NIVEL III
AIDIS
Comparación de Mecanismos de
Reparación Microbiana con Lámparas UV
de Baja y Mediana Presión
Por Jon McClean
Introducción
Es de común conocimiento que las bacterias y otros
microorganismos pueden reparar su ADN tras haber sido dañados por
la radiación ultravioleta (UV). Conocida como “reactivación”, algunos
microorganismos necesitan luz visible para emprender la reparación
(“fotorreactivación”), mientras que otros pueden reparar su ADN sin
luz (“reparación a oscuras”). Esta capacidad de autorreparación plantea
problemas evidentes cuando se utiliza la tecnología de desinfección
UV para tratar agua potable, agua de piscinas u otros líquidos que entran
en contacto con seres humanos.
Existen dos clases principales de tecnología de desinfección UV:
de baja presión y de mediana presión. Las lámparas UV de baja presión
contienen gas de mercurio a una presión Fotoreactivación enzimática
baja (<10 torr) que, cuando es estimulado
por una carga eléctrica, emite luz UV a 254
nm. Las lámparas de mediana presión
contienen gas de mercurio a presiones
mucho más elevadas (~1000 torr). Estas
lámparas producen UV de mayor
intensidad y en una gama de longitudes
de onda más amplia que las lámparas de
baja presión.
Investigaciones recientes que
compararon la fotorreactivación de ADN
microbiano tras la exposición al UV de lámparas de baja y mediana
presión demostraron que el ADN del E. coli se reparaba tras la radiación
de baja presión, pero no después de la exposición al UV de mediana
presión. Estos resultados son muy importantes y podrían tener una
gran influencia en las decisiones que deben tomar los especificadores
al elegir equipos UV.
Según Von Sonntag (1986), el ADN tiene su máxima absorción a
200 nm y 265 nm. La máxima absorción no se produce a 254 nm, la
longitud de onda producida por lámparas de baja presión. A 200 nm, la
mayor parte de la absorción se lleva a cabo en la “columna vertebral”
del ADN, en las moléculas de ribosa y fosfato. A 265 nm, la absorción
de UV se produce, principalmente, en las bases de nucleótidos: adenina,
guanina, citosina y timina (y uracilo en el caso del ARN). Los productos
más comunes que resultan del daño causado por la radiación UV son
los dímeros de timina, que se forman cuando dos moléculas de timinas
adyacentes se fusionan. La formación de estos dímeros y otros
fotoproductos evita que el ADN pueda replicarse y mata la célula de
manera efectiva.
Además del ADN y el ARN, el UV
también origina reacciones fotoquímicas
en proteínas, enzimas y otras moléculas
dentro de la célula. La absorción en las
proteínas llega a un máximo de 280 nm y
se produce cierta absorción en el enlace
peptídico (-CONH-) dentro de las proteínas
en longitudes de onda por debajo de los
240 nm. Otras moléculas biológicas con
enlaces no saturados también pueden
sufrir cierta destrucción por UV—entre los
ejemplos se encuentran las coenzimas, las
hormonas y los transportadores de electrones. La capacidad que posee
el UV de afectar todas las moléculas excepto las de ADN y ARN es
particularmente interesante en el caso de microorganismos más
grandes, como hongos, protozoarios y algas. En estos microorganismos, aunque el UV sea incapaz de llegar a penetrar el ADN, aun
puede producir un efecto letal dañando otras moléculas.
Efectos de la luz UV en el ADN y otras biomoléculas
Recuperación del daño UV
La sección de UV del espectro electromagnético está dividida en
tres gamas de longitud de onda principales que producen distintos
efectos en el ADN, el ARN y otras moléculas, como enzimas, dentro de
la célula. Los espectros principales de UV que tienen un efecto perjudicial
son los UV-C (200-280 nm), UV-B (280-315 nm) y UV-A (315-400
nm). Las lámparas UV de baja presión tienen una salida máxima de 254
nm, mientras que las lámparas de presión mediana cuentan con una
salida más amplia, de entre 185 y 400 nm, aproximadamente.
La necesidad de recuperarse de un daño UV, o bien de repararlo,
es común en casi todos los microorganismos de la naturaleza que se
exponen a la luz UV con regularidad. Conocido como reactivación, el
proceso puede desarrollarse tanto a la luz como en la oscuridad y se lo
denomina fotorreactivación y reparación a oscuras, respectivamente.
