Phenol degradation by powdered metal ion modified titanium dioxide photocatalysts

Conventional water purification and disinfection generally involve potentially hazardous substances, some of which known to be carcinogenic in nature. Titanium dioxide photocatalytic processes provide an effective route to destroy hazardous organic contaminants. This present work explores the possibility of the removal of organic pollutants (phenol) by the application of TiO2 based photocatalysts. The production of series of metal ions doped or undoped TiO2 were carried out via a sol–gel method and a wet impregnation method. Undoped TiO2 and Cu doped TiO2 showed considerable phenol degradation. The efficiency of photocatalytic reaction largely depends on the photocatalysts and the methods of preparation the photocatalysts. The doping of Fe, Mn, and humic acid at 1.0 M% via sol–gel methods were detrimental for phenol degradation. The inhibitory effect of initial phenol concentration on initial phenol degradation rate reveals that photocatalytic decomposition of phenol follows pseudo zero order reaction kinetics. A concentration of > 1 g/L TiO2 and Cu doped TiO2 is required for the effective degradation of 50 mg/L of phenol at neutral pH. The rise in OH- at a higher pH values provides more hydroxyl radicals which are beneficial of phenol degradation. However, the competition among phenoxide ion, Cl- and OH- for the limited number of reactive sites on TiO2 will be a negative influence in the generation of hydroxyl radical. The dependence of phenol degradation rate on the light intensity was observed, which also implies that direct sunlight can be a substitute for the UV lamps and that photocatalytic treatment of organic pollutants using this technique shows some promise.

Atmospheric pressure, nonthermal plasma inactivation of MS2 bacteriophage: effect of oxygen concentration on virucidal activity

AimsThe main aim of this study was to determine the virucidal inactivation efficacy of an in-house-designed atmospheric pressure, nonthermal plasma jet operated at varying helium/oxygen feed gas concentrations against MS2 bacteriophage, widely employed as a convenient surrogate for human norovirus.

Methods and ResultsThe effect of variation of percentage oxygen concentration in the helium (He) carrier gas was studied and found to positively correlate with MS2 inactivation rate, indicating a role for reactive oxygen species (ROS) in viral inactivation. The inactivation rate constant increased with increasing oxygen concentrations up to 075% O-2. 3 log(10) (999%) reductions in MS2 viability were achieved after 3min of exposure to the plasma source operated in a helium/oxygen (9925%:075%) gas mixture, with >7 log(10) reduction after 9min exposure.

ConclusionsAtmospheric pressure, nonthermal plasmas may have utility in the rapid disinfection of virally contaminated surfaces for infection control applications.

Significance and Impact of StudyThe atmospheric pressure, nonthermal plasma jet employed in this study exhibits rapid virucidal activity against a norovirus surrogate virus, the MS2 bacteriophage, which is superior to previously published inactivation rates for chemical disinfectants.

Photodynamic antimicrobial polymers for infection control

Hospital-acquired infections pose both a major risk to patient wellbeing and an economic burden on global healthcare systems, with the problem compounded by the emergence of multidrug resistant and biocide tolerant bacterial pathogens. Many inanimate surfaces can act as a reservoir for infection, and adequate disinfection is difficult to achieve and requires direct intervention. In this study we demonstrate the preparation and performance of materials with inherent photodynamic, surface-active, persistent antimicrobial properties through the incorporation of photosensitizers into high density poly(ethylene) (HDPE) using hot-melt extrusion, which require no external intervention except a source of visible light. Our aim is to prevent bacterial adherence to these surfaces and eliminate them as reservoirs of nosocomial pathogens, thus presenting a valuable advance in infection control. A two-layer system with one layer comprising photosensitizer-incorporated HDPE, and one layer comprising HDPE alone is also described to demonstrate the versatility of our approach. The photosensitizer-incorporated materials are capable of reducing the adherence of viable bacteria by up to 3.62 Log colony forming units (CFU) per square centimeter of material surface for methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA), and by up to 1.51 Log CFU/cm2 for Escherichia coli. Potential applications for the technology are in antimicrobial coatings for, or materials comprising objects, such as tubing, collection bags, handrails, finger-plates on hospital doors, or medical equipment found in the healthcare setting.

