Солнечная дезинфекция Pseudomonas aeruginosa в собранных дождевых водах: шаг к устойчивости дождевой воды

1. Аннотация Эффективность солнечной дезинфекции Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) в дождевой воде,...
2. Материалы и методы
3. Микробный анализ
4. Разные измерения
5. Результаты и обсуждения
6. Таблица 1
7. Оценка солнечной радиации и температуры при разных погодных условиях
8. Влияние различных задних поверхностей ПЭТ-бутылок при разных погодных условиях в SODIS
9. Сравнение систем SODIS (Ref.) И SOCODIS по радиационному и температурному воздействию на микробную инактивацию
10. Влияние различных начальных концентраций P. aeruginosa на эффективность дезинфекции
11. Влияние присутствия кишечной палочки на дезинфекцию P. aeruginosa
12. Кинетика реакции
13. Таблица 2
14. Таблица 3
15. Влияние различных значений pH и мутности на эффективность дезинфекции
16. Заключение

Аннотация

Эффективность солнечной дезинфекции Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) в дождевой воде, собираемой на крыше, была оценена с целью обеспечения пригодности дождевой воды. Образцы дождевой воды подвергались воздействию прямых солнечных лучей в течение приблизительно 8–9 часов, и наблюдались эффекты температуры воды (° C), солнечного света (Вт / м2), различных задних поверхностей бутылок из полиэтилентерефталата, различных микробных концентраций, pH и мутности. на инактивацию P. aeruginosa при разных погодных условиях. При простой солнечной дезинфекции (SODIS) полная инактивация P. aeruginosa была получена только при солнечных погодных условиях (> 50 ° C и> 700 Вт / м2) с поглощающей задней поверхностью. Система дезинфекции от солнечного коллектора (SOCODIS), используемая для повышения эффективности простого SODIS в мягкую и слабую погоду, полностью инактивировала P. aeruginosa , увеличив эффективность дезинфекции примерно на 20% только в мягкую погоду. Однако системы SODIS и SOCODIS оказались неэффективными при слабой погоде. Различные начальные концентрации P. aeruginosa и / или Escherichia coli мало влияли на эффективность дезинфекции, за исключением SODIS с самыми высокими начальными концентрациями. Инактивация P. aeruginosa увеличилась примерно на 10–15% за счет снижения начальных значений рН с 10 до 3. Высокая начальная мутность, регулируемая добавлением каолина, отрицательно сказалась на эффективности обеих систем и уменьшении, примерно на 15–25%. ; в инактивации P. aeruginosa не наблюдалось. Кинетика этого исследования была исследована моделью Geeraerd для выявления наилучшей системы дезинфекции, основанной на константе скорости реакции. Уникальное детальное исследование дезинфекции P. aeruginosa с помощью систем дезинфекции на основе солнечного света при различных погодных условиях и различных параметрах поможет исследователям понять и усовершенствовать недавно изобретенную систему SOCODIS.

Вступление

Нехватка воды и адекватные рентабельные технологии очистки воды являются основными проблемами этой эпохи во всем мире. Согласно последней доступной информации, полученной в результате совместного исследования ЮНИСЕФ и ВОЗ, до сих пор 783 миллиона человек не имеют доступа к безопасным водным ресурсам. [1] , Использование загрязненной воды для приема внутрь, особенно во многих районах развивающихся стран, является основной причиной диареи и других заболеваний, передающихся через воду. Более 1,2 миллиона детей, большинство из которых моложе пяти лет, ежегодно умирают от диарейных заболеваний [2] , В настоящее время необходимы альтернативные источники воды и эффективные технологии очистки воды. Сбор дождевой воды (RWH) в качестве безопасного источника воды и экономичной системы солнечной дезинфекции (SODIS) имеет большое значение в этом отношении. [3] - [5] , Для эффективного использования собранной дождевой воды система RWH должна состоять из ее водосборного бассейна, резервуара для хранения, очистного сооружения, водозаборного сооружения и труб [6] , Крыша, являющаяся непроницаемой водосборной территорией, является хорошим источником для сбора дождевой воды. Однако микробное качество собранной дождевой воды может ухудшиться из-за возможного загрязнения при контакте с водосбором, что является одним из основных ограничений использования дождевой воды для питьевых целей. [7] , [8] , P. aeruginosa является частью микробной контаминации, которая считается ответственной за внутрибольничную инфекцию у людей с ослабленным иммунитетом [9] , Присутствие этого микроорганизма недопустимо, так как он вовлечен в болезни, передаваемые через воду и пищевые продукты, и в настоящее время считается основным инфекционным агентом. [10] , P. aeruginosa обнаружена в накопленной дождевой воде многими исследователями, что представляет серьезную проблему для здоровья водопользователей [11] - [15] ,

