Comparação da eficácia de dois biocidas (carbamato e glutaraldeído) em sistemas de biofilme

Abstract

Os circuitos de água industrial constituem locais altamente favoráveis para o desenvolvimento e proliferação de microrganismos. Consequentemente, a formação de biofilmes nos equipamentos e tubagens é um processo quase impossível de impedir. Durante muitos anos, a existência de biofilmes foi quase que ignorada. Quando, finalmente, se reconheceu que a maioria dos problemas associados ao sujamento eram de origem microbiana, rapidamente se começaram desenvolver estratégias de controlo que englobam, essencialmente, a aplicação de produtos químicos com propriedades antimicrobianas. Com o presente trabalho pretendeu-se investigar a eficácia de dois biocidas, carbamato e glutaraldeído, em sistemas de biofilme, como forma de delinear a estratégia mais efectiva da sua aplicação. O trabalho experimental desenvolvido em laboratório foi complementado, na fase final, com ensaios realizados numa indústria de pasta e papel. A adesão inicial de Pseudomonas fluorescens ao aço inox foi favorecida com a aplicação de carbamato, pois este modificou a carga superficial das bactérias para valores positivos ou nulos, facilitando então o processo de adesão. Esta alteração não foi observada com o glutaraldeído. A adição de carbamato também induziu a formação de agregados bacterianos fazendo surgir a possibilidade deste biocida poder também ser usado como um agente de agregação microbiana, nomeadamente na indústria da pasta e do papel. Esta possibilidade foi investigada, tendo-se provado que o carbamato possui potencialidades que o assemelham aos convencionais agentes de retenção, pois a sua adição a suspensões de pasta e papel originou índices de retenção celular bastante elevados. O glutaraldeído mostrou ser, em termos de efeito letal e nas condições testadas, o biocida mais eficiente pois causou reduções de actividade respiratória de P. fluorescens significativamente superiores às obtidas com o carbamato. Este facto foi observado quer quando as bactérias cresceram em suspensão quer quando formaram biofilme. A supremacia antimicrobiana do glutaraldeído também foi observada quando se incluíram partículas abióticas (caulino) nas culturas bacterianas e quando se promoveu a formação de biofilmes na presença das mesmas partículas. A presença de caulino nas suspensões celulares estimulou claramente a actividade respiratória de P. fluorescens, para todos os valores de pH testados. Esta acção estimuladora também se fez sentir quando as bactérias se constituíram em biofilme. Refira-se até que, neste caso, o efeito estimulador foi mais significativo do que quando as bactérias se desenvolveram em suspensão. O caulino, quando incluído nas suspensões bacterianas, interferiu negativamente com o desempenho dos biocidas, interferência essa pouco pronunciada no caso do glutaraldeído e mais significativa no caso do carbamato, Os resultados também demonstraram que o caulino removeu o carbamato do meio líquido, diminuindo consequentemente a sua disponibilidade para as bactérias. Este efeito parece estar associado à adsorção química do biocida nas partículas de argila. Quando aplicados a biofilmes, os biocidas mostraram ser mais eficientes na redução da actividade bacteriana dos biofilmes do que na redução da biomassa acumulada, podendo-se concluir que, nas condições testadas, a acção dos biocidas é mais marcada na desinfecção dos biofilmes do que na sua remoção das superfícies metálicas. Estes resultados realçaram a importância de, conjuntamente com os biocidas, se implementarem métodos físicos de limpeza. Ambos os biocidas demonstraram também ser mais eficazes na redução da actividade respiratória das P. fluorescens em suspensão do que quando estas bactérias estavam constituídas em biofilme. Esta diferença de eficiência está geralmente associada ao desenvolvimento de formas de resistência por parte do biofilme. Os ensaios realizados na indústria corroboraram os resultados obtidos em laboratório, isto é, ambos os biocidas voltaram a ser mais eficientes na redução da população microbiana em suspensão nas “águas brancas” do que na remoção de massa dos depósitos. O glutaraldeído mostrou, novamente, ser mais eficaz do que o carbamato. No entanto, o carbamato confirmou possuir capacidade de aglomeração celular uma vez que, a carga microbiana em suspensão diminuiu consideravelmente quando a água branca, tratada com carbamato, foi filtrada. Esta acrescida redução dos microrganismos, que não pode ser menosprezada, caracteriza, decididamente, o carbamato como um ajudante de agregação e sugere que o uso dos convencionais ajudantes de retenção pode ser eficiente no controlo dos efeitos microbianos indesejáveis. Este tipo de abordagem, do ponto de vista ambiental, seria preferível, porque o potencial de formação de biofilme seria reduzido sem a introdução de compostos tóxicos nos sistemas de água.