Removal of microorganisms and their chemical metabolites from water using semiconductor photocatalysis

Semiconductor photocatalysis has been applied to the remediation of an extensive range of chemical pollutants in water over the past 30 years. The application of this versatile technology for removal of micro-organisms and cyanotoxins has recently become an area that has also been the subject of extensive research particularly over the past decade. This paper considers recent research in the application of semiconductor photocatalysis for the treatment of water contaminated with pathogenic micro-organisms and cyanotoxins. The basic processes involved in photocatalysis are described and examples of recent research into the use of photocatalysis for the removal of a range of microorganisms are detailed. The paper concludes with a review of the key research on the application of this process for the removal of chemical metabolites generated from cyanobacteria.

Variables to be considered when assessing the photocatalytic destruction of bacterial pathogens

The current study sought to assess the importance of three common variables on the outcome of TiO₂ photocatalysis experiments with bacteria. Factors considered were (a) ability of test species to withstand osmotic pressure, (b) incubation period of agar plates used for colony counts following photocatalysis and (c) chemical nature of suspension medium used for bacteria and TiO₂. Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella ser. Typhimurium and Pseudomonas aeruginosa were found to vary greatly in their ability to withstand osmotic pressure, raising the possibility that osmotic lysis may be contributing to loss of viability in some photocatalytic disinfection studies. Agar plate incubation time was also found to influence results, as bacteria treated with UV light only grew more slowly than those treated with a combination of UV and TiO_2. The chemical nature of the suspension medium used was found to have a particularly pronounced effect upon results. Greatest antibacterial activity was detected when aqueous sodium chloride solution was utilised, with ∼1 × 10⁶ CFU mL^-1 S. aureus being completely killed after 60 min. Moderate activity was observed when distilled water was employed with bacteria being killed after 2 h and 30 min, and no antibacterial activity at all was detected when aqueous tryptone solution was used. Interestingly, the antibacterial activity of UV light on its own appeared to be very much reduced in experiments where aqueous sodium chloride was employed instead of distilled water. 

The influence of microbial factors on the susceptibility of bacteria to photocatalytic destruction

The role that bacterial factors play in determining how bacteria respond to photocatalytic degradation is becoming increasingly recognised. Fimbriae which are thin, proteinaceous cell surface structures produced by many enterobacteria are generally considered to be important bacterial virulence determinants in the host. Recent studies, however, suggest that their expression may be increased during times of environmental stress to protect them against factors such as nutrient depletion and oxidation. In this study bacteria were grown under defined culture conditions to promote the expression of type 1 fimbriae and subjected to photocatalytic treatment. Results showed that Escherichia coli grown under conditions to express type 1 fimbriae were more resistant to photocatalytic destruction than control cultures, taking 75 min longer to be destroyed. Curli fimbriae are also known to play a role in environmental protection of bacteria and they are associated with biofilm production. The ability of the E. coli strain to produce curli fimbriae was confirmed and biofilms were grown and subjected to photocatalytic treatment. Biofilm destruction by photocatalysis was assessed using a resazurin viability assay and a loss of cell viability was demonstrated within 30 min treatment time. This study suggests that intrinsic bacterial factors may play a role in determining an organism’s response to photocatalytic treatment and highlights their importance in this disinfection process.

