MECANISMO E APLICAÇÃO DE BACTERIOSTASE APRIMORADA POR ULTRASSOM (FREQUÊNCIAS)

Com o progresso da sociedade, a aquicultura em grande escala tornou-se uma tendência. Ao mesmo tempo, os medicamentos antibacterianos desempenham um papel importante no rápido desenvolvimento da pecuária. No entanto, a utilização de um grande número de fungicidas não só tornará os microrganismos resistentes, mas também os resíduos bactericidas e os produtos de decomposição terão um impacto no ambiente. Além disso, a resistência aos microrganismos também pode causar sérios riscos à saúde pública.

Quanto ao mecanismo de bacteriostase ultrassônica, as visões atuais são principalmente as seguintes:

• (1)

  Cavitação: A cavitação é atualmente considerada o maior fator de influência (Erriu et al., 2014). O efeito bactericida do ultrassom parece estar relacionado à cavitação transitória. Geralmente ocorre em um nível de intensidade ultrassônica maior e em uma frequência mais baixa, o que pode fazer com que o líquido ao redor da bolha oscilante flua violentamente. No momento em que a bolha rebenta, este processo de isolamento irá gerar localmente temperaturas muito elevadas. Ao mesmo tempo, maior força de cisalhamento do líquido e ondas de choque exercerão estresse nas membranas celulares (Erriu et al., 2014). Erriu et al. (Erriu et al., 2014; Baker et al., 2001) acreditam que os efeitos da cavitação nas bactérias podem ser divididos em vários estágios: (a) Sob a ação do ultrassom, as microbolhas irão expandir e contrair periodicamente, e as bactérias próximas e o filme bacteriano também serão dimensionados de acordo; (b) Se a intensidade ultrassônica for alta o suficiente, o gradiente de pressão gerado irá estourar as bolhas instantaneamente, e a força de cisalhamento instantânea resultante pode ter um efeito de cisalhamento na membrana bacteriana, destruindo assim a estrutura original da membrana bacteriana (Guzman et al ., 2003; Suslick e Nyborg, 1990); (c) A cavitação pode causar a degradação da água local, derivando assim o peróxido de amônia antibacteriano (Risman et al., 2011). Atualmente, o efeito de cavitação do ultrassom tem sido extensivamente estudado. Em termos de inibição bacteriana, estudos mais recentes prestaram mais atenção aos diversos efeitos gerados após o estouro da bolha, como os microjatos. Além disso, há também alguns novos resultados de pesquisas no uso de ultrassom combinado com agentes de contraste para inibir o filme bacteriano (Agarwal et al., 2014; Dong et al., 2012) e promover a liberação de medicamentos antibacterianos (Zhu et al., 2014). , 2015; Li et al., 2015).

• (2)

  Vibração mecânica. Sob a ação do ultrassom, a vibração mecânica terá grande impacto na adesão de bactérias na superfície de corpos sólidos (como intubação do corpo humano, próteses, etc.), podendo retardar até certo ponto a formação de filme bacteriano. Hazen e Kopel et al. (Hazan et al., 2007; Moran et al., 2011) usaram ondas de superfície para realizar experimentos de supressão de membrana bacteriana em cateteres urinários e mediram vibrações de nível nano na superfície e acreditaram que essa vibração mecânica atrasava a adesão de bactérias no cateter. Mas esta vibração não desempenhou um papel óbvio após a formação da membrana bacteriológica.

• (3)

  Efeito térmico. o efeito térmico provocado pelo ultrassom também foi extensivamente estudado (Suslick e Nyborg, 1990). No estudo, verifica-se que a geração desse efeito térmico se deve principalmente à cavitação, ou seja, ao acúmulo de calor gerado no caso de alta potência ultrassônica e relação de sinal (Tu et al., 2012). No entanto, o efeito térmico também pode trazer algumas preocupações de segurança.

