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09 a 11 de dezembro de 2015
Auditório da Universidade UNIT
Aracaju - SE
USO DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA SUPORTADA EM POLIAMIDA 66
NA DESINFECÇÃO DE ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO
Lorena Fernanda Altava Cara 1, Adrieny Taliny Comper 2 , Eduardo Bello Rodrigues3, Everton Skoronski4 ,
Mylena Fernandes5, André Lourenço Nogueira6, Luciano André Deitos Koslowski7
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Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC, Ibirama,, Brasil, lorena.cara@outlook.com
2
Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC, Ibirama, Brasil, adri.comper@hotmail.com
3
Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC, Ibirama, Brasil, eduardo.rodrigues@udesc.br
4
Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC, Lages, Brasil, everton.skoronski@udesc.br
5
Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC, Lages, Brasil, mylena.fernandes@gmail.com
6
Universidade da Região de Joinville-UNIVILLE, Joinville, Brasil, andre.nogueira@univille.br
7
Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC, Ibirama, Brasil, luciano.koslowski@udesc.br
Resumo
No decorrer dos últimos anos, intensas pesquisas foram realizadas com a utilização de prata na desinfecção de água, o objetivo principal tem sido o seu potencial para aprimorar processos convencionais de tratamento de água [1]. Conforme reportado por Alizadeh (2013) [2], diferentes estudos têm apresentado resultados da atividade antimicrobiana das nanopartículas de prata em bactérias como Escherichia coli, no entanto, íons de prata têm apenas uma utilização antimicrobiana limitada devido à sua elevada toxidade e baixa estabilidade. Neste trabalho, foi avaliada a eficiência na desinfecção da água empregando nanoparticulas de prata funcionalizadas (AgNPs) em percentual de 0.50% em massa em matriz polimérica (poliamida-66), para o tempo de residência de 3 horas. Os ensaios foram realizados empregando a metodologia preconizada no ASTM 9222-D, 2001 [3], avaliando as análises microbiológicas de coliformes fecais, especificamente a E.coli. Observou-se que após 24 horas de incubação, as amostras com 0,5% de AgNPs, sob agitação à temperatura ambiente (25°C) e 35°C, apresentaram respectivamente 97,24% e 100% de ação antibacteriana e em repouso 81,65%, e 100% para as mesmas temperaturas quando avaliado o índice de unidades formadoras de colônia (UFC) por 100 mL com a amostra branco. Os pellets funcionalizados foram submetidos a ensaios de lixiviação para avaliar a taxa de migração da prata para a água empregando-se a técnica de Espectroscopia de Massa Atômica com Plasma Induzido (ICP-MS). Pode-se observar que a concentrações de 0,05% e 0,10% de AgNPs, na matriz polimérica, apresentaram valores de detecção inferior ao limite reportado pelo Conama 357/2005 (0,010 mg/L para a prata) e superior para a concentração de 0,50% (0,052 mg/L).
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1. INTRODUÇÃOO crescimento populacional e as atividades industriais estão diretamente associados à degradação ambiental da biosfera. Presume-se que o ambiente aquático seja o mais prejudicado porque é o sistema que recebe a maioria dos poluentes gerados pelas atividades humanas. A poluição é a alteração de alguma qualidade ambiental a qual a comunidade exposta é incapaz de neutralizar os efeitos negativos, sendo algum tipo de risco identificado. Conforme reportado por Nascimento e Araújo (2013) [4], a qualidade da água doce diminuiu acentuadamente nos últimos anos devido a ações antrópicas, principalmente ligadas ao descarte de esgotos, devido à presença de uma diversidade de microrganismos presentes na microbiota intestinal humana, como os membros da família Enterobacteriaceae que apresentam características patogênicas resultando em infecções no organismo humano.
Bioindicadores são espécies, nas quais a presença, quantidade e distribuição sugerem um impacto em potencial a um ecossistema aquático e sua bacia de drenagem, permitindo assim uma avaliação detalhada dos efeitos ecológicos causados por meio da poluição [5]. Para a análise da água, utiliza-se a bactéria E.coli como organismo indicador. A bactéria E. coli é o indicador ideal quando se deseja avaliar a contaminação de origem fecal, pois sua presença sugere possível contaminação, ocasionando em decréscimo da qualidade microbiológica.