Suspension plasma sprayed coatings using dilute hydrothermally produced titania feedstocks for photocatalytic applications

Titanium dioxide coatings have potential applications including photocatalysts for solar assisted hydrogen production, solar water disinfection and self-cleaning windows. Herein, we report the use of suspension plasma spraying (SPS) for the deposition of conformal titanium dioxide coatings. The process utilises a nanoparticle slurry of TiO2 (ca. 6 and 12 nm respectively) in water, which is fed into a high temperature plasma jet (ca. 7000-20 000 K). This facilitated the deposition of adherent coatings of nanostructured titanium dioxide with predominantly anatase crystal structure. In this study, suspensions of nano-titanium dioxide, made via continuous hydrothermal flow synthesis (CHFS), were used directly as a feedstock for the SPS process. Coatings were produced by varying the feedstock crystallite size, spray distance and plasma conditions. The coatings produced exhibited ca. 90-100% anatase phase content with the remainder being rutile (demonstrated by XRD). Phase distribution was homogenous throughout the coatings as determined by micro-Raman spectroscopy. The coatings had a granular surface, with a high specific surface area and consisted of densely packed agglomerates interspersed with some melted material. All of the coatings were shown to be photoactive by means of a sacrificial hydrogen evolution test under UV radiation and compared favourably with reported values for CVD coatings and compressed discs of P25.

Estratégias para a valorização do coberto vegetal da Ilha de Porto Santo

No presente trabalho desenvolveram-se estudos visando a valorização do coberto vegetal da Ilha de Porto Santo, através de duas metodologias de investigação complementares: a) preservação e reintrodução na Ilha de uma espécie endémica e em risco do Arquipélago da Madeira (Olea maderensis) e de uma espécie naturalizada (Olea europaea ssp. europaea var. sylvestris), recorrendo para o efeito a técnicas de biotecnologia (micropropagação); b) análise da percepção da comunidade local e visitante sobre o fenómeno da desertificação e a valorização do coberto vegetal bem como a sua aceitação relativamente à aplicação de técnicas de biotecnologia (para micropropagar e reintroduzir espécies de oliveira na Ilha) para minimização do processo de desertificação. A dissertação estrutura-se em quatro partes principais. A Parte I caracteriza a Ilha de Porto Santo em termos geográficos, geológicos, climáticos, sócio-economicos e do uso do solo. Enquadra, ainda, o problema da desertificação, através da caracterização/evolução do coberto vegetal ao longo dos anos. Finalmente apresentam-se os objectivos gerais deste estudo. A Parte II centra-se no desenvolvimento de metodologias no âmbito da biotecnologia vegetal para propagação de espécies de O. maderensis e O. europaea ssp. europaea var. sylvestris. em larga escala. Esta parte está dividida em seis capítulos. O Capítulo II.1 aborda a distribuição geográfica das espécies de oliveira e faz uma revisão bibliográfica dos aspectos mais importantes da micropropagação de oliveira (O. europaea L.), principalmente através da micropropagação por estimulação de gomos axilares. No final deste capítulo apresentam-se os objectivos específicos desta investigação. No Capítulo II.2 faz-se a caracterização genética de genótipos de O. maderensis do Arquipélago da Madeira através da análise da ploidia e do conteúdo em DNA por citometria de fluxo (FCM) e através da detecção de polimorfismos por análise de microssatélites (SSR). Nesta análise usaram-se ainda outros genótipos, nomeadamente: O. europaea ssp. europaea var. sylvestris, O. cerasiformes e O. europaea ssp. europaea var. europaea. Este estudo contribuiu para uma melhor caracterização desta espécie e permitiu a detecção de um nível de ploidia novo no género Olea (tetraploidia). O Capítulo II.3 descreve a optimização das condições de cultura in vitro (e.g. desinfecção, meio de cultura e enraizamento) para propagar e preservar a O. maderensis. Avalia-se ainda a “performance” dos rebentos in vitro (taxas de crescimento, avaliação da aparência das folhas e estudos fisiológicos), de modo a confirmar a optimização das condições de propagação. Neste capítulo define-se um meio novo (OMG) para propagação desta espécie endémica. O Capítulo II.4 descreve dois protocolos de micropropagação e aclimatização de ambas as espécies (O. maderensis e O. europaea ssp. europaea var. sylvestris) e a qualidade das plantas (“true-to-type”) é avaliada através da possível ocorrência de variabilidade genética através de FCM (ploidia) e SSRs. O Capítulo II.5 descreve um protocolo eficiente de aclimatização ao campo de O. maderensis e avalia a “performance” das plantas micropropagadas no campo através da análise de parâmetros fisiológicos durante o processo. O Capítulo II.6 apresenta os estudos em curso relativamente às plantas de O. maderensis em aclimatização no campo, bem como a introdução de plantas micropropagadas num outro local da Ilha com um maior grau de degradação dos solos. Estas estratégias estão a ser aplicadas juntamente com a DRFRAM, no âmbito de programas de florestação em curso. Finalmente é realçada a necessidade de estudos semelhantes com outras espécies nativas. Na Parte III, são apresentados os estudos sobre a percepção da comunidade local relativamente à valorização do coberto vegetal para a minimização dos processos de degradação dos solos/desertificação. A introdução faz o enquadramento teórico sobre o fenómeno da desertificação, particularmente na Ilha de Porto Santo e sobre a percepção social da desertificação. São ainda apresentados os objectivos específicos desta investigação. A metodologia adoptada recorreu à aplicação de inquéritos por questionário à população residente e aos visitantes da Ilha de Porto Santo e ainda a realização de inquéritos por entrevista a algumas entidades e especialistas. Estes estudos permitiram verificar que existe uma nítida consciência da situação de risco da ilha, das medidas tomadas e a tomar e da premência da resolução do problema. Face ao recurso de estratégias alternativas envolvendo biotecnologia, e apesar de existir algum desconhecimento, concluiu-se ainda que a população manifesta aceitação, desde que essas estratégias valorizem o coberto vegetal e, assim, ajudem a combater a degradação biofísica dos solos. Finalmente são apresentadas as conclusões e algumas recomendações. Na Parte IV apresentam-se as conclusões gerais e perspectivas futuras, onde o potencial ambiental destas oliveiras bravas micropropagadas é destacado, bem como é considerado o alargamento da aplicação destas estratégias a outras espécies indígenas em risco, nesta Ilha (e noutros locais). São ainda resumidas as principais visões da população e das entidades e dos especialistas que poderão contribuir para apoiar a elaboração de medidas de mitigação e prevenção no combate ao processo de degradação dos solos/desertificação em curso.

