Segundo SODIS (2002), o mecanismo de inativação dos organismos patogênicos pela luz solar é resultado de um efeito combinado da radiação infravermelha, responsável pelo aquecimento da água e da radiação ultravioleta. Em que os microrganismos são sensíveis ao calor, sendo um dos principais fatores ambientais que influenciam o desenvolvimento dos microrganismos.
À medida que há um aumento da temperatura, as reações químicas e enzimáticas na célula tendem a tornarem-se mais rápidas, acelerando a taxa de crescimento. Entretanto, em determinadas temperaturas inicia-se o processo de desnaturação de proteínas e ácidos nucléicos, inviabilizando a sobrevivência celular (Santos et al., 2009).
A ação germicida da radiação ultravioleta está associada às alterações estruturais que esta provoca no ácido desoxirribonucleico-DNA das células, consequência de reações fotoquímicas desencadeadas pela absorção da radiação pelas moléculas que constituem o DNA (Chernicharo et al., 2001).
O DNA é a molécula que armazena a informação genética e consiste de duas cadeias de nucleotídeos unidas pela interação das bases complementares, denominadas de bases emparelhadas, que são: Adenina e Guanina (Purinas) e Citosina e Timina (Pirimidinas) (USEPA, 2006). Essas bases emparelhadas são ligadas por pontes de hidrogênio fazendo com que as duas fitas do DNA permaneçam unidas, dando origem a dupla hélice (Gonçalves et al., 2003). Na Figura 6-A tem-se a representação esquemática de um pedaço hipotético de uma fita de DNA, onde os nucleotídeos estão representados pelas letras A (adenina), G (guanina), C (citosina) e T (timina). Note que Adenina (A) liga-se a Timina (T) e a Guanina (G) à Citosina (C).
36 Figura 4. A - DNA duplo filamento B - efeito da radiação ultravioleta sobre a cadeia de DNA da bactéria, promovendo a formação de dímeros Timina - Timina, impedindo a formação de ligações de pontes hidrogênio entre o par Timina-Adenina dos filamentos.
Fonte: Adaptado de Bolton & Cotton (2011).
Já o ácido ribonucleico- RNA é responsável pela formação de enzimas específicas e de proteínas estruturais. A composição do RNA é muito parecida com a do DNA, contudo apresenta algumas diferenças. As bases purinas são as mesmas contidas no DNA, mas as pirimidinas são uracil e citosina (USEPA, 2006).
As moléculas de DNA dos organismos absorvem radiações com comprimento de onda entre 200 e 300 nm, com especial destaque em torno de 260 nm, onde ocorre a absorção máxima de radiação por seu material genético (Gonçalves et al., 2003).
A energia absorvida rompe as ligações não saturadas, principalmente as bases nitrogenadas pirimídicas, provocando a dimerização de pirimidinas adjacentes com rompimento dos encaixes de filamentos de DNA, ver Figura 5-B (Bolton & Cotton, 2011).
Os dímeros formados em consequência das alterações provocadas pela radiação ultravioleta podem resultar em timina–timina, timina-citosina e citosina-citosina. As moléculas pirimídicas resultantes, uma vez unidas, deformam a estrutura helicoidal do DNA e dificultam a replicação do ácido nucléico. Caso a replicação ocorra, as novas células serão mutantes descendentes incapazes de se duplicar (Gonçalves et al. 2003). Isso interfere na precisão da replicação, o que pode levar a erros na transcrição, ou impedir a divisão celular, com consequente prejuízo ou morte celular (USEPA, 1999a; Gehra et al., 2003; Gonçalves et al .2003).
37 A formação de dímeros de pirimidinas possui a maior relevância biológica, sendo considerados os mais importantes, devido à sua abundância relativa, pelo seu reparo mais lento e pela sua mutagenicidade conhecida, sendo a timina, por ter a estrutura mais simples dentre as bases nitrogenadas, a que representa maior formação de dímeros. Quanto maior o tempo de incidência de radiação ultravioleta nos microrganismos, maior a quantidade de bases modificadas. A radiação ultravioleta gera principalmente dímeros de pirimidina no DNA das células (Schuch, 2009).