A ciência da nanotecnologia tem despertado interesse significativo de linhas de pesquisa no âmbito das aplicações dos nanomateriais [6].
No decorrer dos últimos anos, intensas pesquisas foram realizadas com a utilização da prata na desinfecção de água, cujo objetivo principal tem sido a sua aplicação em processos convencionais de tratamento de água [1].
Conforme reportado por Alizadeh (2013) [2], diversos estudos têm sido realizados resultantes da atividade antimicrobiana das nanopartículas de prata em bactérias como Escherichia coli, Pseudonomas aeruginosa e Salmonela
typhy. No entanto, íons prata têm sua utilização antimicrobiana limitada devido à sua elevada toxicidade e baixa
estabilidade. Estas limitações podem ser minimizadas utilizando-se nanopartículas de prata estáveis. Estudos sugerem que as nanopartículas de prata rompem a superfície da membrana celular e se difundem para o interior da bactéria. No entanto, existem algumas hipóteses não conclusivas sobre o mecanismo de ação, sendo necessário avaliar a ação sinergética no modo de atuação na atividade antibacteriana [7].
Neste contexto, o uso da nanotecnologia no tratamento de água e de efluentes promove não somente a superação dos desafios enfrentados pelas tecnologias convencionais de tratamento, mas também possibilita o desenvolvimento de processos de baixo custo para a produção de AgNPs aplicadas na formulação de novos tipos de materiais bactericidas [8-9].
2. OBJETIVO
Incorporar nanopartículas de prata em poliamida 66;
Realizar ensaios microbiológicos a fim de testar a eficiência antimicrobiana do material;
Avaliar a lixiviação da prata para o meio através de ensaios de ICP.
3. MÉTODOS E MATERIAIS
3.1 Reagentes
A síntese das nanopartículas de prata foi realizada empregando-se o nitrato de prata (Cennabras, Brasil) como sal
metálico precursor, borohidreto de sódio (NaBH4, marca Cinética) como agente redutor e uma cera de silicone contendo
grupos funcionais amina (Quimisa, 14% em massa de material ativo) como agente estabilizante e funcionalizante da
dispersão de prata coloidal. Sílica em pó com granulometria de 5 m (classe 244 FP, Grace Division) foi utilizado como
suporte para imobilizar as nanopartículas de prata e permitir que as mesmas fossem incorporadas em pellets de poliamida 66 adquiridas à empresa Cristal Master.
3.2 Síntese
As reações de síntese das nanopartículas de prata realizadas no presente estudo foram conduzidas em um reator de
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agitação controladas (600 RPM). De acordo com o procedimento adotado, inicialmente preencheu-se o reator com 180 ml de água deionizada e, posteriormente, adicionou-se o sal do metal precursor e o agente estabilizante. Após a completa dissolução do sal metálico e mistura com a agente estabilizante, 20 ml de uma solução aquosa gelada contendo o agente redutor, borohidreto de sódio, foi adicionada ao meio reacional com vazão controlada por uma
bureta. Uma razão molar de 1,0:0,5 entre o AgNO3 e o NaBH4 foi empregada nas sínteses e as quantidades destes
reagentes foram calculadas do modo a se obter uma concentração molar de 9,3 e 4,74 mmol/L do sal precursor e do agente redutor, respectivamente, ao final da dosagem deste último. Uma concentração mássica de 0,84 g/L de material ativo da cera de silicone contendo grupos funcionais amina foi utilizada para estabilizar e funcionalizar as nanopartículas de prata produzidas. Ao término da dosagem do agente redutor, manteve-se o sistema sob agitação por 10 minutos para garantir o término da reação. Na Figura 1 é apresentado o sistema reacional empregado nas sínteses das nanopartículas de prata.
Figura 1 Reator de boro-silicato utilizado. Fonte própria.