La capacidad de reactivación depende, en gran medida, del tipo de daño
UV provocado y del nivel de organización biológica del microorganismo.
El mecanismo de reparación no es universal y no existen características
12
A G U A
L A T I N O A M É R I C A
volumen 6, número 4
bien definidas que determinen qué especies pueden repararse a sí
mismas y cuáles no.
Las partes de las células más vulnerables al daño UV son el ADN y
el ARN. Esto se debe, en parte, a su función exclusiva como depositarios
del código genético de la célula y, también, a la alta complejidad de su
estructura y gran tamaño. Por lo tanto, no es sorprendente que todos
los mecanismos de reparación molecular conocidos hayan evolucionado
para actuar sobre ácidos nucleicos
macromoleculares, en particular, el ADN. En la
fotorreactivación, la reparación se lleva a cabo
por una enzima denominada fotoliasa, que
revierte el daño provocado por el UV, mientras
que en el caso de la reparación a oscuras, se
produce mediante una compleja combinación
de más de una docena de enzimas. Para
comenzar la reactivación (tanto a la luz como a
oscuras), estas enzimas primero deben ser
activadas por una fuente de energía—en la
fotorreactivación esta energía es suministrada
por luz visible (300-500 nm) y en la reparación
a oscuras, proviene de nutrientes dentro de la
célula. En ambos casos, la reactivación se logra
mediante enzimas que reparan el ADN dañado
y que permiten que el proceso de replicación Canal cerrado
vuelva a comenzar.
Las cepas más comunes del E. coli
contienen alrededor de 20 enzimas de fotoliasa,
capaces de reparar hasta cinco dímeros de
timina por minuto cada una—esto significa que,
en una sola célula, pueden reparase hasta 100
dímeros por minuto. 1mJ/cm2 de UV produce,
aproximadamente, 3,000-4,000 dímeros
(Oguma, 2002), por lo tanto, en teoría, el daño
provocado por 1mJ/cm2 de UV puede repararse
en sólo 30 minutos.
localmente en línea
Reparación tras la exposición a
lámparas UV de baja y mediana presión
estas longitudes de onda se producen en abundancia por lámparas UV
de mediana presión.
Zimmer (2002) y Oguma (2001) compararon los efectos del UV
de baja y mediana presión en la capacidad que tienen los
microorganismos de reparar su ADN. En las pruebas, compararon la
capacidad del E. coli de recuperarse en la luz de fotorreactivación tras
ser expuestos a distintos grados de UV de baja y mediana presión. Se
utilizó E.coli en el estudio ya que es un útil
“indicador biológico” de la eficacia de
desinfección en los sistemas de agua. Los
resultados de ambos estudios demostraron una
diferencia significativa en la fotorreactivación
tras una radiación de baja y mediana presión.
Si bien se observaron altos niveles de
fotorreparación tras una irradiación de baja
presión, con una reparación máxima producida
después de 2-3 horas, prácticamente no hubo
fotorreparación tras el tratamiento de mediana
presión. Este fue el caso, en particular, en
reducciones de concentraciones más elevadas
(concentración 3 y mayores). (Consulte Tabla
1).
Zimmer y sus colaboradores propusieron
varias razones por las cuales el UV de mediana
presión ocasiona daños irreparables, mientras
que el UV de baja presión no lo hace. Una
hipótesis es que existe un efecto sinérgico entre
las numerosas longitudes de onda emitidas por
lámparas de mediana presión que ocasiona
daños irreparables al ADN. Otra explicación
posible es que las mismas enzimas de
reparación se dañan. Harm (1980), por ejemplo,
ha demostrado que la absorción de las proteínas
en las regiones de UV-B y UV-C equivale a la
absorción de ADN a 265 nm. Según Zimmer, si
bien se considera que la absorción de UV de
proteínas es de poca importancia para las
células, cualquier daño para reparar enzimas será crítico debido al hecho
de que hay demasiado pocas presentes en la célula.
Todos estos estudios concluyeron que la radiación UV de mediana
presión policromática es más efectiva que el UV de baja presión
monocromática al causar daños permanentes e irreversibles en el ADN
del E. coli.
Las lámparas UV de baja presión, por lo general se utilizan en
plantas de tratamiento de agua debido a que su salida de UV a 254 nm
coincide con la absorción máxima de las bases de ADN a 265 nm. No
obstante, varios estudios han demostrado que el ADN microbiano es
capaz de realizar fotorreactivación tras haber sido expuesto a UV de
baja presión (Sommer et al, 2000; Hu et al, 2005).
