Sewage bacteriophage photoinactivation by free and immobilized porphyrins

Abstract

A terapia fotodinâmica tem sido usada para inactivar microrganismos através do uso de fotosensibilizadores. Recentemente, tem sido referida a inactivação de bactérias em águas residuais mas não se sabe nada acerca da fotoinactivação de bacteriófagos ambientais, que são frequentemente utilizados como indicadores de vírus entéricos humanos. O obejctivo deste estudo foi avaliar a utilização de compostos porfirínicos para a inactivação de bacteriófagos de águas residuais. Para isso determinou-se o efeito do número de cargas (compostos com duas a quatro cargas) bem como da sua distribuição nos derivados porfirínicos na inactivação dos fagos. Avaliou-se ainda a influência de diferentes intensidades luminosas e de vários tempos de exposição à luz no processo de fotoinactivação. O melhor fotossensibilizador foi ainda testado na forma imobilizada em nano-partículas magnéticas com carga positiva e neutra. Suspensões de fagos tipo T4 isolados na ETAR de Aveiro (5 x 107 UFP ml-1) foram expostas a luz branca (40 W m-2), luz solar (600 W m-2) e a um feixe luminoso com 1690 W m-2, durante 270, 180 e 60 minutos, respectivamente, a três concentrações do fotossensibilizador livre (0.5, 1.0 e 5.0 M) e a três concentrações do fotossensibilizador suportado (5.0, 20 e100 M). As porfirinas tetra- e tricatiónicas inactivaram o fago tipo T4 até aos limites de detecção, mas as porfirinas dicatiónicas não produziram um decréscimo significativo na viabilidade do fago. Qualquer uma das três intensidades luminosas testadas inactivou completamente o fago (> 99.9999%, reduções na ordem dos 7 log), mas em tempos diferentes. Com o feixe luminoso, a inactivação ocorreu aos 25 minutos, mas para os dois outros tipos de luz (solar e branca) a inactivação do fago só foi observada aos 90 e 180 minutos de irradiação, respectivamente. As três formas de porfirina suportadasinactivaram o fago até aos limites de detecção, assim como observado para a forma livre da porfirina.A taxa de inactivação bacteriofágica variou não só com a carga e concentração do fotosensibilizador, mas também com a natureza dos grupos meso, a dose de intensidade luminosa e ainda com o tipo de materiais de suporte utilizados para imobilizar as porfirinas. A inactivação total de vírus, mesmo a baixas intensidades luminosas, indica que esta metodologia pode vir a ser aplicada na desinfecção de águas residuais sob condições de irradiação natural (luz solar), mesmo nos dias mais escuros. Este facto, associado à recuperação e possível re-utilização dos fotossensibilizadores imobilizados em matrizes sólidas, facilita a aplicação desta técnica, tornando-a mais económica e sem efeitos nocivos para o ambiente.

Photodynamic therapy has been used to inactivate microorganisms through the use of targeted photosensitizers. Recently, the inactivation of bacteria in residual waters has been reported, but nothing is known about photoinactivation of environmental bacteriophages, which are often used as indicators of human enteric viruses. The goal of this study was to evaluate the utilization of porphyrinic compounds for sewage bacteriophage photoinactivation. For that purpose we studied the effect of the number of charges (compounds with two to four charges), as well as their distribution on porphyrinic derivatives in phage inactivation. The influence of different light intensities and different irradiation periods in the photoinactivation process were also assessed. The best sensitizer was also tested in the supported form on magnetic nano-particles with positive and neutral charge. T4-like phage suspensions isolated from the ETAR of Aveiro (5 x 107 PFU ml-1) were exposed to white light (40 W m-2), solar light (600 W m-2) and to a led light (1690 W m-2), during 270, 180 and 60 minutes, respectively, at three concentrations of the free (0.5, 1.0 and 5.0 M) and immobilized photosensitizers (5.0, 20 and 100 M). Tetra- and tricationic porphryins inactivated the T4-like sewage phage to the limits of detection, but dicationic porphyrins did not lead to significant decrease in phage viability. All light sources tested completely inactivated the phage (> 99.9999%) after the respective total irradiation period, with reductions of about 7 log. With the led light, the inactivation occurred in 25 minutes, but for the other two sources of light (solar and white light) the phage inactivation was only observed after 90 and 180 minutes of irradiation. The three forms of immobilized porphyrin inactivated the phage to the limits of detection, as observed for the free form of the porphyrin. The rate of bacteriophage inactivation appeared to vary not only with the photosensitizers charge and concentration, but also with the nature of the meso-substituent groups, the light intensity dose and with the nature of the support materials used for the porphyrin immobilization. A complete viral inactivation, even at low light intensities, means that this methodology can be applied to the disinfection of residual waters under natural irradiation conditions (solar irradiation), even at dark days. This fact, associated to the recovery and possible re-utilization of the immobilized photosensitizers, turns this a less-expensive, easy applicable and environmental-friendly technology.