SODIS используется в качестве метода лечения на месте использования во многих частях мира. Считается, что солнечная энергия может быть использована для улучшения качества воды в тех частях света, которые испытывают жаркий солнечный климат [16] , [17] , Считается, что часть солнечного излучения, которая играет основную роль в генерировании антимикробной активности, представляет собой УФ-А, 315–400 нм, и в меньшей степени видимый фиолетовый и синий свет в диапазоне 400–490 нм. [18] , [19] , Кроме того, известно, что повышение температуры воды через солнечный коллектор работает синергетически с солнечным излучением для дальнейшего повышения эффективности процесса SODIS. [20] , [21] , Инактивация больших популяций микроорганизмов в сильно мутной воде (приблизительно 200 нефелометрических единиц мутности, NTU) может быть достигнута в течение 7 часов, если температура воды достигла не менее 55 ° C. [22] , Предыдущие исследования показали, что дети в возрасте от 5 до 16 лет, которые хранили питьевую воду в бутылках из полиэтилентерефталата (ПЭТ) объемом 1,5 литра под прямыми солнечными лучами, были менее подвержены диарее и другим болезням, передающимся через воду, по сравнению с детьми, которые держали их воду бутылки от солнца [23] , [24] , Эффективность систем SODIS и дезинфекции от солнечных коллекторов (SOCODIS) ранее была проверена на общую и фекальную кишечную палочку , Escherichia coli ( E. coli ) и HPC. [4] в то время как эффективность систем SODIS и SOCODIS была проверена на инактивацию P. aeruginosa в этом исследовании.

Текущее исследование фокусируется на собранной дождевой воде как потенциальном источнике питьевой воды с использованием экономически эффективной солнечной дезинфекции P. aeruginosa . Задачи включают усиление инактивации P. aeruginosa с использованием разной задней поверхности ПЭТ-бутылок и исследование эффективности солнечного коллектора в мягких и слабых погодных условиях при различных концентрациях исследуемого организма. Влияние различных начальных значений pH и мутности (скорректированных путем добавления каолина) на инактивацию P. aeruginosa также является важной частью этого исследования в дополнение к изучению влияния присутствия E. coli в различных концентрациях.

Материалы и методы

Места отбора проб и дезинфекция

Резервуар для дождевой воды был установлен в одном из учебных корпусов (инженерный корпус № 39) в кампусе Сеульского национального университета, Южная Корея. Собранная дождевая вода с крыши здания использовалась в основном для смыва туалетов внутри здания. Пробы дождевой воды отбирались в 8 стерильных ПЭТ-бутылках емкостью 2 л из пункта подачи, расположенного на высоте 1,35 м от основания подземного резервуара для хранения дождевой воды. Бутылки из ПЭТ были заполнены полностью и встряхивались в течение примерно 20 секунд для насыщения кислородом воды, а воздушное пространство около 15% от объема бутылки все еще оставалось для аэрации. [16] ,

В простом SODIS 3 ПЭТ-бутылки с прозрачными, поглощающими (задняя поверхность окрашена в черный цвет) и отражающими (задняя поверхность покрыта алюминиевой фольгой) задними поверхностями подвергались воздействию естественного солнечного света, в то время как 4 прозрачные ПЭТ-бутылки, хранящиеся внутри коробки, были подвержены воздействию солнечного света в то же время время в системе SOCODIS. Детальное проектирование системы SOCODIS уже было описано в предыдущем исследовании. [4] , Фактическая и принципиальная схема системы SOCODIS и отражающей SODIS (SODIS (Ref.)) В этом исследовании показана как [25] в то время как прозрачные и поглощающие случаи SODIS (SODIS (Abs.)) не представлены. Как SODIS, так и система SOCODIS подвергались воздействию прямых солнечных лучей на крыше того же здания, где была установлена ​​система RWH на крыше, и она располагалась 37 ° 27'18,31 "северной широты, 126 ° 57'3,25" восточной долготы. Не требовалось никакого специального разрешения для проведения экспозиционных экспериментов на крыше здания, и в этих работах не участвовали исчезающие или охраняемые виды.

Демонстрация систем SODIS (Ref.) И SOCODIS.