A formação de dímeros é o mecanismo fundamental da desinfecção ultravioleta, no entanto a formação de espécies reativas de oxigênio (ROS), também é reportada como mecanismo de inativação de patógenos causado pela radiação UV. Segundo Fisher et al. (2008), a radiação ultravioleta induz a formação de superóxidos (O2-), peróxidos de hidrogênio (H2O2) e radicais hidroxilas (OH-).
As ROS são conhecidas por reagir não seletivamente com quase tudo o que entram em contato, tais como: a membrana celular, enzimas, organelas e outros (Dejung et al., 2007). Elas conseguem oxidar ácidos nucleicos, enzimas e lipídeos dos microrganismos, causando perda da função biológica e, consequente, morte celular (Moncayo-lasso et al., 2009). A indução de danos oxidativos na molécula de DNA é mais eficiente pelos comprimentos de onda de UV-A (Schuch et al., 2009).
De acordo com McGuigan et al. (2012) as ROS podem levar a peroxidação lipídica, formação de dímeros de pirimidina e até mesmo lesões de DNA.
Bosshard et al. (2009) aplicaram citometria de fluxo e a coloração de viabilidade durante a desinfecção solar de Salmonella typhimurium e Shigella flexneri, para caracterizar a perda de funções celulares essenciais nas células bacterianas irradiadas. As funções celulares registradas incluem a integridade da membrana, potencial de membrana, a atividade da bomba de efluxo e atividade de captação de glicose. A cadeia respiratória de bactérias entéricas foi identificada como sendo um alvo provável da radiação solar e irradiação UV-A. Além disso, durante o armazenamento no escuro após irradiação, o estado fisiológico das células bacterianas continuou a deteriorar-se mesmo na ausência de irradiação: aparentemente, as células foram incapazes de reparar os danos.
Este efeito sugere que para S. typhimurium e S. flexneri, uma dose de radiação relativamente pequena é suficiente para danificar irreversivelmente as células e que o armazenamento através de recipientes após a irradiação não permitiu novo crescimento de células bacterianas inativadas. Os resultados indicam que, ainda, é favorável armazenar a água tratada em recipientes durante a noite, antes do consumo, porque as células danificadas
38 morrerão por exaustão de Adenosina Trifosfato-ATP, e que o conhecimento obtido nesta pesquisa pode ser estendido para explicar os mecanismos de inativação pela radiação solar do indicador bacteriano E. coli (Bosshard et al., 2009).
Os resultados obtidos por Jennifer et al. (2012) através do ensaio de endonuclease- ESS, evidenciaram que os danos ao DNA são acelerados pelo calor e que quando as águas são aquecidas à 50 ºC, aumenta a permeabilidade da membrana celular e dessa forma facilita a entrada dos produtos reativos (ROS) formados na irradiação, produzindo dano intracelular; também foi registrado que nessa condição não houve recrescimento de E. coli.
Já para Dejung et al. (2007) temperaturas entre 40º e 45º C, geralmente, alcançado nos ensaios realizados, foram suficientes para teoricamente acelerar a cinética química reacional e, especialmente as reações de ROS; tendo como consequência a perda biológica da atividade de estruturas importantes, tais como membranas, cromóforos, proteínas ou estruturas lipídicas em geral.
A resistência à inativação dos diferentes organismos patogênicos por radiação ultravioleta varia de acordo com a espécie. De modo geral, bactérias e vírus são muito sensíveis à radiação ultravioleta, bastando doses efetivas da ordem de 20 mWs.cm-2 para inativar a maioria das espécies. Entretanto, o mesmo não pode ser dito de protozoários e helmintos, dotados de proteções naturais que permitem sua sobrevivência em ambientes adversos (Gonçalves et al. 2003).
As formas encistadas dos protozoários e os ovos de helmintos são muito resistentes às radiações ultravioleta, exigindo doses extremamente elevadas e, na maioria dos casos, antieconômicas, para resultar em eficiente inativação. Portanto, esses organismos devem ser retidos ou eliminados nas etapas do tratamento que precedem a desinfecção ultravioleta, o que, em função das consideráveis proporções, geralmente ocorre por sedimentação ou filtração (Gonçalves et al. 2003).