Photocatalysis with nanoparticulated titanium dioxide as an alternative method for purifying seawater for aquaculture

Authors

  • José Bernal Departamento de Biología, Núcleo de Sucre, Universidad de Oriente, Núcleo de Sucre, Cumaná, Venezuela http://orcid.org/0000-0003-2445-6638
  • Miguel Guevara Instituto Superior de Formación Docente “Salomé Ureña”. ISFODOSU-FEM. Santo Domingo, República Dominicana http://orcid.org/0000-0002-1830-3822
  • Francisco Pérez Departamento de Física, Núcleo de Sucre, Universidad de Oriente, Núcleo de Sucre, Cumaná,
  • Edgar Alexander Zapata-Vìvenes Grupo de Investigación en Biología y Cultivo de Moluscos, Departamento de Acuicultura, Pesca y Recursos Naturales Renovables, Facultad de Ciencias Veterinarias, Universidad Técnica de Manabí, Bahía de Caráquez, Manabí, Ecuador. http://orcid.org/0000-0003-3720-5416

DOI:

https://doi.org/10.33936/at.v4i1.4227

Keywords:

Photolysis, Photocatalysis, Bacteria, Fungi, Nanoparticle, Rotifer

Abstract

El agua utilizada en acuicultura debe presentar excelente calidad microbiológica, de manera que garantice el éxito de la producción. En esta industria se utilizan frecuentemente algunos métodos de tratamientos microbicidas tales como filtración, cloración, luz UV, etc., que además de ser costosos, pueden generar compuestos tóxicos. En orden de buscar métodos alternativos para el tratamiento de agua para uso acuícola, la presente investigación evaluó las bondades de la fotolisis directa y la fotocatálisis heterogénea con nanopartículas de dióxido de titanio (FH-NPTiO2) con la finalidad de cultivar microalgas y rotíferos a baja escala. Una reducción significativa fue observada en el crecimiento de mesófilos aerobios totales y hongos en el agua de mar tratada con FH-NPTiO2, en comparación a la fotolisis directa. La calidad del agua tratada con FH-TiO2 permitió crecimiento de la microalga Tetraselmis chuii y del rotífero Brachionus plicatilis (alimentados con T. chuii), similar al cultivo en agua filtrada y esterilizada con UV. Cuarenta y ocho horas fue el tiempo de desinfección efectivo (TDE) para el agua tratada con FH-NPTiO2. Los resultados demuestran que la FH-NPTiO2 es una tecnología que puede aportar soluciones innovadoras en el tratamiento del agua para la acuicultura.

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References

Adochite C., Andronic L. (2021). Aquatic toxicity of photocatalyst nanoparticles to green microalgae Chlorella vulgaris. Water, 13: 77. https://doi.org/10.3390/w13010077

American Public Health Association (APHA). (1998). American Water works Association & Water Environment Federation. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20th Edition. American Public Health Association (APHA). Washington, DC. USA.

Ates M., Daniels J., Arslan Z., Farah I.O. (2012). Effects of aqueous suspensions of titanium dioxide nanoparticles on Artemia salina: assessment of nanoparticle aggregation, accumulation, and toxicity. Environmental Monitoring and Assessment, 185(4): 3339–3348. https://doi.org/10.1007/S10661-012-2794-7

Castelló F. (1993). Acuicultura marina. 1ra edición, Ediciones Universidad de Barcelona, España. 739 pp.
Cho M., Chung H., Choi W., Yoon J. (2004). Linear correlation between inactivation of E. coli and OH radical concentration in TiO2 photocatalytic disinfection. Water Research, 38: 1069–1077.

FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación). (2006). State of world aquaculture 2006. Fisheries Technical Papers 500. https://www.fao.org/3/a0874e/a0874e00.htm

FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación). (2020). El estado mundial de la pesca y la acuicultura 2020. Roma. 231 pp. https://doi.org/10.4060/ca9231es

Fernández-Ibañez P., Malato S., De las Nieves F. J. (1999). Relationship between TiO2 particle size and reactor diameter in solar photoreactors efficiency. Catalysis Today, 54: 195-204.

Fernández-Ibañez, P., de las Nieves F. J., Malato S. (2000). Titanium dioxide/electrolyte solution interface: Electron transfer phenomena. Journal of Colloid and Interface Science, 227: 510-516.