Продолжительность воздействия естественного солнечного света в обеих системах, SODIS и SOCODIS, составила около 9 часов. Эксперименты проводились при любой погоде в случае простой системы SODIS, но для системы SOCODIS анализ проводился только в умеренных и слабых погодных условиях. Излучения солнечного света во всех случаях в течение года контролировались на месте с помощью пиранометра SP-110 (Apogee Instruments Inc., Logan, США), подключенного к регистратору данных (DT80 Series 2), который регистрирует средние значения за 1 минуту в ваттах / м2 ( Вт / м2). Спектральный диапазон используемого пиранометра составлял 0–1750 Вт / м2. Значения освещенности и температуры внутри бутылки регистрировали с интервалом в один час.

Микробный анализ

Микробный анализ качества воды проводили стандартными методами в лаборатории качества почвы и воды Сеульского национального университета (SNU) при комнатной температуре 25 ° C. Обнаружение P. aeruginosa было выполнено методом нескольких трубок. Аспарагиновый бульон (Titan Biotech Ltd.) для предполагаемой стадии P. aeruginosa использовали в серии из пятнадцати пробирок для всех трех разведений по 10, 1 и 0,1 мл и, таким образом, по 5 пробирок на каждое разведение. Затем пробирки инкубировали при 35 ° С в течение 24 часов. Чтобы проверить количество P. aeruginosa , пробирки исследовали при черном свете через 24, а затем через 48 часов. Пробирки с зелеными флуоресцентными пигментами отбирали и затем 0,1 мл культуры дополнительно инкубировали при 35 ° С в ацетамидном бульоне (Titan Biotech Ltd.) для завершения стадии подтверждения. [26] , Для обнаружения и измерения кишечной палочки использовали лакуловый триптозный бульон DifcoTM (Becton, DickinsonandCompany) для предполагаемой фазы, в то время как подтверждение было сделано с использованием среды BactoTM EC с кружкой (Becton Dickinson France SA).

Разные измерения

Темновой контроль отдельно хранили в 1 бутылке из ПЭТ, обернутой алюминиевой фольгой, в течение одного и того же периода времени для каждого эксперимента. Почти 5–6 повторов было выполнено для большей части анализа, чтобы избежать какой-либо экспериментальной ошибки, и полосы ошибок показаны почти на всех временных графиках.

Для эффектов различных начальных значений pH были выбраны четыре значения pH как для системы SODIS, так и для системы SOCODIS, и сравнение проводилось только при слабых погодных условиях. Для первоначального регулирования рН в хранимой дождевой воде использовали разбавленную HCl и NaOH. Чтобы проверить влияние на инактивацию P. aeruginosa при различных значениях мутности, в необработанные пробы дождевой воды был введен каолин. Значения мутности были установлены на 20NTU и 100 NTU, и эффекты были проверены и сравнены для SODIS (Abs.) Наилучшего случая и для системы SOCODIS отдельно.

Поведение кривых инактивации на экспериментальных данных было исследовано с помощью GInaFit (инструмент подбора модели инактивации Geeraerd и Van Impe) с использованием модели плеча Geeraerd Log-linear plus. [27] , Модель Гирарда широко использовалась во многих научных работах SODIS для соответствия экспериментальным результатам. [28] ,

Результаты и обсуждения

показывает средние начальные значения физико-химических параметров (мутность, pH, EC & DO) и количество P. aeruginosa, наблюдаемое в хранящихся образцах дождевой воды. Физико-химические параметры были использованы только в качестве контрольных значений, и основное внимание в этом исследовании было уделено микробиологическому анализу. Концентрация P. aeruginosa в собранной дождевой воде перед дезинфекцией варьировалась в течение года и составляла 350–900 КОЕ / 100 мл в зависимости от сезона дождей и влаги. Не использовался искусственный метод шипования P. aeruginosa или E. coli .

Таблица 1

Контрольные значения хранящихся образцов дождевой воды.

Физико-химические параметры Микробный параметр Мутность Температура pH EC DO P. aeruginosa E. coli NTU ° C мкс / см мг / л КОЕ / 100 мл КОЕ / 100 мл 2–5 22–26 7–8 150–450 6–9 350–900 200-450

Химические и микробиологические параметры колебались в ходе исследования, причем самые высокие уровни микробиологического загрязнения были во влажные сезоны, когда интенсивность солнечного света была самой высокой и преобладали солнечные погодные условия. В целом, собранная дождевая вода имела относительно хорошее физико-химическое качество, но не отвечала требованиям для питьевой воды. Большинство параметров качества воды, включая количество бактерий, были выше как в начале, так и в конце сезона дождей, в основном из-за грязных водосборных площадей и добавления первого сброса в резервуары с дождевой водой после длительных периодов засухи. Начальный уровень pH был высоким в засушливые периоды, но уменьшался в сезон дождей и снова повышался после прекращения дождей. Уровни как E. coli, так и P. aeruginosa были ниже в течение влажного сезона из-за короткого времени хранения воды, несмотря на то, что свежее загрязнение добавлялось вместе с дождями. Из-за фильтрации дождевой воды через фильтры, прикрепленные к водосливам, перед поступлением в резервуар для хранения дождевой воды ожидалось снижение концентрации P. aeruginosa , но это не всегда имело место. Это было очевидно по наблюдению за микробной нагрузкой даже после этапа фильтрации и по наблюдению за хорошим количеством микроорганизмов даже после первого сброса.