Debido a estos hallazgos, y al incremento
en el uso de lámparas UV de mediana presión en Tabla 1. Reparación logarítmica efectiva promedio de E. coli bajo condiciones de
incubación por luz
el tratamiento del agua y de vertidos, recientes
Log UFC/ml
Tiempo para
Reparación
investigaciones comenzaron a analizar si el UV
(promedio
± SD) después de: logarítmica
Dosis
de
UV
reparación
de mediana presión puede inactivar el ADN de
por peso
Tipo de
máxima
efectiva
Exposición a
microorganismos de manera permanente. Se ha
2
a
UV
luz
reactivante
(mJ/cm
)
Lámpara
UV
(min)
promedio
indicado que las longitudes de onda más amplias
5
Presión baja
120
6.1 ± 0.12
6.8 ± 0.18
0.7
emitidas por lámparas de mediana presión no
5
Presión
mediana
120
3.8
±
0.90
3.9
±
0.71
0.1
sólo son perjudiciales para el ADN sino que
8
Presión
baja
180
3.6
±
0.38
6.2
±
0.03
2.6
también causan daños en otras moléculas,
8
Presión mediana
180
3.4 ± 0.32
3.5 ± 0.44
0.1
haciendo cada vez más difícil que las células
puedan reparar su ADN. Se sabe que el UV-A
10
Presión baja
180
3.0 ± 0.24
5.7 ± 0.25
2.8
afecta las membranas y sus funciones, mientras
10
Presión mediana
180
3.1 ± 0.17
3.1 ± 0.18
0.0
que se ha demostrado que el UV-B y UV-C son a Calculada como log UFC por mililitro después de su exposición a la luz – log CFU por mililitro después de UV.
(Cifras obtenidas de Zimmer et al (2002).
absorbidos por proteínas (Jagger, 1985). Todas
volumen 6, número 4
A G U A
L A T I N O A M É R I C A
13
Consecuencias de los hallazgos
4. Jagger, J. (1985). Solar-induced actions on
living cells, pp. 10-74. Praeger Publishers, New
Las implicancias de estos hallazgos son
York, NY.
extensas. En cualquier industria donde se
5. Kalisvaart, B. F. (2001). Photobiological effects
utiliza UV para desinfectar agua o vertidos,
of polychromatic medium pressure UV lamps.
el operador debe asegurarse de que el
Water, Science & Technology, 43, 191-197.
tratamiento sea permanente. En especial, en
6. Linden, K. G. (2001). Comparative effects of
el caso de los líquidos tratados que luego
UV wavelengths for the inactivation of
se expondrán a la luz. Zimmer sugirió que
Cryptosporidium parvum oocysts in water.
el UV de mediana presión podría, por lo
Water, Science & Technology, Vol. 34, No. 12,
171-174, IWA Publishing.
tanto, proporcionar una mejor protección
Limpiador
contra la fotorreactivación si el tratamiento
7. Oguma, K., Katayama, H. & Ohgaki, S. (2001).
de cámara ultravioleta
Determination of pyrimidine dimers in the
UV se produce antes de cualquier unidad
genomic
DNA
of
Escherichia
coli
during photoreactivation following inactivation
de proceso en la que el agua se exponga a la luz, incluso durante un
by medium-pressure UV lamp. Department of Urban Engineering, University
corto período (30-180 minutos). Según el estudio, “El uso de UV de
of Tokyo.
baja presión en este tipo de situaciones debería evitarse, ya que la
8. Oguma, K., Katayama, H. & Ohgaki, S. (2002). Effects of wavelengths of
reparación se produce rápidamente tras la exposición a la luz”.
inactivating UV light on photoreactivation of Escherichia coli. Department of
Las aplicaciones afectadas por estos hallazgos incluyen todas en
Urban Engineering, University of Tokyo.
las que el agua o vertidos tratados se expongan posteriormente a la
9. Oguma, K., Katayama, H. & Ohgaki, S. (2002). Photoreactivation of
luz. Entre los ejemplos podemos mencionar aguas residuales, el agua
Escherichia coli after low- or medium-pressure UV disinfection determined by
an endonuclease sensitive site assay. Applied & Environmental Microbiology,
embotellada, la industria pesquera y las piscinas. También deben
Vol. 68, No. 12, 6029-6035.