Fujishima A., Rao T., Tryk D. (2000). Titanium dioxide photocatalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology, 1: 1-21.

Gázquez M.J., Pérez Moreno S.M., Bolívar J.P. (2021). TiO2 as white pigment and valorization of the waste coming from its production, Editor(s): Parrino F., Palmisano L., En: Metal Oxides, Titanium Dioxide (Tio₂) and its applications, Elsevier, Pp. 311-335, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819960-2.00011-0.

Gelover, S., Leal M., Reyes K., Gómez L. (2004). Desinfección de agua mediante fotocatálisis solar. Anuario Imta, 77-82.

Gogniat, G., Dukan S. (2007). TiO2 photocatalysis causes DNA damage via Fenton reaction-generated hydroxyl radicals during the recovery period. Applied and Enviromental Microbiology, 73(23): 7740–7743.

Gómez-Couso H., Fontan-Sainz M., Sichel C., Fernández-Ibañez P., Ares-Mazas E. (2009). Efficacy of the solar water disinfection method in turbid waters experimentally contaminated with Cryptosporidium parvum oocysts under real field conditions. Tropical Medical and International Health, 14: 620–627.

Guillard R., Ryther J. (1962). Studies of marine planktonic diatoms, I. Cyclotellanana Hustedt and Detonula confervacea (Cleve) Gran. Canadian Journal of Microbiology, 8: 229-325. https://doi.org/10.1139/m62-029

Juhua H., Ashutosh K., Musharib K., Irene M.C. Lo. (2021). Critical review of photocatalytic disinfection of bacteria: from noble metals- and carbon nanomaterials-TiO2 composites to challenges of water characteristics and strategic solutions, Science of The Total Environment, 758: 143953. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143953.

Ibáñez J. A., Litter M., Pizarro M. (2003). “Photocatalytic Bactericidal Effect of TiO2on Enterobacter cloacae Comparative Study with other Gram (-) bacteria”. Journal of Photochemistry and Photobiology Chemistry, 157: 81-85.

Madigan M., Martinko J., Parker J. (2000). Biología de los Microorganismos. 9na edición. Prentice Hall. Inc. New Jersey. 1089 pp.

Malato S., Blanco J., Maldonado M., Fernández P., Alarcón D., Collares M., Farinha J., Correia J. (2004). Engineering of solar photocatalytic collectors. Solar Energy, 77: 513-524.
Mandal, H. K. (2014). Assessment of wastewater temperature and its relationship with turbidity. Science and Technology, 6(1): 258-262.

Maness P., Smolinski S., Blake D., Huang Z., Wolfrum E., Jacoby W. (1999). Bactericidal activity of photocatalytic TiO2 reaction: toward an understanding of its killing mechanism. Applied and Environmental Microbiology, 65 (9): 4094–4094.

Merino, O., Sal F. (2007). Sistemas de Recirculación y Tratamiento de agua. Secretaría de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentos. Argentina. 37 pp.

Matsunaga T., Tomoda R., Nakajima T., Wake H. (1985). Photoelectrochemical sterilization of microbial cells by semiconductor powders. FEMS Microbiology Letters, 29: 211-214

Navarro N., Yúfera M. (1998). Influence of the food ration and individual density on production efficiency of semicontinuous cultures of Brachionus fed microalgae dry powder. Hydrobiologia, 387/388:483-487.

NOM-027-SSA1-1993. (1993). Norma Oficial Mexicana Bienes y Servicios. Productos de la pesca. Pescados frescos-refrigerados y congelados. Especificaciones sanitarias.

Pantoja-Espinoza J. C., Proal-Nájera J. B., García-Roig M., Cháirez-Hernández I. Osorio-Revilla G. I. (2015). Eficiencias comparativas de inactivación de bacterias coliformes en efluentes municipales por fotólisis (UV) y por fotocatálisis (UV/TiO2/SiO2). Caso: depuradora de aguas de Salamanca, España. Revista Mexicana de Ingeniería Química, 14(1): 119-135.