Оценка солнечной радиации и температуры при разных погодных условиях

Солнечное излучение играет наиболее важную роль в системах дезинфекции на основе солнечной энергии. Для эффективного SODIS географический район должен получать излучение выше 500 Вт / м2 в течение 3–5 часов. [19] , [29] , представляет характер интенсивности солнечного света, используя среднечасовые значения освещенности для классификации погодных условий на солнечную, мягкую и слабую погоду. Время 0 часов соответствует 8 или 9 часам утра, а 9 часов соответствует 5 или 6 часам вечера. Значения освещенности варьировались от 700–950 Вт / м2 для солнечной погоды в среднем 775 Вт / м2 (обычно с мая по август), от 500 до 700 Вт / м2 для мягкой погоды в среднем 540 Вт / м2 (обычно от С сентября по октябрь и с марта по апрель) и 140–300 Вт / м2 в среднем 200 Вт / м2 для слабой погоды (обычно с ноября по февраль).

Изменение освещенности при разных погодных условиях.

Разница температур в 9 часов между поглощающей и отражающей задними поверхностями контейнера составляла 2,5–3 ° C при любых погодных условиях. Сравнение температуры также проводилось с использованием тех же задних поверхностей, которые упоминались ранее при различных погодных условиях. Температуру воды измеряли с регулярными интервалами в 1 час, удерживая устройство внутри бутылок, в то время как температура окружающей среды не регистрировалась. Средние значения температуры, показанные для солнечных, мягких и слабых погодных условий, показаны в, и с). В поглощающем контейнере использовался механизм повышения температуры воды за счет поглощения радиации, в то время как в отражающем контейнере доминировал эффект облучения.

Изменение температуры в ПЭТ-бутылках с разными задними поверхностями в зависимости от времени воздействия при (а) солнечном, (б) умеренном и (в) слабых погодных условиях.

Во второй половине дня наблюдалось почти экспоненциальное повышение температуры воды, которая достигла максимального значения, после чего она падает с уменьшением солнечного излучения. Температура зависела от погодных условий и была прямо пропорциональна освещенности. Это влияние можно подтвердить, сравнив с. Эффективная температура для микробной инактивации считалась выше 50 ° C с доминирующим тепловым эффектом солнечного света. [30] , Результаты текущего исследования были сопоставимы с предыдущими результатами, так как температура поднималась выше 50 ° C, в солнечную погоду, почти во всех контейнерах, показанных на рис. Однако мягкие погодные условия могут не подходить для SODIS, если учитывать только тепловые, а не синергетические эффекты теплового и ультрафиолетового излучения, поскольку максимальная достигнутая температура была менее 50 ° C. Низкая температура в условиях слабого солнечного света может отрицательно влиять на эффективность SODIS из-за меньшего или отсутствия теплового и / или синергетического воздействия теплового и ультрафиолетового излучения. Наблюдаемые значения температуры и освещенности соответствовали погодным условиям Южной Кореи (широта: 37 ° 35 'северной широты, долгота: 127 ° 03' восточной долготы). Аналогичная картина температуры и освещенности может наблюдаться для времени воздействия и может быть обобщена для любого места в мире.

Влияние различных задних поверхностей ПЭТ-бутылок при разных погодных условиях в SODIS

Оптимизация системы путем выбора наилучшего типа контейнера, подходящего для различных погодных условий, была одной из основных целей данного исследования. Для этой цели использовались прозрачные, абсорбирующие и отражающие контейнеры для сравнения эффективности SODIS при солнечных, мягких и слабых погодных условиях, как показано в (a, b и c). демонстрирует микробную инактивацию во всех трех контейнерах с разными задними поверхностями при солнечных погодных условиях. Полная инактивация P. aeruginosa в абсорбирующей таре подтвердила доминирующий эффект термической инактивации. Также более высокая инактивация P. aeruginosa (около 97%) в отражающем контейнере показала, что синергетический эффект температуры и радиации был налицо. Скорость инактивации в условиях солнечной погоды с различной задней поверхностью была в порядке, как у поглощающих> отражающих> прозрачных контейнеров. В прозрачном контейнере температура поднималась выше 50 ° C в солнечную погоду, но полная инактивация P. aeruginosa не была достигнута даже после 9 часов выдержки. Это наблюдение показало удельное сопротивление P. aeruginosa по отношению к SODIS и противоречило предыдущим исследованиям (22, 31, 32). Однако в умеренных погодных условиях, как показано на рисунке, скорость инактивации P. aeruginosa была неожиданно выше в отражающих контейнерах по сравнению с абсорбирующие контейнеры, но полная инактивация P. aeruginosa не была достигнута ни в одном случае. Точная причина этой более высокой инактивации в отражающем контейнере была неизвестна, по крайней мере, в этом исследовании.