Os dados mostram que o número de infecções adquiridas em hospitais causadas por bactérias resistentes a medicamentos representa cerca de 30% do número total de pacientes hospitalizados. A sua taxa de mortalidade tem sido a mais elevada do mundo (Sun, 2014; Zhao et al., 2015). Portanto, a questão da resistência microbiana tornou-se o foco da indústria. Geralmente, acredita-se que o efeito bactericida das ondas ultrassônicas é causado principalmente pela cavitação por elas produzida (Guo e Hu, 2012; Wang et al., 2013). Durante o tratamento ultrassônico, quando a onda ultrassônica de alta intensidade se propaga em meio líquido, é produzida a onda longitudinal, que resulta na região de compressão e expansão alternadas. Essas regiões que mudam de pressão causam facilmente fenômenos de buraco e formam núcleos de microbolhas no meio (Jiang et al., 2015). No momento da contração adiabática e colapso do minúsculo núcleo da bolha, o interior do minúsculo núcleo da bolha apresenta uma temperatura elevada acima de 5000°C e uma pressão de 500 KPA, o que resulta na morte de algumas bactérias no líquido, o inativação do vírus e até mesmo a destruição da parede celular de alguns dos micróbios menores. Mas o âmbito do papel é limitado (Liu et al., 2011a, 2011b).

Existem muitos estudos e relatórios sobre bacteriostase ultrassônica em alimentos líquidos, mas menos sobre bacteriostase ultrassônica no tratamento de águas residuais e desinfecção de água potável [9.10]. Com o desenvolvimento da tecnologia ultrassônica, mais e mais pessoas começam a fazer pesquisas sobre ela. Os pesquisadores estudaram o uso dos EUA para esterilizar bactérias heterotróficas na água de resfriamento circulante. Os resultados experimentais ortogonais mostram que quando a intensidade ultrassônica é de 0,3 W/cm2 ^e o tempo de tratamento ultrassônico é de 60 minutos, a taxa bactericida em 1000 ml de água de resfriamento circulante atinge 96%. Além disso, os resultados dos testes bacteriostáticos mostram que após 72 horas, a taxa bacteriostática é de 82,1% (Ai et al., 2020; Liu et al., 2019). Os resultados experimentais também mostram que o efeito da bacteriostase do US multifrequência é melhor do que o do US de frequência única (Zhang et al., 2019; Ma et al., 2018). Os EUA também foram usados ​​para matar E. coli. Os resultados mostram que com o aumento da intensidade do som ultrassônico, a bacteriostase diminui primeiro e depois aumenta rapidamente, por fim, tende a ser desacelerada ou mesmo cair gradativamente (Ma e Tsai, 2017; Mo et al., 2020). Assim, para obter uma taxa de bacteriostase satisfatória, não há necessidade de buscar cegamente uma alta intensidade sonora, mas sim encontrar um valor ideal adequado. No estágio de baixa frequência e mesma potência sonora, a taxa bactericida aumenta correspondentemente com o aumento da frequência (Liu, 2011; Wang et al., 2006). A taxa de bacteriostase ultrassônica geralmente aumenta com o aumento do tempo de irradiação. Alguns estudiosos estudaram o efeito da US na eficiência de inativação de microrganismos (Yan et al., 2006; Cai et al., 2007). Os resultados indicam que a influência da densidade de energia sonora na inativação de microrganismos pelo US dependeu do mecanismo do US sobre os microrganismos (Cai, 2012).

