m n Jeremy A. Redman, Sharon L. Walker y Menachem Elimelech, Adhesión y transporte bacteriano en medios porosos: papel del mínimo de energía secundaria, Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 1777-1785.
- ^ a b c d e f g h i j Alexis J. de Kerchove, Paweł Weronski y Menachem Elimelech, Adhesion of Nonmotile Pseudomonas aeruginosa on "Soft" Polyelectrolyte Layer in a Radial Stagnation Point Flow System: Measurements and Model Predictions, Langmuir 2007 , 23, 12301-12308.
- ^ a b c d e f g h i j Zachary A. Kuznar y Menachem Elimelech, Cinética de adhesión de oocistos viables de Cryptosporidium parvum a superficies de cuarzo, Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 6839-6845.
- ^ a b c d e f Alexis J. de Kerchove y Menachem Elimelech, Los cationes de calcio y magnesio mejoran la adhesión de Pseudomonas aeruginosa móviles y no móviles en películas de alginato, Langmuir 2008, 24, 3392-3399.
- ^ a b c d e f g Sharon L. Walker, Jeremy A. Redman y Menachem Elimelech, Papel de los lipopolisacáridos de la superficie celular en la adhesión y transporte de Escherichia coli K12, Langmuir 2004, 20, 7736-7746.
- ^ a b c d e f Alexis J. de Kerchove y Menachem Elimelech, La motilidad de natación bacteriana mejora la deposición celular y la cobertura de la superficie, Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 4371–4377.