Инактивация P. aeruginosa с использованием различных задних поверхностей бутылок из ПЭТФ при (а) солнечном, (б) мягком и (в) слабом погодных условиях.

Разница в инактивации P. aeruginosa с прозрачной задней поверхностью в мягких условиях составила около 10%. Поскольку ни один из образцов воды с любой задней поверхностью в умеренных погодных условиях не может достигать 50 ° C, поэтому облучение, другой доминирующий фактор при SODIS, может быть возможной причиной инактивации P. aeruginosa . Эффекты освещения выглядели более значимыми с отражающей задней поверхностью, как показано на рис. Прозрачные контейнеры показали плохую производительность, когда как воздействие радиации, так и температуры не были сконцентрированы, как это было в случае отражающих и / или абсорбирующих контейнеров. Слабая погода, как показано на рисунке, показала плохие результаты для подобных эффектов различных задних поверхностей. Только 37–45% инактивации P. aeruginosa после 9 часов воздействия прямого солнечного света показали, что наименьшее влияние температуры и / или облучения было доступно.

Во всех вышеупомянутых условиях, за исключением SODIS (Abs.) В условиях солнечной погоды, скорость инактивации P. aeruginosa была почти незначительной в течение первого часа. Эта продолжительность представляет собой лаг-фазу, в которой бактерии проявляли некоторую устойчивость к солнечной инактивации. После лаг-фазы экспоненциальная инактивация P. aeruginosa наблюдалась еще в течение 3–5 часов, что было пиковыми часами солнечного облучения в любой день и при любых погодных условиях. За последние 2–3 часа воздействия инактивация была практически незначительной, по крайней мере, при слабой интенсивности солнечного света.

Сравнение систем SODIS (Ref.) И SOCODIS по радиационному и температурному воздействию на микробную инактивацию

Эффективность систем SODIS и SOCODIS была исследована при различных погодных условиях в зависимости от диапазона освещенности и температуры. В течение 9 часов воздействия солнечного света скорость инактивации P. aeruginosa первоначально измеряли через 1 час, а затем через каждые 2 часа. Наконец, сравнение SODIS (Ref.) Было сделано с системой SOCODIS. Все результаты показали почти одинаковую тенденцию, наблюдая тесную корреляцию между освещенностью и временем, необходимым для инактивации P. aeruginosa . Сначала, для целей сравнения SODIS (Ref.) И SOCODIS, изменения температуры в умеренных и слабых погодных условиях измерялись с регулярными интервалами в 1 час. Средние значения температуры всех четырех бутылок, хранящихся внутри солнечного коллектора, для мягких и слабых погодных условий показаны в и 5 (b), соответственно. Сравнивая максимальную температуру, достигнутую в системах SODIS и SOCODIS, разница между пиковыми значениями в умеренных и слабых погодных условиях составляла около 2–3 ° C. Относительно большее повышение температуры в системе SOCODIS наблюдалось, потому что солнечное излучение отражалось обратно на ПЭТ-бутылки со всех четырех сторон из-за открытых боковых крыльев солнечного бокса. Этот эффект был достигнут только с одной стороны, т.е. основания ПЭТ-бутылки, в случае SODIS (Ref.). Синергетические эффекты температуры и освещенности также были зарегистрированы в более ранних исследованиях [31] которые были очевидны в умеренных погодных условиях, как показано там, где была достигнута полная инактивация P. aeruginosa .

Сравнение температуры и инактивации P. aeruginosa в системах SODIS (Ref.) И SOCODIS в умеренных (a & c) и слабых (b & d) погодных условиях.