US é uma onda sonora com frequência superior a 20 kHz. Sua frequência é alta e seu comprimento de onda é curto. Além das características de boa direção, alta potência e forte penetração, também pode causar cavitação e uma série de efeitos especiais, como efeito mecânico, efeito térmico, efeito químico e assim por diante. Acredita-se geralmente que a eficácia bactericida do US é causada principalmente pela cavitação por ele produzida (Jebel e Almasi, 2016; Di et al., 2015). Durante o processamento ultrassônico, quando ondas ultrassônicas de alta intensidade se propagam em meio líquido, são geradas ondas longitudinais, resultando em áreas alternadas de compressão e expansão. Estas regiões de mudança de pressão provavelmente causarão cavitação e formarão pequenos núcleos de bolhas no meio (Wang et al., 2004; Seil e Webster, 2012). No instante do encolhimento e colapso adiabático, o núcleo da microbolha exibe uma temperatura elevada de 5.000 °C ou superior e uma pressão de 50.000 kPa. Isto mata certas bactérias no líquido, inativa o vírus e até destrói as paredes celulares de microorganismos menores. No entanto, o âmbito da acção é limitado. A tecnologia de catálise piezoelétrica tem sido amplamente preocupada devido ao seu efeito antibacteriano através da produção de espécies reativas de oxigênio (Abbasi et al., 2011; Estrela et al., 2006). Roman A. Surmenev et al. (Vatlin, 2020) estudou a fabricação e caracterização de filmes finos de polihidroxibutirato piezoelétrico, fluoreto de polivinilideno e fluoreto de polivinilideno trifluoroetileno, bem como polímeros não piezoelétricos de policaprolactona fabricados usando abordagem de fundição em solução. O resultado mostrou que o efeito antibacteriano do polímero piezoelétrico em diferentes aplicações de engenharia de tecidos é óbvio.

Sob a ação dos EUA, o número total de bactérias, coliformes totais e taxa de inativação de coliformes fecais aumenta e depois aumenta com o aumento da densidade de energia acústica. Em uma determinada faixa de frequência, a bacteriostase ultrassônica de alta frequência é melhor que a US de baixa frequência (BSOUL et al., 2010). As taxas de inativação de bactérias totais, coliformes totais e coliformes fecais aumentam com o prolongamento do tempo de tratamento ultrassônico (AYYILDIZ et al., 2011; GAO et al., 2014). O modo de impulso específico tem um melhor efeito de inativação do que o tratamento ultrassônico contínuo. A escolha adequada da frequência ultrassônica, da densidade de energia acústica, do tempo de trabalho e dos métodos de trabalho é mais propícia à inativação ultrassônica de microrganismos patogênicos e pode evitar desperdício de energia (GAO et al., 2014). Estudos demonstraram que o US tem um bom efeito esterilizante no tratamento da água e tem as suas vantagens únicas (Tamai et al., 2013; Case et al., 2012). Comparado com os métodos tradicionais de desinfecção e bacteriostase no tratamento de água, como desinfecção com cloro, adsorção de carvão ativado, biofilme, etc., este método tem muitas vantagens, como alta velocidade de processamento, alta eficiência e sem poluição secundária. No entanto, a bacteriostase ultrassônica tem muitos fatores de influência e é complicada de controlar. Atualmente, está apenas em fase de exploração laboratorial. As espécies únicas de cepas experimentais e a incapacidade de realizar experimentos reais de tratamento de água na planta levaram a um progresso lento na pesquisa de bacteriostase ultrassônica e agora são usadas principalmente para bacteriostase assistida (Xiang e YaodongLi, 2015; Ensing et al., 2005). A pesquisa sobre bacteriostase ultrassônica tem sido lenta devido a algumas dificuldades encontradas na aplicação industrializada de bacteriostase ultrassônica, como a dificuldade de encontrar fontes sonoras e reatores adequados, e os problemas de bacteriostase incompleta e pequena quantidade de tratamento líquido quando os EUA atuam sozinhos, etc (ZIYLAN e INCE, 2013).

Nas últimas décadas, os investigadores descobriram que os EUA podem ser combinados com outras tecnologias bactericidas para aumentar significativamente o efeito bactericida. Neste artigo, o progresso mais recente da pesquisa de muitos métodos bacteriostáticos assistidos pelos EUA, como antibióticos aprimorados pelos EUA, nanomateriais aprimorados pelos EUA, ozônio aprimorado pelos EUA, microbolhas aprimoradas pelos EUA, fotossensibilizadores aprimorados pelos EUA, sensibilizadores sonoros aprimorados pelos EUA, lasers aprimorados pelos EUA e ultravioleta aprimorado pelos EUA são descritos em detalhes. Além disso, são analisados ​​os mecanismos sinérgicos assistidos pelos EUA de cada método. Além disso, é apresentada a direção de desenvolvimento da bacteriostase sinérgica ultrassônica, o que fornece uma base e novas ideias para suas pesquisas futuras.