destacarse, debido a su posibilidad de realizar reparación a oscuras, el
10. Sommer, R., Lhotsky, T., Haider, T. & Cabaj, A. (2000). UV inactivation,
agua potable y las aplicaciones hidráulicas del proceso.
liquid-holding recovery, and photoreactivation of Escherichia coli O157 and
Zimmer y sus colaboradores recomendaron que se realizara una
other pathogenic Escherichia coli strains in water. Journal of Food Protection,
mayor investigación con mediana presión a fin de determinar
63, 1015-1020.
precisamente qué longitudes de onda ocasionan el daño adicional y
11. Von Sonntag (1986). Disinfection of free radicals and UV-radiation.
dónde se produce el daño. También recomiendan mayor investigación
International Workshop on Water Disinfection, Compagnie Générale des Eaux,
respecto de las plantas de tratamiento de aguas residuales.
Mulhouse.
Conclusión
Muchos microorganismos pueden reparar el ADN dañado por UV
con enzimas tanto en condiciones de luz como de oscuridad. La
investigación que compara la fotorreactivación del ADN del E. coli tras
una exposición a UV de baja y mediana presión ha demostrado que el
ADN sufrió una fotorreparación de gran alcance tras una exposición a
UV de baja presión, pero casi ninguno tras una exposición a UV de
mediana presión.
Aún no está claro qué longitudes de onda o combinación de
longitudes de onda ocasionan esta desactivación permanente del ADN.
No obstante, tal como sugieren Zimmer y sus colaboradores, lo que
produce este efecto deseado es el mismo hecho de que las lámparas de
mediana presión producen una amplia salida a través del espectro de
luz UV.
Los resultados iniciales de estos estudios indican que el UV de
mediana presión ofrece una mejor protección contra la fotorreactivación
que el UV de baja presión. Si existe alguna posibilidad de que el agua o
vertidos tratados con UV sean expuestos a la luz—incluso por un corto
período de media hora - es aconsejable que los operadores utilicen
sistemas de lámparas UV de mediana presión en lugar de los de baja
presión.
Referencias
1. Harm, W. (1980). Biological effects of ultraviolet radiation, pp. 23-39.
Cambridge University Press, New York, NY.
2. Hoyer, O. (1988). Testing performance and monitoring of UV systems for
drinking water disinfection. Water Supply, 16 (1-2), 424-429.
3. Hu, J.Y., Chu, S.N., Ouek, P.H., Feng, Y.Y. & Tan, X.L. (2005). Repair and
regrowth of Escherichia coli after low- and medium-pressure ultraviolet
disinfection. Water Science and Technology: Water Supply, Vol. 5, No. 5, 101108, IWA Publishing.
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12. Waites (1988). The destruction of spores of Bacillus subtillis by the
combined effects of hydrogen peroxide and ultraviolet light. Applied
Microbiology, 7, 139-140.
13. Zimmer, J. L. & Slawson, R. M. (2002). Potential repair of Escherichia coli
DNA following exposure to UV radiation from both medium- and low-pressure
UV sources used in drinking water treatment. Applied & Environmental
Microbiology, Vol. 68, No. 7, 3293-3299.
Acerca del autor
Jon McClean funge como Presidente de
Aquionics, Inc. en los EE.UU. y además es
Director Administrativo de División de las
Compañías Halma UV, las cuales incluyen
Berson UV-techniek en Holanda y Hanovia
Limited en Gran Bretaña. Fue nombrado
Presidente de Aquionics en 2005, y antes de
ello fue Director Administrativo de Hanovia.
Durante sus seis años con Hanovia, desarrolló nuevos mercados
para la tecnología de desinfección UV y decloración de esta
compañía en los sectores de agua de piscina y agua potable.
Asimismo, el Sr. McClean ganó el Premio Queen’s (de la Reina)
para Empresas, el premio más prestigioso de Gran Bretaña para el
desempeño de los negocios. El Sr. McClean tiene 20 años de
experiencia en la industria del agua, abarcando desde aplicaciones
de reuso de aguas industriales y municipales hasta usos industriales
de agua ultra pura. Tiene una licenciatura y maestría en Física de
Imperial College en Londres, Gran Bretaña. Información de
contacto: Aquionics Inc., 21 Kenton Lands Road, Erlanger, KY
41018 EE.UU. Tel: +1 859 341 0710; Fax: +1 859 341 0350; Correo
electrónico: [email protected]; Sitio Web: www.
aquionics.com
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