Однако система SOCODIS оставалась неэффективной в слабых погодных условиях, главным образом потому, что синергетический эффект радиации и температуры отсутствовал, как показано на рис. Разницу в эффективности дезинфекции между двумя системами можно суммировать следующим образом: система SOCODIS была примерно на 20–30% более эффективной, чем простая система SODIS. Ранее хорошо известно, что эффективность SODIS повышается при использовании солнечного коллектора, усиливая эффект освещенности, отражая и возвращая солнечную энергию пробам воды в качестве опоры для бутылок. [31] ,

Точный способ действия, с помощью которого системы SODIS или SOCODIS достигли инактивации P. aeruginosa, полностью не изучен. Недавно было продемонстрировано, что солнечные фотоны воздействуют на белки бактерий прямо или косвенно через активные формы кислорода (АФК), вызывая окисление белка. Это приводит к нарушению метаболической функции и повреждению клеточной мембраны, теряющей бактериальную способность к культивированию. [33] , Инактивация P. aeruginosa напрямую связана с интенсивностью солнечного света и дозой ультрафиолета, особенно в диапазоне УФ-А. Согласно некоторым предыдущим исследованиям, после получения необходимой дозы ультрафиолетового излучения разрушение бактериальных клеток продолжается, даже если подвергшиеся воздействию пробы воды удалены с солнца и хранятся в темноте [33] , [34] ,

Ультрафиолетовое излучение A является наивысшим как доля солнечного излучения, когда солнце находится на самой высокой высоте около солнечного полдня, что видно из увеличения скорости инактивации в это время с 11 до 15 часов в проводимых экспериментах. Все результаты показали одинаковую тенденцию, указывающую на тесную связь между дозой ультрафиолета и временем, необходимым для инактивации микроорганизмов. Одним из подозрений в отношении солнечной дезинфекции с использованием ПЭТ бутылок является вымывание канцерогенных агентов разложения из пластиковых бутылок. [35] , Однако это подозрение было снято в другом исследовании воздействия солнечного света, продукты разложения ПЭТ, такие как терефталатные мономеры и димеры, в основном образуются на внешней поверхности бутылок. [36] , Некоторые соединения, включая карбонилы и пластификаторы, находятся в воде, но в безопасных пределах, установленных для качества питьевой воды. [37] ,

Влияние различных начальных концентраций P. aeruginosa на эффективность дезинфекции

Поскольку начальные концентрации P. aeruginosa варьировались в течение года в зависимости от условий водосбора, на которые, в свою очередь, влияют влажные и сухие сезоны, поэтому влияние этих различных начальных концентраций на эффективность дезинфекции было исследовано в мягкую погоду, и результаты представлены как для системы SODIS, так и для системы SOCODIS. Три разные начальные концентрации P. aeruginosa (350, 700 и 980 КОЕ / мл) были выбраны в разное время в течение четырехмесячного периода каждой слабой и мягкой погоды, но в основном в начале и в конце обоих погодных условий.

Влияние различных исходных концентратов P. aeruginosa на эффективность дезинфекции как в системе SODIS, так и в системе SOCODIS при слабых (a & b) и умеренных (c & d) погодных условиях.

Низкие или высокие концентрации P. aeruginosa были возможны при слабых погодных условиях из-за влажного и сухого сезона в течение четырех месяцев с ноября по февраль. Мягкие погодные условия, охватывающие почти четыре месяца (март, апрель, сентябрь и октябрь), привели к средней и высокой концентрации P. aeruginosa в марте и апреле из-за относительно грязной поверхности водосбора в результате засушливых сезонов и низких и средних концентраций, в течение относительно влажных месяцев и в результате чистая поверхность водосбора, в сентябре и октябре. Как показано на рисунке, очень незначительное влияние более высоких начальных концентраций P. aeruginosa на эффективность дезинфекции, особенно в SODIS как при слабых, так и при умеренных погодных условиях. Однако инактивация P. aeruginosa несколько увеличилась примерно на 5–10% за счет снижения начальных концентраций в системе SOCODIS, что может быть связано с концентрированным воздействием солнечного излучения.

Влияние присутствия кишечной палочки на дезинфекцию P. aeruginosa

Влияние присутствия других бактериальных организмов, таких как кишечная палочка, на эффективность дезинфекции P. aeruginosa было исследовано, и для этой цели были предложены три различные начальные концентрации кишечной палочки (210, 320 и 450 КОЕ / 100 мл как низкая, средняя и высокие соответственно) были выбраны при мягких погодных условиях. Из результатов, представленных в этом, можно сделать вывод, что присутствие других бактерий, таких как E.coli, мало влияло на эффективность дезинфекции системы SODIS или SOCODIS для P. aeruginosa . Более высокие концентрации E. coli , однако, немного снизили инактивацию P. aeruginosa в дополнение к более длительному лаг-периоду, как показано на рисунке, и это может быть связано с возрастающей конкуренцией различных организмов за поглощение солнечного излучения или из-за селективности бактерий ультрафиолетовое излучение, особенно в первые часы воздействия.