Photodynamic inactivation of bacteria by cationic porphyrins : their cellular targets and potential environmental applications

Photodynamic inactivation (PDI) is defined as the process of cell destruction by oxidative stress resulting from the interaction between light and a photosensitizer (PS), in the presence of molecular oxygen. PDI of bacteria has been extensively studied in recent years, proving to be a promising alternative to conventional antimicrobial agents for the treatment of superficial and localized infections. Moreover, the applicability of PDI goes far beyond the clinical field, as its potential use in water disinfection, using PS immobilized on solid supports, is currently under study. The aim of the first part of this work was to study the oxidative modifications in phospholipids, nucleic acids and proteins of Escherichia coli and Staphylococcus warneri, subjected to photodynamic treatment with cationic porphyrins. The aims of the second part of the work were to study the efficiency of PDI in aquaculture water and the influence of different physicalchemical parameters in this process, using the Gram-negative bioluminescent bacterium Vibrio fischeri, and to evaluate the possibility of recycling cationic PS immobilized on magnetic nanoparticles. To study the oxidative changes in membrane phospholipids, a lipidomic approach has been used, combining chromatographic techniques and mass spectrometry. The FOX2 assay was used to determine the concentration of lipid hydroperoxides generated after treatment. The oxidative modifications in the proteins were analyzed by one-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Changes in the intracellular nucleic acids were analyzed by agarose gel electrophoresis and the concentration of doublestranded DNA was determined by fluorimetry. The oxidative changes of bacterial PDI at the molecular level were analyzed by infrared spectroscopy. In laboratory tests, bacteria (108 CFU mL-1) were irradiated with white light (4.0 mW cm-2) after incubation with the PS (Tri-Py+-Me-PF or Tetra-Py+-Me) at concentrations of 0.5 and 5.0 μM for S. warneri and E. coli, respectively. Bacteria were irradiated with different light doses (up to 9.6 J cm-2 for S. warneri and up to 64.8 J cm-2 for E. coli) and the changes were evaluated throughout the irradiation time. In the study of phospholipids, only the porphyrin Tri-Py+-Me-PF and a light dose of 64.8 J cm-2 were tested. The efficiency of PDI in aquaculture has been evaluated in two different conditions: in buffer solution, varying temperature, pH, salinity and oxygen concentration, and in aquaculture water samples, to reproduce the conditions of PDI in situ. The kinetics of the process was determined in realtime during the experiments by measuring the bioluminescence of V. fischeri (107 CFU mL-1, corresponding to a level of bioluminescence of 105 relative light units). A concentration of 5.0 μM of Tri-Py+-Me-PF was used in the experiments with buffer solution, and 10 to 50 μM in the experiments with aquaculture water. Artificial white light (4.0 mW cm-2) and solar irradiation (40 mW cm-2) were used as light sources.