Na etapa seguinte à síntese das nanopartículas de prata funcionalizadas com moléculas de aminosilano, a sílica em pó foi adicionada à dispersão coloidal no reator, e a suspensão originada foi mantida sob agitação de 600 RPM por 30 minutos para permitir a adsorção dos colóides de prata na superfície da sílica. Após este período, a agitação foi desligada e a suspensão de micropartículas de sílica funcionalizadas com as nanopartículas de prata foi transferida para um funil de separação de 200 ml de capacidade para sedimentação e posterior separação da fase sólida.
Posteriormente à separação dos sólidos sedimentados do sobrenadante, os mesmos foram submetidos submetida a um processo de secagem em estufa à 50°C por 48 horas. Após a completa secagem da sílica funcionalizada, obteve-se um pó de coloração amarronzada, conforme mostrado na Figura 2, que foi posteriormente utilizado como aditivo antibacteriano para a produção dos nanocompósitos poliméricos usados na desinfecção da água.
Figura 2 – Pó de sílica contendo nanopartículas de prata obtido após a etapa de secagem. Fonte própria.
A incorporação do pó de sílica funcionalizado com as nanopartículas de prata na poliamida 66 foi realizada em uma extrusora da marca Cristal Master Modelo GR 001 operando com uma temperatura de 250°C e velocidade de
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dosagem de 12,60 RPM. Os filamentos de poliamida contendo as nanopartículas de prata foram alimentados em um granulador da marca SAGEC Modelo S650/2 para a obtenção de pellets do nanocompósito e concentrações de 0,05% em massa da sílica funcionalizada com as nanopartículas de prata, conforme apresentado na Figura 3.
Figura 3 – Pellets do nanocompósito de poliamida 66 contendo 0,05 % em massa. Fonte própria.
3.3 Ensaio microbiológico 3.3.1 Ensaio qualitativo
Os pellets poliméricos funcionalizados com as nanopartículas de prata foram submetidos a ensaios microbiológicos de caráter qualitativo utilizando-se a bactéria Gram negativa E.coli como bioindicador de contaminação fecal.
Inicialmente, uma solução concentrada de E.coli foi preparada realizando-se 5 diluições sucessivas, nas quais um 1 ml de solução concentrada foi inserida em 9 ml de água estéril. Assumiu-se que o emprego desta técnica permitiu simular uma demanda de concentração de bactérias em meio aquoso próxima às encontradas em águas para consumo, sem tratamento prévio com alta concentração de contaminação fecal.
Em seguida, 1,0 ml de solução diluída de E.coli, com nanopartíulas de prata funcionalizadas em concentração de 0,05%, foram mantidos sob agitação por 3 horas, e inoculados em uma placa de Petri com meio de cultura MacConkey, próprio para o crescimento bacteriano em questão. Em outra placa, com o mesmo meio de cultura, 1,0 ml da solução bacteriana, sem as nanopartículas de prata, denominada de “branco”, foi inoculada. O teste foi realizado em duplicata, e após inoculação, as amostras foram incubadas por 24 horas a 35°C e comparadas sob o parâmetro de crescimento de colônias.
3.3.2 Cinética de decaimento
Determinou-se a equação de cinética de decaimento bacteriano por meio dos resultados obtidos em laboratório referentes à porcentagem de decaimento bacteriano nas condições de repouso e agitação.
A escolha da ordem de reação foi determinada por meio do coeficiente de correlação e Pearson, R2, que mede o
grau da correlação linear entre duas variáveis quantitativas. É um índice adimensional com valores situados entre 0 e 1, que reflete a intensidade de uma relação linear entre dois conjuntos de dados.
3.4 Ensaio quantitativo
Os ensaios microbiológicos quantitativos foram realizados empregando-se a Técnica em Fermentação de Tubos Múltiplos (TFTM). Conforme referenciado por Apha (1998) [10], nesta técnica, após homogeneização, alíquotas ou diluições do produto a ser analisado são transferidas para tubos de ensaios contendo um meio de cultura apropriado, e um tubo coletor de gás (tubo de Durhan). Todos os tubos são incubados e, posteriormente, os positivos com relação ao crescimento bacteriano são identificados. Posteriormente, as amostras que apresentarem resultado positivo, devem ser submetidas a 5 diluições, e subdivididas em 5 grupos com 5 tubos de ensaio cada, contendo o meio de cultura próprio.
