Introducción

Desde el descubrimiento de la luz ultravioleta por parte de Johann Wilhelm Ritter en 1801 (^{Davidson, 2014}), han sido múltiples los usos dados a este tipo de radiación: detección de billetes falsos, verificación de la originalidad de los documentos, identificación de material combustible en incendios, inspección de obras de arte, tratamientos de belleza, y como herramienta bactericida, entre otros (^{Fontal et al., 2005}). Este último aspecto ha sido uno de los cuales ha cobrado gran relevancia, especialmente ahora que se han tenido emergencias sanitarias por diversidad de agentes patógenos, como bacterias resistentes a antibióticos, hongos y virus (^{Acha y Szyfres, 2001}), donde las personas se han apurado por encontrar mecanismos, ya sean físicos o químicos, que permitan limpiar y desinfectar elementos de uso común en clínicas, laboratorios y superficies de trabajo, de tal manera que se pueda garantizar espacios bioseguros (^{Diab-El Schahawi et al., 2021}; ^{Maniatis et al., 1989}).

La luz ultravioleta (UV) hace parte de la región del espectro electromagnético que se ubica en el rango intermedio entre la luz visible y los rayos X, es decir, comprende el rango de longitud de onda que va desde los 100 hasta los 400 nm. Al considerar los efectos de la radiación UV en la salud humana y el medio ambiente, esta se clasifica en tres tipos: luz ultravioleta A (UVA), ubicada en el rango de longitud de onda de los 315 a 400 nm, considerada como luz UV de onda larga; luz ultravioleta B (UVB), que tiene una longitud de onda entre los 280 y 315 nm, también conocida como luz UV de onda media; y finalmente, la luz ultravioleta C (UVC), que se ubica en el rango que va de los 200 a los 280 nm, también llamada como luz UV de onda corta. El intervalo de la luz UV comprendido entre los 10 y 200 nm se considera luz UV extremo o de vacío (^{Fontal et al., 2005}; Tarrán, 2012).

El sol como principal fuente de luz visible del planeta Tierra, genera diferentes tipos de radiaciones, entre ellas la radiación ultravioleta. Sin embargo, la luz UVC no logra traspasar la atmsfóera ya que es absorbida por la capa de ozono; lo mismo sucede con la luz UVB, la cual se absorbe de manera parcial, motivo por el cual, la radiación que reciben los seres vivos es en alto porcentaje UVA y una mínima porción de UVB (^{Fontal et al., 2005}). No obstante, estas pequeñas porciones de UV que logran ingresar a la tierra inciden en los seres vivos, ya sea de manera positiva o negativa (^{Guerrero-Beltrán y Barbosa-Cánovas, 2004}).

En la actualidad, existen diversas opciones de lámparas de luz ultravioleta en el mercado que se ofrecen para desinfectar y eliminar gérmenes patógenos (^{Alves et al., 2021}). Sin embargo, es importante tener en cuenta que no todas son soluciones eficaces. Algunas de estas lámparas pueden ser someras o incluso falsas soluciones, ya que no cumplen con su función prometida. Por lo tanto, es esencial evaluar cuidadosamente la calidad y el rendimiento de cada lámpara antes de elegir una para garantizar una desinfección efectiva. ^{Byrns et al. (2021)} en su investigación sobre los usos y limitaciones de la lámpara ultravioleta germicida portátil para la desinfección de superficies, afirma que estos artefactos que emiten radiación UV presentan varios inconvenientes que pueden afectar la eficacia de su actividad desinfectante. En particular, muchos de estos problemas son causados por una manipulación deficiente por parte del usuario; por lo tanto, es importante tener en cuenta los posibles riesgos asociados con el uso de este tipo de artefactos y tomar medidas para garantizar su correcta manipulación, a fin de obtener los mejores resultados en términos de desinfección.