Aplicação da terapia fotodinâmica no processo de esterilização de sangue

A importância médica do sangue associada ao risco de doenças infeciosas levou a um melhoramento das técnicas de rastreio de patogénicos no sangue doado. No entanto, devido aos períodos de "janela", durante o qual os agentes infeciosos não podem ser detetados, a desinfeção de sangue e seus derivados assume uma importância vital. Considerando que as técnicas convencionais de desinfeção (tratamento com solvente-detergente ou irradiação com UV ou radiação gama) pode ser empregue em concentrados de plasma ou de proteínas, o efeito colateral associado aos respetivos tratamentos não permite a sua utilização em frações celulares. Consequentemente, é necessário o desenvolvimento de uma nova alternativa eficaz para inativar microrganismos em sangue. Uma boa estratégia que merece ser considerada baseia-se na terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT). aPDT envolve a interação entre a luz e um fotossensibilizador (PS) na presença de oxigénio molecular. Esta interação produz espécies reativas de oxigénio (ROS), que causam danos oxidativos às moléculas microbianas necessárias à sobrevivência do microrganismo. Em alguns países, esta metodologia já está aprovada para descontaminação de plasma, utilizando azul de metileno ou psoraleno como PSs. O objetivo deste estudo foi avaliar a adequação de de estrutura do tipo ftalocianina (Pc) e porfirina (Por) para desinfeção fotodinâmica de hemoderivados. Plasma e sangue total foram infetados com 108 unidades formadoras de colónias (CFU) / mL de Escherichia coli e após incubação com os derivados Pc e Por em estudo, expostos respetivamente a luz vermelha ou a luz branca com uma irradiância de 150 W/m2durante 270 min. As concentrações de E. coli viáveis foram determinadas a 0, 30, 60, 90, 180 e 270 min e comparadas com as obtidas nos controlos claro (amostras irradiadas na ausência de PS) e controlos escuro (amostras incubadas com PS mas não irradiadas). O efeito do tratamento aPDT nas células do sangue (glóbulos vermelhos e brancos) também foi avaliado. Os resultados obtidos mostram que, em todos os componentes do sangue, a Por em estudo é mais eficaz na inativação de E. coli que o derivado Pc. Após o tratamento aPDT, o número de células vermelhas e brancas no sangue é semelhante aos valores observados nas amostras de controlo. A eficiente inativação de células de E. coli e a ausência de efeito sobre as células de sangue transformam os derivados porfirínicos e ftalocianinas potenciais candidatos a serem utilizados com fotossensibilizadores na desinfeção fotodinâmica de produtos derivados do sangue.

Desinfección de pozos residenciales

This brochure in Spanish explains how to disinfect a well.