No presente estudo, os ensaios microbiológicos quantitativos por TFTM foram conduzidos utilizando-se a bactéria Gram negativa E. coli. Após o intervalo de 24 horas de incubação, os tubos com as respectivas diluições foram submetidos à luz ultravioleta para identificar aqueles com luminescência azul e, consequentemente, aqueles com a presença de E.coli.
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3.5 Ensaio ICP-MSA técnica ICP-MS (Espectroscopia de massa atômica de plasma acoplado indutivamente) foi utilizada para quantificar a concentração de íons de prata lixiviados dos pellets de poliamida com AgNPs após 3 horas de contato com as amostras de água contaminadas com E. coli. O teste de lixiviação de prata foi realizado pelo Laboratório Beckauser e Barros (LABB) da cidade de Blumenau/SC. Procedeu-se a preparação de 0,05% em massa de prata no substrato
polimérico para a determinação de Ag+ com a adição de Ródio como padrão interno na concentração de 5 µg/L, e de
HNO3 na proporção 1% v/v. A mesma metodologia foi empregada para as soluções de calibração e para a amostra
denominada “branco”. Utilizou-se a nebulização pneumática e gás argônio 99,996%.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Em termos de resultados qualitativos, após o período de incubação, verificou-se um significativo crescimento bacteriano na placa contendo a amostra “branco”. A placa com a presença da solução tratada com nanopartículas de prata não apresentou crescimento bacteriano conforme a presentado na Tabela 1.
Tabela 1 Comparação entre placas. Fonte própria.
Amostra Branco após 24 horas Amostra com AgNPs após 24 horas
Os resultados apresentados na Tabela 1 indicam que não ocorreu crescimento de colônias de bactérias tipo
E.coli, no meio na presença de nanopartículas de prata.
Por meio das análises quantitativas, de acordo com a Figura 4, realizou-se uma comparação de coloração nos tubos múltiplos. O tubo situado à direita, com coloração verde, indica que não há presença de E.coli enquanto que o da esquerda como coloração azul indica a presença de E.coli.
Figura 4 - Luminescência azulada indicando a presença de E.coli. Fonte própria.
De acordo com os resultados obtidos calculou-se a média aritmética entre as duplicatas, das amostras branco em comparação com as amostras contendo AgNPs, sob as mesmas condições de temperatura, tempo de residência e agitação. Os resultados obtidos em termos de porcentagem de redução são apresentados na Tabela-2 a seguir.
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Tabela 2 Porcentagem de redução de E.coli das amostras sob mesmas condições de temperatura e tempo de residência sem e com agitação.
Temperatura
Sem agitação Agitação
1 hora 2 horas 3 horas 1 hora 2 horas 3 horas
25°C 17,65% 33,33% 72,09% 20,00% 74,70% 86%
35°C 18,60% 51,43% 85,37% 21,42% 79,28% 90,85%
Como se pode observar na Tabela 2, uma temperatura mais elevada (35°C) sob condição de agitação, tempo de residência de 2 horas e 3 horas respectivamente, apresentou resultado mais significativo na redução de UFC/100ml. Conforme reportado por Serrano (1997) [11], esta redução pode ser relacionada ao aumento da temperatura que acelera o metabolismo e a reação antimicrobiana da nanopartículas de prata, rompendo rapidamente a membrana celular da bactéria em questão.
A baixa eficiência no processo de desinfecção para o tempo de detenção de 2 horas sugere que o agente antimicrobiano necessita de um tempo de detenção mais prolongado para garantir o processo de desinfecção da água.
No caso do sistema apresentar ausência de agitação, sugere-se que o comportamento de decaimento ocorre de
forma exponencial. Esta informação é bastante pertinente já que está relacionada ao valor de R2 próximo de 1
encontrado. A equação-1 representa o comportamento desta reta. y = 0,1631e0,5574x (1)
A equação acima apresenta um decaimento exponencial sendo função da concentração inicial de bactérias indicadoras, do tempo e da taxa de decaimento do microrganismo calculada pelo modelo de decaimento. O temo x refere-se ao tempo expresso em horas, ou seja, por meio da equação 1, pode-se calcular qual será a eficiência de decaimento para a condição de repouso para qual quer tempo de residência.