Según ^{McMullen et al. (2021)}, la desinfección de grandes espacios como las salas hospitalarias se ha convertido en un verdadero reto, y sostiene que es allí donde la luz ultravioleta puede hacer su aporte complementario a los procesos de desinfección tradicional, convirtiéndose en una alternativa de desinfección libre de compuestos químicos y no nociva para el medio ambiente. Respecto a lo que los autores plantean, y a las emergencias sanitarias que se viven en la actualidad, se han reportados trabajos investigativos enfocados en atenuar los efectos generados por patógenos como ha sido el caso de SARS-Cov-2; por medio de estas metodologías se han encontrado alternativas para disminuir la incidencia de este tipo de agentes causales de la enfermedad respiratoria (^{Briones-Cando, 2020}; ^{Heilingloh et al., 2020}; ^{Inagaki et al., 2020}; ^{Kumar et al., 2021}).

En otros escenarios, como el caso de la industria de alimentos, se ha empleado la luz ultravioleta como agente físico para disminuir el ataque de microorganismos, considerando a la luz UV como una técnica limpia, dado que no genera residuos o subproductos en el proceso, como olores y sabores indeseables, a la vez que se conservan las características físicas como textura y consistencia de los alimentos (^{Alcántara-Muñoz et al., 2016}; ^{Delorme et al., 2020}). Por estas y otras razones, las lámparas de luz UV se perfilan como una opción prometedora para reducir la presencia de microorganismos, tanto en el instrumental de laboratorio como en superficies de trabajo en clínicas e industrias de alimentos, entre otros entornos.

El objetivo de esta investigación ha sido evaluar el efecto bactericida de la luz ultravioleta emitida mediante dispositivos LEDs sobre el crecimiento en placa de Petri de microorganismos sobre los que se establecen límites legales en los alimentos. Se ha diseñado un equipo de alimentación eléctrica con temporización precisa y cámara para evitar fugas lumínicas en el que se han conectado dos dispositivos de emisión de radiación ultravioleta mediante tecnología LEDs a diferentes longitudes de onda: mediante una matriz de LEDs (^{Delorme et al., 2020}). Por estas y otras razones, las lámparas de luz UV se perfilan como una opción prometedora para reducir la presencia de microorganismos, tanto en el instrumental de laboratorio como en superficies de trabajo en clínicas e industrias de alimentos, entre otros entornos.

El objetivo de la presente investigación consistió en evaluar diferentes espectros de luz ultravioleta (UVA, UVB y UVC) y su incidencia en el crecimiento bacteriano (E. coli).

Materiales y métodos

Se llevó a cabo una investigación de tipo descriptivo y observacional, donde fueron empleados tres tipos de lámparas LED (por su nombre en inglés, Light Emitting Diode) ultravioleta de acuerdo con su longitud de onda. El primer tipo correspondió a LED UVA en el rango 390 nm a 400 nm, con una potencia de 0,5 watt por cada LED; el segundo tipo fue LED UVB en el rango de 395 nm a 310 nm con una potencia de 1,0 watt por cada LED; y, finalmente, el tercer tipo atañó a LED UVC en el rango de 260 nm a 275 nm, con una potencia de 0,5 watt por cada LED. Teniendo en cuenta la potencia de cada LED, se diseñaron nueve lámparas con intensidad generadora de luz de 1, 3 y 5 watts para lograr potencias de irradiación de 0,051; 0,152 y 0,254 w/cm², respectivamente, sobre líneas celulares E. coli (One Shot, XL1 Blue).

Para la preparación del inóculo, se tomaron las líneas celulares E. coli (One Shot, y XL1 Blue), se replicaron en medio de cultivo LB (Luria Bertani) sólido; una vez crecieron las bacterias se inocularon en medio de cultivo LB líquido donde crecieron durante 16 horas a 37°C, posteriormente se midió la OD (difracción óptica) a 600 nm con el fin de realizar el cálculo de la concentración de bacterias.

Una vez conocida la concentración de bacterias en el medio, se realizó la inoculación de las bacterias, que sirvieron para evaluar los tratamientos de las diferentes longitudes de onda de la luz UV, utilizando cajas de petri con medio de cultivo LB sólido, en las que se inocularon 30μl de bacterias, a una concentración de 3,9x10⁷ UFC/ml.