Pérez-Arizti J. A., Ventura-Gallegos J. L., Galván Juárez R. E., Ramos-Godinez M. del P., Colín-Val Z., López-Marure R. (2020). Titanium dioxide nanoparticles promote oxidative stress, autophagy and reduce NLRP3 in primary rat astrocytes. Chemico-Biological Interactions, 108966. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2020.108966

Polo M. (2012). Inactivación de Fitopatógenos presentes en Agua mediante fotocatálisis Solar. Tesis doctoral. Universidad de Almería, España. pp 335.

Rincón A. G., Pulgarín C. (2004). Effect of pH, inorganic ions, organic matter and H2O2 on E. coli K12 photocatalytic inactivation by TiO2: implications in solar water desinfection. Applied Catalysis B: Environmental. 51: 283–302

Rincón, A., Giraldo S., Pulgarín C. (2005). Desinfección de agua por fotocatálisis. Aspectos básicos En: Solar Safe Wáter. Capítulo 13. San Martin, Argentina. 203-226.

Rodrigues C., Ziolli R., Guimarães J. (2007). Inactivation of Escherichia coli in Water by TiO2-assisted disinfection using Solar Light. Journal Brazilian Chemistry Society,18(1): 126-134.

Sakkas V., Calza P., Medana C., Villioti A., Baiocchi C., Pelizzetti E., Albanis T. (2007). Heterogeneous photocatalytic degradation of the pharmaceutical agent salbutamol in aqueous titanium dioxide suspensions. Applied Catalysis B: Environmental. 77: 135–144.

Santana T. Dos S., dos Santos M.B., Winkaler E.U. (2021). Enzyme activity of the tilapia (Oreochromis niloticus) antioxidant defense system as a model of exposure to the titanium dioxide (TiO2) nanoparticle. Research, Society and Development. 10(5): e46810512829, https://doi.org/10.33448/rsd-v10i5.12829.

Skocaj M., Petkovic F. J., Novak S. (2011). Titanium dioxide in our everyday life; is it safe?. Radiololgy and Oncology, 45(4): 227-247.

Sokal R., Rohlf J. (2012). Biometry: the principles and practice of statistics in biological research, Fourth edition. WH Freeman and Company. San Francisco.

Shu Y., Atsushi M. (2020). Environmental-friendly synthesis of high-efficient composite-type photocatalysts. In: Wang X., Anpo M., Fu X. (Eds), Current Developments in Photocatalysis and Photocatalytic Materials, Elsevier, Pages 159-177, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819000-5.00011-4.

Soltani T., Byeong-Kyu L. (2020). 17-Photocatalytic and photo-fenton catalytic degradation of organic pollutants by non-TiO2 photocatalysts under visible light irradiation, Editor(s): Xinchen Wang, Masakazu Anpo, Xianzhi Fu, Current Developments in Photocatalysis and Photocatalytic Materials, Elsevier, Pp. 267-284. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819000-5.00017-5.

Vignesh T., Sruthi A. A., Seenivasan R., Chandrasekaran N., Mukherjee A. (2021). Toxicity evaluation of nano-TiO2 in the presence of functionalized microplastics at two trophic levels: Algae and crustaceans, Science of the Total Environment, 784: 147262. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147262.

Ubomba-Jaswa E., Boyle M., McGuigan K. (2008). Inactivation of enteropathogenic E. coli by solar disinfection (SODIS) under simulated sunlight conditions. Journal of Physics, 10: 1742-6596.

Xia B., Sui Q., Sun X., Han Q., Chen B., Zhu L., Qu K. (2018). Ocean acidification increases the toxic effects of TiO2 nanoparticles on the marine microalga Chlorella vulgaris. Journal of Hazardous Materials, 346, 1–9.

Zhu X., Zhu L., Li Y., Qi R., Duan Z., Lang Y. P. (2008). Comparative toxicity of several metal oxide nano-particle aqueous suspensions to zebrafish (Danio rerio) early developmental stage. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 43: 278–284.

Zhu X., Chang Y., Chen, Y. (2010). Toxicity and bioaccumulation of TiO2 nanoparticle aggregates in Daphnia magna. Chemosphere, 78: 209–215.

Zhu X., Zhou J., Cai, Z. (2011). The toxicity and oxidative stress of TiO2 nanoparticles in marine abalone (Haliotis diversicolor supertexta). Marine Pollution Bulletin, 63, 334–338.

Published

2022-03-13