Para a condição de repouso e temperatura de 25°C, o coeficiente de correlação de Pearson mostrou-se equivalente a 0,9349. A equação-2 é referente a curva exponencial de comportamento da amostra nas condições citadas. y = 0,1358e0,5295x (2)
Os resultados na temperatura de 35°C apresentaram valores satisfatórios, comparativamente aos ensaios à temperatura de 25°C, visto que, dos fatores físicos que afetam o crescimento microbiano, a temperatura é um dos parâmetros mais significativos em termos de seleção das espécies [12]. Entretanto, as porcentagens de eficiência são inferiores nas amostras que não foram submetidas à agitação. Pode-se justificar que a prata metálica apresenta elevada área superficial por volume, relação que acelera a cinética de oxidação principalmente em agitação constante, aumentando a libertação de íons de prata potencializando a ação bactericida.
Na condição de agitação, obteve-se curvas com comportamento logarítmico com coeficientes R2, para as
temperaturas de 25°C e 35°C semelhantes. O comportamento logarítmico da função de eficiência de decaimento bacteriano para a condição de agitação, reportado por Santos (2012) [13], cujas unidades de tratamento de águas residuárias apresentam decaimento bacteriano decrescente, sendo observada uma remoção média de uma unidade logarítmica.
Considerando ambas as condições de temperatura, obteve-se equações semelhantes com coeficientes de correlação próximos de 0,95.
Percebe-se que a equação que apresenta maior confiabilidade de modelagem é a aquele referente ao decaimento sem agitação à temperatura de 35°C. O resultado sugere que para qualquer tempo de residência pode-se calcular a porcentagem de decaimento substituindo o valor de x pelo tempo desejado.
Conforme os dados apresentados nas análises microbiológicas quantitativas, percebe-se que para as condições de agitação e de repouso, as amostras submetidas à temperatura de 35°C e mesmo tempo de residência, apresentaram
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resultados de ação antimicrobiana mais satisfatórios. De acordo com Liu (2010) [14], em trabalhos anteriores, produtos catalisados por prata, mostraram-se altamente influenciados pelo teor de prata no meio de desinfecção e pela temperatura. Portanto, uma possível análise para esse resultado é a influência da elevação da temperatura na cinética de desinfecção, pois as AgNPs, estabelecem ligações químicas com o enxofre e o fósforo presentes no DNA, impedindo a divisão celular, causando a morte da bactéria [15-16].
Os resultados obtidos com a desinfecção sob agitação evidencia uma importante influência desta variável relacionada ao efeito do aumento do tempo de contato da superfície de AgNPs com as bactérias conforme observado na Tabela-2.
De maneira geral, a não ser na condição de repouso e tempo de residência de 2 horas, as demais amostras apresentaram, índices de redução de E.coli significativos, sugerindo que o método é eficaz para a desinfecção de águas de abastecimento. Porém vale ressaltar, que a portaria 2914 do Ministério da Saúde não permite a presença de E.coli na água.
Os testes de ICP-MS (Espectroscopia de Massa Atômica com Plasma Induzido) com as nanopartículas de AgNPs. Na concentração de 0,05% em massa apresentaram lixiviação de prata abaixo do estabelecido pela portaria Conama 357/2005 cujo valor limite é de 0,010 mg/L. [17].
5. CONCLUSÕES
Por meio dos ensaios de lixiviação pode-se utilizar um referencial padrão de concentração para as AgNPs sem efeitos tóxicos conforme a legislação vigente, CONAMA 357/2005 [18], além de verificar que o suporte escolhido, a poliamida 66, não se mostrou adequado devido da prata para a água.
Assim como nos artigos base de referência, as nanopartículas de prata apresentaram relevante atividade antimicrobiana, principalmente para o tempo de residência de 3 horas sob condição de agitação e temperatura de 35°C com curvas de decaimento típicas de segunda ordem, conforme relatado por Van Sperling (2002) [19].
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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