Влияние на инактивацию P. aeruginosa как в системе SODIS, так и в системе SOCODIS в умеренную погоду при (а) низкой, (б) средней и (с) высокой концентрации кишечной палочки.

Кинетика реакции

Кинетика инактивации P. aeruginosa была исследована с использованием линейной и плечевой модели Geeraerd Log в GInaFit и была рассчитана и сравнена константа скорости инактивации ( k max) во всех случаях систем SODIS и SOCODIS. Модель была первоначально определена путем соединения двух дифференциальных уравнений [27] ,

Если Cc связан с физиологическим состоянием клеток, k max - это удельная скорость инактивации [1 / единица времени], а Nres - это остаточная плотность населения [КОЕ / мл]. Следующий формат модели используется при фактическом применении к экспериментальным данным в GInaFit.

Первые два упомянутых уравнения (уравнения 1 и 2) могут быть получены путем замены SL, параметр представляет плечо (единицу времени) или Nres, равный нулю. представляет краткий обзор инактивации P. aeruginosa на основе констант скорости инактивации ( kmax ), рассчитанных с использованием модели Geeraerd.

Таблица 2

Сравнение kmax (1 / мин) для дезинфекции P. aeruginosa между SODIS и системой SOCODIS при различных погодных условиях (дождевая вода с низкой мутностью (2-5NTU) и нейтральными значениями pH).

Погодные условия SODIS SOCODIS Прозрачный Поглощающий Светоотражающий Солнечно 0,47 0,63 0,56 ND * Легкое 0,17 0,22 0,26 0,71 Слабое 0,07 0,1 0,11 0,26

Значения kmax (1 / мин) в и были рассчитаны на основе модели Geeraerd, как описано ранее, и представляют константы скорости инактивации для P. aeruginosa с соответствующим коэффициентом детерминации (R2), равным 1, если не указано иное. Полное применение модели, то есть с хвостами и плечами, в большинстве случаев не наблюдалось, а моделирование с хвостами было маловероятным для наблюдаемых данных, вероятно, из-за синергетического воздействия ультрафиолетового излучения и температуры. Для мягких и слабых погодных условий температура менее 50 ° C, но высокие значения kmax подтвердили предположение, что эффекты облучения были значительными в случае SOCODIS в отличие от SODIS для инактивации P. aeruginosa . Этот вывод соответствует ранее сообщенным результатам [38] ,

Таблица 3

Сравнение k max (1 / мин) для дезинфекции P. aeruginosa между SODIS (Abs.) (Солнечная погода) и системой SOCODIS (мягкая погода) при различных значениях pH и мутности.

pH (ниже Мутности∼5NTU) Солнечная погода Мягкая погода Мутность (ниже pH∼7) Солнечная погода Мягкая погода SODIS (Abs.) SOCODIS NTU SODIS (Abs.) SOCODIS 3 0,83 0,98 ∼5 0,63 0,71 5 0,72 0,83 20 0,48 0,55 7 0,63 0,71 50 0,39 0,36 10 0,59 0,62 100 0,28 0,22

Влияние различных значений pH и мутности на эффективность дезинфекции

Как pH, так и мутность хранимой дождевой воды являются одними из основных факторов, которые могут изменить эффективность солнечных систем дезинфекции. Таким образом, влияние различных начальных значений pH и мутности на эффективность солнечных дезинфекционных систем было проверено, и результаты представлены в и, соответственно. Как упоминалось ранее, разбавленную HCl и NaOH использовали для корректировки начальных значений pH, в то время как каолин добавляли для различных начальных значений мутности. Как показано на рисунке, четыре начальных значения pH, то есть 10, 7, 5 и 3, были выбраны с дождевой водой с низким начальным значением мутности (<5 NTU), и сравнение проводилось только при слабых погодных условиях, главным образом из-за неэффективности системы SOCODIS при Эта погода. Общая эффективность дезинфекции увеличилась примерно на 15% за счет понижения исходного значения рН с 10 до 3, и в кислых условиях была достигнута почти полная инактивация P. aeruginosa . Низкий pH может увеличить инактивацию P. aeruginosa , создавая значительный дополнительный стресс для клеток [5] , [39] ,

Влияние различных начальных значений pH на инактивацию P. aeruginosa в (a) SODIS (Ref.) И (b) системе SOCODIS при слабых погодных условиях.

Влияние различных значений мутности на инактивацию P. aeruginosa в (a) SODIS (Abs.) (Солнечная погода) и (b) системе SOCODIS (мягкая погода).