El proceso consistió en exponer los cultivos bacterianos de E. coli a radiaciones ultravioleta, controlando variables que podrían incidir en el efecto bactericida: tipo de bacterias (E. coli - One Shot y XL1 Blue); concentración de bacterias en el medio de cultivo (3,9x107 UFC/ml); potencia de la radiación de luz ultravioleta generada (uno, tres y cinco watts); tiempo de exposición (uno y cinco minutos en el experimento I; uno, tres y cinco minutos en el experimento II); y la distancia a la cual se aplicó la radiación (un centímetro).

Resultados y discusión

En la Tabla 1 se presenta los resultados de las radiaciones efectuadas sobre los cultivos de la bacteria E. coli (One Shot), se puede observar que las radiaciones UVA no tienen ningún tipo de efecto bactericida sobre las muestras expuestas a radiaciones a corto y a largo tiempo, tanto con baja como con alta potencia.

En el caso de los rayos UVB, se pueden observar pequeñas afectaciones sobre las muestras, consistentes en una leve reducción en el crecimiento de las bacterias, principalmente, de aquellas con exposiciones de alta duración y altas potencias; este resultado permite determinar que los rayos UVB no poseen una buena actividad bactericida, dado que la afectación en el crecimiento de las bacterias es inferior al 10%.

Finalmente, en el caso de exposiciones con radiación UVC, se puede constatar que la inhibición en el crecimiento bacteriano se mantenía con el tratamiento de baja potencia y poco tiempo de exposición. En el conteo de las unidades formadoras de colonias (UFC) se encontró un promedio de 14 UFC en las placas expuestas, porcentaje muy despreciable si se realiza la proporción con respecto a la cantidad del inóculo inicial (3,9x107 UFC/ml). Ahora bien, el aumento de la potencia genera mayor radiación, lo que permite cubrir mayor área de exposición y por lo tanto genera mayor reducción en las UFC; del mismo modo, el aumento del tiempo de exposición permitió corroborar similar tendencia en la disminución de las UFC. De esta manera se deduce que, a mayor tiempo de exposición, es más eficiente el efecto bactericida de los UVC, logrando inhibir totalmente el crecimiento bacteriano con una potencia de 5 watts y un tiempo de exposición de 5 minutos.

Basados en los resultados del test preliminar (experimento I), se diseñó el experimento II que tenía por objetivo, poder reproducir los resultados del primer test, se realizaron algunas variaciones, en esta segunda fase del experimento se aumentó el número de unidades de muestreo (caja de petri con medio LB e inóculo bacteriano), adicionalmente, se trabajó con una potencia intermedia de 3 watts y se cambió la línea celular por la bacteria E. coli XL1 Blue (Tabla 2).

Como se puede observar, el segundo experimento permitió reproducir los resultados del primer test. Los cultivos irradiados con rayos UVA no tuvieron ningún tipo de afectación; por otra parte, se observó una leve reducción de bacterias en los cultivos irradiados con rayos UVB de 3 y 5 watts en una exposición de 5 minutos; no obstante, con este resultado, no es posible afirmar que se cumpla con el objetivo de lograr el efecto bactericida con esas exposiciones de irradiación UVB. Finalmente, se logró evidenciar que en las irradiaciones de rayos UVC con baja, media y alta potencia evaluadas, hubo un alto efecto bactericida sobre las muestras analizadas (Tabla 1); tal como se observa, las radiaciones UVC afectan el crecimiento de a las bacterias, pero de manera zonificada, es decir, donde el LED generador de luz UVC tiene incidencia directa, lo cual se calcula en distancias que pueden llegar hasta los 5 cm desde el LED hasta la ubicación de las bacterias (Figura 1).

Fotografía: Jhon Fredy Betancur Pérez.

Figura 1 Resultado de cultivo de bacteria E. coli irradiado con rayos UVC. 

