Eficacia antimicrobiana y de auto-limpieza de superficies funcionalizadas con nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titanio (TiO2)

Eficacia antimicrobiana y de auto-limpieza de superficies funcionalizadas con nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titanio (TiO2)

11/10/2017

Eficacia antimicrobiana y de auto-limpieza de superficies funcionalizadas con nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titanio (TiO2)



Autor: Blanca Jalvo Sánchez

Blog: www.madrimasd.org

 

  • Blanca Jalvo Sánchez. Grupo de Ingeniería Química, Universidad de Alcalá
 


Antecedentes

 
La necesidad de preservar el medio ambiente ha llevado a la búsqueda de nuevos métodos para la eliminación eficiente de compuestos químicos, así como nuevas estrategias para evitar la formación de biopelículas de microorganismos, que alteran la estabilidad de nuestros recursos.
 
La contaminación del agua es un hecho de gran importancia ya que los contaminantes pueden acumularse y transportarse tanto por las aguas superficiales como subterráneas para las cuales la fuente principal de daño son las aguas residuales municipales e industriales.
 
El grupo de Ingeniería Química de la Universidad de Alcalá, en colaboración con investigadores del Centro de Catálisis y Petroleoquímica ICP-CSIC, ha desarrollado distintos recubrimientos con nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titanio (TiO2) con el fin de crear superficies con capacidad de autolimpieza y propiedades antibacterianas en respuesta a la irradiación con luz ultravioleta y a la simulación de luz solar.
 

 Fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio (TiO2)

 
El tratamiento y/o purificación de aguas mediante fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio (TiO2) como catalizador es, hoy por hoy, una de las aplicaciones fotoquímicas que más interés ha despertado entre la comunidad científica internacional.
 
Por un lado, la fotocatálisis heterogénea, a diferencia de la mayoría de los procesos fotoquímicos, no es selectiva y puede emplearse para tratar mezclas complejas de contaminantes y, por otro, la posibilidad de la utilización de la radiación solar como fuente primaria de energía, le otorga un importante y significativo valor medioambiental. El proceso, constituye un claro ejemplo de tecnología sostenible.
 
La fotocatálisis consiste en la aceleración de una fotorreacción mediante un catalizador activado por la absorción de luz visible o UV. Cuando las nanopartículas de TiO2 son fotoexcitadas, ocurre una promoción de electrones de la banda de valencia a la de conducción, lo que a su vez forma un hueco positivo en dicha banda de valencia. Tanto el electrón promovido como el hueco pueden participar en reacciones redox con especies químicas (debido a que el hueco es fuertemente oxidante y el electrón en la banda de conducción es moderadamente reductor) generando diversas especies reactivas de oxígeno (ROS), tales como –HO, O2- y H2O2 (figura 1).
 
 
Figura 1.  Mecanismo simplificado del proceso de fotocatálisis en las nanopartículas de TiO2
 
 

Aplicaciones del TiO2

 
El TiO2 ha sido ampliamente estudiado en la eliminación de diversos contaminantes orgánicos e inorgánicos, comprobándose su estabilidad a lo largo de numerosos ciclos, no obstante, siguen existiendo diversas limitaciones que dirigen nuevos esfuerzos al aumento de la eficiencia del proceso de fotocatálisis. En este contexto, el diseño de nuevos materiales fotocatalíticos y sus aplicaciones constituyen distintas líneas de investigación que, desde un enfoque multidisciplinar, permiten un desarrollo más amplio de la fotocatálisis heterogénea.
 
Más recientemente, la fotocatálisis heterogénea ha sido aplicada a la desinfección del agua mediante la desactivación de bacterias y virus [1, 2], aplicación especialmente atractiva para la potabilización de aguas en regiones con escasez de recursos hídricos y de limitado acceso a saneamientos adecuados.

 

Estudios realizados

 
Los investigadores del departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Alcalá han funcionalizado la superficie de dos materiales diferentes (vidrio y filtros de fibra de vidrio) con una suspensión de nanopatículas de TiO2 en su forma cristalina de anatasa. Los recubrimientos consistieron, por un lado en la deposición y extensión (smearing) de la suspensión de TiO2 sobre los materiales de vidrio y por otro, en la impregnación de dicha suspensión sobre los filtros de fibra de vidrio [3].
 
La degradación de compuestos orgánicos se determinó mediante la fotodegradación del colorante azul de metileno (AM), empleado para el tratamiento de la Metahemoglobinemia, irradiando las superficies funcionalizadas con luz UV-A (excitación a 365 nm). Los resultados obtenidos mostraron una fotooxidación del AM del 60% en el caso de los recubrimientos realizados sobre los materiales de vidrio y una fotooxidación completa del colorante en el caso de los recubrimientos realizados sobre los filtros, diferencia atribuida  una mejor dispersión del TiO2 en los últimos.
 
En cuanto a la actividad antibacteriana, esta se estudió mediante la viabilidad de dos cepas bacterianas modelo, Pseudomonas putida y Staphylococcus aureus, así como a través de la capacidad de eliminar biopelículas maduras de estas cepas previamente formadas. Para estos ensayos, se utilizó una lámpara de luz visible simulando la luz solar. Los resultados reflejaron, mediante marcaje fluorescente de las cepas, un efecto antibacteriano total debido a las ROS, altamente oxidantes, formadas durante el proceso de fotocatálisis. Sin embargo, pese a que los microorganismos resultaron no viables tras el tratamiento fotocatalítico, la irradiación de los recubrimientos no fue tan efectiva a la hora de eliminar la gran masa de bacterias adheridas, durante los periodos de no irradiación, en la superficie en forma de biopelículas maduras [3].
 
Hasta la fecha, la gran mayoría de los estudios de reducción de biopelículas sobre superficies fotocatalíticas se han centrado en el efecto de la fotocatálisis en las etapas tempranas de la formación de las mismas, cuando el proceso de adhesión es reversible, y no en las más avanzadas cuando esta adhesión se considera irreversible, como en este caso. El entendimiento del proceso de adhesión bacteriana, así como de la respuesta de los microorganismos a la modificación de las superficies es clave para conseguir la generación de nuevos materiales con actividades antibacterianas mejoradas. Objetivo en el que se encuentra trabajando actualmente el grupo de la Universidad de Alcalá.
 
 
REFERENCIAS
[1] M.B. Fisher, D.A. Keane, P. Fernandez-Ibanez, J. Colreavy, S.J. Hinder, K.G. McGuigan, S.C. Pillai, Nitrogen and copper doped solar light active TiO 2 photocatalysts for water decontamination, Applied Catalysis B: Environmental, 130 (2013) 8-13.
[2] D.A. Keane, K.G. McGuigan, P.F. Ibáñez, M.I. Polo-López, J.A. Byrne, P.S. Dunlop, K. O’Shea, D.D. Dionysiou, S.C. Pillai, Solar photocatalysis for water disinfection: materials and reactor design, Catalysis Science & Technology, 4 (2014) 1211-1226.
[3] B. Jalvo, M. Faraldos, A. Bahamonde, R. Rosal, Antimicrobial and antibiofilm efficacy of self-cleaning surfaces functionalized by TiO 2 photocatalytic nanoparticles against Staphylococcus aureus and Pseudomonas putida, Journal of Hazardous Materials, (2017).
 
 

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