показывает сравнение инактивации P. aeruginosa между SODIS и системой SOCODIS в условиях мягкой и солнечной погоды при различных начальных значениях pH. Эти результаты отличались от более ранних исследований, в которых не указывалось влияние значений pH на показатели микробной инактивации. [40] , В этом исследовании снижение начальных значений pH имело значительный эффект инактивации P. aeruginosa, как сообщалось ранее. [41] , Стоит отметить, что не существует основанных на здоровье руководящих принципов для pH, и сообщается, что потребление пищи или напитков с низким (2,5) или высоким (11) pH не приводит к неблагоприятным последствиям для здоровья [42] ,

SODIS (Abs.) В солнечной погрешности и системе SOCODIS в умеренных погодных условиях для сравнения, как показано в и 9 (b) соответственно. Образцы дождевой воды, собранные из подземного резервуара для хранения, имеют значение мутности менее 5 NTU. Для сравнения более высокие значения (20 и 100NTU) были достигнуты путем добавления каолина. Показаны лучшие результаты; Разница между инактивацией P. aeruginosa была незначительной примерно до 20 NTU. Однако система SOCODIS показала низкие показатели в отношении инактивации P. aeruginosa при более высокой мутности, а эффективность дезинфекции снизилась почти на 10–15%. Это может быть связано с потерей ультрафиолетового излучения из-за рассеяния и поглощения взвешенных частей в образце дождевой воды. Различные микробиологические исследования показали, что в значительной степени мутные воды не проявляют синергетического эффекта. [22] , [31] , [38] , [43] Однако сильно мутная вода может подвергаться значительному повышению температуры из-за поглощения солнечного излучения взвешенными частицами, что может способствовать повышению эффективности дезинфекции. [22] , Случай системы SODIS (Abs.) При солнечных погодных условиях соответствовал ранее опубликованным данным, но полная инактивация P. aeruginosa, напротив, не была достигнута.

суммирует изменение констант скорости инактивации P. aeruginosa с переменными значениями мутности, когда модель Geeraerd использовалась для наиболее подходящих случаев систем SODIS (Abs.) и SOCODIS. Как видно из таблицы, значения k max во всех случаях уменьшались с повышением уровня мутности. Удивительно, однако, что разница между значениями k max для уровня мутности 20 и 100 при SODIS (абс.) Была меньше (0,20) по сравнению со случаем SOCODIS (0,33). Это может быть связано с существенным повышением температуры из-за поглощения солнечного излучения взвешенными частицами [22] когда задние поверхности ПЭТ-бутылок были окрашены в черный цвет.

Заключение

SODIS (Abs.) В условиях солнечной погоды был наиболее эффективным (100% инактивация) по сравнению с SODIS (Trans.) (92%) и SODIS (Ref.) (97%) для инактивации P . aeruginosa в собранной дождевой воде. Это может быть связано с термическим и / или синергетическим эффектом температуры и облучения. Как правило, повышение эффективности дезинфекции системы SOCODIS на 20% даже в умеренных погодных условиях позволяет предположить, что простой солнечный коллектор / коробка является эффективным, экономичным и удобным для пользователя вариантом, особенно для отдаленных районов. Однако в условиях слабой погоды для полной инактивации P. aeruginosa требуется более длительное время воздействия или другие дополнительные средства с системой SOCODIS.

Влияние высоких начальных концентраций P. aeruginosa или E. coli на эффективность дезинфекции было очень незначительным, но инактивация P. aeruginosa слегка увеличилась примерно на 5–10% за счет снижения начальных концентраций в системе SOCODIS. Более высокие концентрации E. coli , с другой стороны, немного снижали инактивацию P. aeruginosa в дополнение к более длительному лаг-периоду. Несмотря на то, что не полностью инактивируется в слабых погодных условиях, общая эффективность дезинфекции увеличилась примерно на 15% за счет снижения начального значения pH с 10 до 3, особенно в системе SOCODIS. Выше 20–100 NTU снижение активности P. aeruginosa на 16–25% позволяет предположить, что перед применением солнечной дезинфекции вода должна быть отфильтрована. В целом, инактивация P. aeruginosa в собранной дождевой воде с помощью солнечных систем дезинфекции может считаться полезным дополнением к обеспечению доступности хранимой дождевой воды для питьевых целей. Детальное исследование и дезинфекция P. aeruginosa с помощью системы дезинфекции на основе солнечного света при различных погодных условиях и переменных параметрах помогут исследователям понять и усовершенствовать инновационную систему SOCODIS. Это также можно рассматривать как легкий подход для бедных общин, живущих в развивающемся мире, в получении доступа к питьевой воде с использованием эффективных и экономически эффективных методов обработки в местах использования.