La Figura 1 muestra de manera gráfica, el comportamiento de los cultivos de la bacteria E. coli expuesta a radiaciones de rayos UVC. En ella se puede observar dos zonas: una en la cual tuvo incidencia directa de radiación y por ende afectación en el crecimiento y desarrollo de las bacterias; y otra en la que se identifican UFC bacterianas. Así, se demuestra que la distancia y la incidencia de luz tienen efectos bactericidas, evitando el efecto sombra (^{Pietrobon-Tarrán, 2012}), constituyéndose en dos variables que determinan la efectividad del efecto bactericida que puedan tener los rayos UVC.

Según ^{Rossel-Bernedo et al. (2020)} y ^{González-Pérez et al. (2015)}, la luz ultravioleta es una buena alternativa para procesos de desinfección o eliminación de bacterias que pueden ser ingeridas por las personas y que puedan causar problemas en su salud, como microorganismos patogénicos, entre ellos la bacteria E. coli. Se realizó la investigación en el Laboratorio de Control de Calidad de la Planta de Tratamiento de Agua Potable de la EPS, EMSA Puno, debido a que las normas vigentes exigen que las lecturas de coliformes totales y termotolerantes en el agua potable deben de ser 0 UFC/100 ml, siendo la radiación UV-C una alternativa para la disminución en el uso del Cloro. Por lo que se experimentó con una dosis de 0,00176 W/cm²/s de radiación UV-C con una longitud de onda dominante de 254 nm, las muestras de agua experimentales fueron sometidas a 1, 2, 3, y 4 segundos de exposición a la mencionada radiación. Para la determinación de la presencia bacteriana en agua (coliformes totales y termotolerante sin embargo, es importante considerar aspectos físicos que permitan realizar un proceso de manera eficiente, como es el tiempo de exposición o la generación de sombras, ya que a través de este experimento, se puede observar que los rayos de luz UVC tienen un efecto bacteriano en el momento que las bacterias están expuestas en la superficie de trabajo o en cualquier elemento sometido a este proceso, como lo afirma ^{Millán et al. (2015)}, aunque cabe resaltar que no todas los tipos de luz UVC tienen el mismo efecto.

En síntesis, la luz UVC tiene un alto potencial bactericida; sin embargo, por las características propias de este tipo de luz, en las que se conoce que la longitud de onda afecta el material genético (ADN) de diferentes seres vivos (^{Bohórquez-Ballén y Pérez-Mogollón, 2007})visible y ultravioleta (UV, de acuerdo con los resultados es plausible considerar que la luz UVC se convierte en una excelente opción para desarrollar mecanismos que protejan a las personas de la contaminación y la dispersión de agentes patógenos en situaciones específicas, como la manipulación de elementos de laboratorio o el contacto con superficies potencialmente infectadas, siempre y cuando se logre solucionar algunas barreras como la potencia de las radiaciones, la distancia a la cual se puede tener efectos, el tiempo de radiación y el evitar la generación de sombras (mediante el uso de una mayor cobertura en las lámparas), entre otros.

Por otro lado, es necesario tener en cuenta las barreras de protección y bioseguridad para los usuarios, ya que si bien la luz UVC puede ser altamente efectiva para inhibir el crecimiento de microorganismos (células procariotas), como observan ^{Alves et al. (2021)}, también se debe considerar sus posibles efectos perjudiciales sobre las células eucariotas de los seres humanos. Por lo tanto, es fundamental implementar medidas de seguridad adecuadas para evitar la exposición directa a la luz UVC y minimizar cualquier riesgo potencial para la salud humana.

Conclusiones

No todos los tipos de rayos UV exhiben propiedades bactericidas, ya que cada uno de ellos se emite en diferentes longitudes de onda (UVA, UVB y UVC), por lo tanto, su efecto bactericida puede variar significativamente.

La luz UVC demuestra un efecto bactericida contundente, incluso a bajas potencias y exposiciones cortas de tiempo, este impacto se logra gracias a su tipo de radiación y longitud de onda la cual oscila entre los 200 nm y 280 nm.