Biocompatibilidade de resinas acrílicas para base e reembasamento de próteses após períodos de imersão em soluções desinfetantes: análise do metabolismo celular

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Optimization of HS-SPME analytical conditions using factorial design for trihalomethanes determination in swimming pool water samples

Trihalomethanes (THMs) are widely referred and studied as disinfection by-products (DBPs). The THMs that are most commonly detected are chloroform (TCM), bromodichloromethane (BDCM), chlorodibromomethane (CDBM), and bromoform (TBM). Several studies regarding the determination of THMs in swimming pool water and air samples have been published. This paper reviews the most recent work in this field, with a special focus on water and air sampling, sample preparation and analytical determination methods. An experimental study has been developed in order to optimize the headspace solid-phasemicroextraction (HS-SPME) conditions of TCM, BDCM, CDBM and TBM from water samples using a 23 factorial design. An extraction temperature of 45 °C, for 25min, and a desorption time of 5 min were found to be the best conditions. Analysis was performed by gas chromatography with an electron capture detector (GC-ECD). The method was successfully applied to a set of 27 swimming pool water samples collected in the Oporto area (Portugal). TCM was the only THM detected with levels between 4.5 and 406.5 μg L−1. Four of the samples exceeded the guideline value for total THMs in swimming pool water (100 μgL−1) indicated by the Portuguese Health Authority.

Projeto de uma ETAR para a freguesia de Canelas, Penafiel

O tratamento das águas residuais domésticas surge com o intuito de degradar os poluentes presentes, para que as águas residuais tratadas não prejudiquem o ambiente nem a saúde pública. O presente trabalho teve como objetivo a conceção e o dimensionamento de uma Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) na freguesia de Canelas com a finalidade de substituir a já existente e permitir a ampliação da área da rede de saneamento da freguesia. Foram considerados dois tipos de ETAR’s, compacta e convencional, para tratar águas residuais domésticas de aproxidamente 2000 habitantes, com um caudal médio de 400 m3/dia e um caudal de ponta de 1136,7 m3/dia. Das duas opções optou-se pela convencional uma vez que acarreta um menor investimento, no valor de 187 232 €, e se considera também mais adequada às características do efluente a tratar. O tratamento escolhido inclui inicialmente uma gradagem, com uma grade constituída por sete barras com um espaçamento de 20 mm entre elas, seguida de um tamisador rotativo com uma abertura de malha de 3 mm. Depois do tamisador, optou-se por um sistema de desarenação/desengorduramento com um volume do tanque de 3,95 m3 e um fluxo de ar de 17,9 m3/h. Na fase seguinte considerou-se um tratamento biológico por lamas ativadas em regime de arejamento prolongado num tanque de arejamento de volume igual a 245,8 m3 com um arejador submerso, seguindo-se um decantador secundário de volume 33,3 m3. Por último, escolheu-se um sistema de desinfeção por ultravioleta e, a montante do mesmo, um filtro rápido para eliminar pequenas partículas que o efluente ainda possa conter. Para a desinfeção foram consideradas duas secções com cinco módulos de duas lâmpadas cada, ou seja, vinte lâmpadas ultravioleta. Dos resíduos produzidos pelo tratamento da água residual, os gradados e as areias serão encaminhados para aterro, enquanto que as lamas serão enviadas para a ETAR das Termas de S.Vicente, para que sofram o tratamento adequado e sejam encaminhadas para o destinal final adequado (aplicação em solos agrícolas, compostagem ou em alternativa para aterro). No caso da ETAR covencional foi ainda avaliada a possível reutilização de um decantador da ETAR de Milhundos uma vez que esta se encontrava em fase de desativação. Desta avaliação, concluiu-se que não seria economicamente viável o seu reaproveitamento. Mestrado em Engenharia Química – Tecnologias de Proteção Ambiental Para além disso realizou-se também um levantamento dos principais problemas que ocorrem na maioria das ETAR’s e foram apresentadas as respetivas sugestões de resolução. A realização de um inquérito permititu concluir que os odores são o problema que mais causa incómodo à população.