Os circuitos de água industrial constituem locais altamente favoráveis para o desenvolvimento e proliferação de microrganismos. Consequentemente, a formação de biofilmes nos equipamentos e tubagens é um processo quase impossível de impedir. Durante muitos anos, a existência de biofilmes foi quase que ignorada. Quando, finalmente, se reconheceu que a maioria dos problemas associados ao sujamento eram de origem microbiana, rapidamente se começaram desenvolver estratégias de controlo que englobam, essencialmente, a aplicação de produtos químicos com propriedades antimicrobianas. Com o presente trabalho pretendeu-se investigar a eficácia de dois biocidas, carbamato e glutaraldeído, em sistemas de biofilme, como forma de delinear a estratégia mais efectiva da sua aplicação. O trabalho experimental desenvolvido em laboratório foi complementado, na fase final, com ensaios realizados numa indústria de pasta e papel. A adesão inicial de Pseudomonas fluorescens ao aço inox foi favorecida com a aplicação de carbamato, pois este modificou a carga superficial das bactérias para valores positivos ou nulos, facilitando então o processo de adesão. Esta alteração não foi observada com o glutaraldeído. A adição de carbamato também induziu a formação de agregados bacterianos fazendo surgir a possibilidade deste biocida poder também ser usado como um agente de agregação microbiana, nomeadamente na indústria da pasta e do papel. Esta possibilidade foi investigada, tendo-se provado que o carbamato possui potencialidades que o assemelham aos convencionais agentes de retenção, pois a sua adição a suspensões de pasta e papel originou índices de retenção celular bastante elevados. O glutaraldeído mostrou ser, em termos de efeito letal e nas condições testadas, o biocida mais eficiente pois causou reduções de actividade respiratória de P. fluorescens significativamente superiores às obtidas com o carbamato. Este facto foi observado quer quando as bactérias cresceram em suspensão quer quando formaram biofilme. A supremacia antimicrobiana do glutaraldeído também foi observada quando se incluíram partículas abióticas (caulino) nas culturas bacterianas e quando se promoveu a formação de biofilmes na presença das mesmas partículas. A presença de caulino nas suspensões celulares estimulou claramente a actividade respiratória de P. fluorescens, para todos os valores de pH testados. Esta acção estimuladora também se fez sentir quando as bactérias se constituíram em biofilme. Refira-se até que, neste caso, o efeito estimulador foi mais significativo do que quando as bactérias se desenvolveram em suspensão. O caulino, quando incluído nas suspensões bacterianas, interferiu negativamente com o desempenho dos biocidas, interferência essa pouco pronunciada no caso do glutaraldeído e mais significativa no caso do carbamato, Os resultados também demonstraram que o caulino removeu o carbamato do meio líquido, diminuindo consequentemente a sua disponibilidade para as bactérias. Este efeito parece estar associado à adsorção química do biocida nas partículas de argila. Quando aplicados a biofilmes, os biocidas mostraram ser mais eficientes na redução da actividade bacteriana dos biofilmes do que na redução da biomassa acumulada, podendo-se concluir que, nas condições testadas, a acção dos biocidas é mais marcada na desinfecção dos biofilmes do que na sua remoção das superfícies metálicas. Estes resultados realçaram a importância de, conjuntamente com os biocidas, se implementarem métodos físicos de limpeza. Ambos os biocidas demonstraram também ser mais eficazes na redução da actividade respiratória das P. fluorescens em suspensão do que quando estas bactérias estavam constituídas em biofilme. Esta diferença de eficiência está geralmente associada ao desenvolvimento de formas de resistência por parte do biofilme. Os ensaios realizados na indústria corroboraram os resultados obtidos em laboratório, isto é, ambos os biocidas voltaram a ser mais eficientes na redução da população microbiana em suspensão nas “águas brancas” do que na remoção de massa dos depósitos. O glutaraldeído mostrou, novamente, ser mais eficaz do que o carbamato. No entanto, o carbamato confirmou possuir capacidade de aglomeração celular uma vez que, a carga microbiana em suspensão diminuiu consideravelmente quando a água branca, tratada com carbamato, foi filtrada. Esta acrescida redução dos microrganismos, que não pode ser menosprezada, caracteriza, decididamente, o carbamato como um ajudante de agregação e sugere que o uso dos convencionais ajudantes de retenção pode ser eficiente no controlo dos efeitos microbianos indesejáveis. Este tipo de abordagem, do ponto de vista ambiental, seria preferível, porque o potencial de formação de biofilme seria reduzido sem a introdução de compostos tóxicos nos sistemas de água.

The industrial water circuits represent favourable environments for the growth and proliferation of a large range of microrganisms. Therefore, it is quite impossible to prevent biofilm formation in the equipment and pipes. For many years, the biofilms were often ignored. When it was realised that the great majority of the fouling problems were related to the microbial activity inside the biofilms, several biofilm control strategies were developed. These strategies usually comprise antimicrobial chemical substances. The main goal of this work was to investigate the effect of two biocides, carbamate and glutaraldehyde, in biofilm systems, in order to elaborate the most effective strategy for the application of these two chemicals. The experimental work carried out in well defined laboratory conditions was reinforced with industrial tests performed in a pulp and paper industry. The initial adhesion tests showed that carbamate improved the bacterial adhesion to the metal surface, since it shifted the Pseudomonas fluorescens electrical charge to neutral or positive values. The same effect was not observed with the application of glutaraldehyde. The addition of carbamate also promoted the formation of microbial aggregates and its adhesion to the metal substratum. These results suggested that carbamate could be used as an aggregation agent, namely in the in the pulp and paper industry. This possibility was investigated and the potential for using carbamate as a retention agent was proved, since carbamate significantly enhanced the cell retention on the cellulose fibres. In this work, glutaraldehyde proved to be, in terms of lethal effect, more efficient than carbamate, since it caused a greater reduction in the bacterial activity. This fact was observed in the suspended bacterial cultures as well as in P. fluorescens biofilms. This more aggressive action of the glutaraldehyde was also noted when kaolin was introduced in the suspended cultures and when biofilms were formed in the presence of the clay. The presence of the kaolin particles in the bacterial suspended cultures stimulated the respiratory activity of the bacteria, for all the pH values tested. This stimulatory effect was also observed when the bacteria were embedded in a biofilm and it seemed to be more significant in this last situation. The kaolin, when introduced in the bacterial suspensions, negatively affects the biocide performance, this effect being more pronounced in the case of carbarmate and at a less extent in the case of glutaraldehyde. The results also showed that kaolin was very effective in removing carbamate from the solution, thus decreasing its availability to bacteria. This removal effect seemed to be due to the chemical adsorption of carbarmate on the kaolin particles. When applied against biofilms, both biocides showed to be more efficient in the reduction of the bacterial activity than in the reduction of the biomass attached to the substrata. Therefore, it can be concluded that the antimicrobial action of these biocides was more marked in disinfecting biofilms than in removing the biological fouling layers. These findings called the attention to the need to implement, together with biocides, physical methods of biofilm cleaning. The tests performed in the pulp and paper industry corroborated the results obtained with the laboratory assays. In fact, both biocides proved to be more effective in reducing the microbial loading of the “white water” circuit than the deposit accumulated on the steel surfaces. Glutaraldehyde proved to be more effective than carbamate. Carbamate, in contrast to glutaraldehyde, confirmed to have the ability of promoting cell agglomeration since the microbial loading decreased much more when the white water, treated carbamate, was filtered. This fact represents an increase in the overall microbial reduction obtained with the carbamate. These results suggest that the use of conventional retention agents in pulp and paper processes can be efficient in controlling unwanted microbial effects. Such methodology is environmental preferable because it reduces the potential for biofilm accumulation without having to put strong toxic compounds in the water system.