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El papel de la autodepuración microbiana en la regeneración y reutilización de aguas residuales urbanas

En el siglo XIX, un médico inglés intentó descubrir por qué no se extendía la epidemia de cólera que había en aquel momento por las poblaciones situadas a la orilla del Ganges, como hubiera sido de esperar. Y lo que descubrió es que la bacteria que produce el cólera moría en aguas del Ganges, pero sobrevivía en agua destilada.

0El papel de la autodepuración microbiana en la regeneración y reutilización de aguas residuales urbanas

En el siglo XIX, un médico inglés intentó descubrir por qué no se extendía la epidemia de cólera que había en aquel momento por las poblaciones situadas a la orilla del Ganges, como hubiera sido de esperar. Y lo que descubrió es que la bacteria que produce el cólera moría en aguas del Ganges, pero sobrevivía en agua destilada.

La regeneración de aguas residuales urbanas para su reutilización en usos agrícolas, industriales y recreativos, es una necesidad en España. Las razones están claras: tenemos un problema hídrico grave, pero al mismo tiempo nuestro potencial de regeneración y reutilización de aguas residuales también es potencialmente grande, por lo menos 10 veces superior al actual, lo que representa, desde varios puntos de vista, una solución buena y accesible.

Desde luego la regeneración no es el único proceso que se puede utilizar para disminuir nuestro déficit hídrico. Otras alternativas, como la desalación o los transvases, ya están siendo utilizadas con ese fin. Sin embargo, son procesos que, aunque económicamente puedan resultar competitivos, presentan otros problemas medioambientales, energéticos y estructurales, que pueden ser bastante significativos, y que hay que tener en cuenta. Todas estas consideraciones han debido pesar en la fijación de objetivos en política hídrica por el Gobierno, que ha decidido promover la regeneración y reutilización de aguas residuales ennuestro país. Así queda explícitamente afirmado en el texto refundido de la Ley de Aguas, RD 1/2001 de 0/6, art. 109.

Recientemente ha sido publicado el RD 1620/2007, que establece el régimen jurídico aplicable a estos procesos, En él se incluyen con bastante detalle los criterios de calidad, químicos a microbiológicos que debe cumplir el agua regenerada para ser reutilizada en los diferentes ámbitos urbanos, agrícolas e industriales y la metodología de análisis que debe ser seguida para asegurar el cumplimiento de dichos criterios.

Sin embargo, a pesar de que la solidez de los análisis científicos y técnicos respalda claramente la aplicación de esta tecnología, cuya implantación ha sido recomendada oficialmente en el BOE como acabamos de ver, su implantación real está muy por debajo de sus potencialidades. Podemos identificar varias causas por las que su desarrollo esté siendo limitado. El primero, fácilmente identificable, es un cierto rechazo social, pero también hay dificultades de tipo técnico o normativo aún no superadas. En todas ellas subyace una gran falta de información.  La experiencia que aportaría un plan nacional de reutilización de aguas depuradas, ayudaría a resolver los problemas técnicos, a cuantificar los riesgos sanitarios y medioambientales asociados a su implantación y a desarrollar los métodos de análisis y control que asegurarán la calidad e inocuidad de las aguas regeneradas.

El proyecto TRAGUA

Para colaborar en ese gran objetivo ha surgido el proyecto de investigación TRAGUA (Tratamiento y Reutilización de Aguas Residuales para una gestión sostenible).Este proyecto es el resultado de la colaboración de 23 grupos de investigación de diferentes áreas, desde la ingeniería química a la microbiología y desde el análisis químico a la economía, que han unido su acreditada experiencia profesional para abordar de forma integral el proceso de regeneración y reutilización de aguas residuales urbanas depuradas.

Dentro del objetivo general del proyecto, los objetivos específicos de nuestro grupo se dirigen a ayudar a resolver los problemas microbiológicos que surgen a lo largo del proceso de regeneración, desde la recepción del efluente secundario de una EDAR hasta el momento de su reutilización.

Se trata de una investigación muy necesaria en los momentos actuales. En efecto, el cumplimiento del RD 1620/2007 y específicamente de sus artículos 2.1, 5.4 y 5.5 exigen un conocimiento y control por parte de los responsables, no sólo de la eficiencia de la tecnología de depuración, sino de la calidad del agua después del tratamiento correspondiente y también durante el almacenamiento, hasta el momento de su uso.

Desde el punto de vista microbiológico, esto se concreta no sólo en el análisis de la eficiencia de los diversos tratamientos terciarios en la eliminación de patógenos, sino también en el control de la evolución de los microorganismos en los diversos periodos de almacenamiento pre- y post-tratamiento, terciario. Durante esos periodos la población microbiana del efluente no es estática. Desde el punto de vista de la regeneración del agua, el cambio más relevante que tiene lugar es la desaparación progresiva de las bacterias patógenas, un proceso que depende de las condiciones ambientales y de la población microbiana total y que se conoce con el nombre de autodepuración. Por todo ello, nuestro objetivo específico en el Proyecto Tragua es doble:

1.       Analizar el proceso d autodepuración y su relevancia en la eliminación de patógenos del agua bajo diferentes condiciones ambientales, tornando su uso más fiable y predecible, a través de la elaboración de modelos matemáticos que permitan describir cuantitativamente y predecir sus efectos.

2.       Analizar los efectos de otros tratamientos terciarios físico-químicos sobre la capacidad autodepuradora de las aguas regeneradas y su potencial de recontaminación. En este artículo queremos compartir y divulgar los resultados y conclusiones que estamos obteniendo.

La autodepuración de las aguas: un proceso biológico conocido desde los propios orígenes de la microbiología

En 1896, F. Hanbury Hankin, un médico inglés estudioso del cólera en la India, realizó un sencillo experimento para intentar explicarse por qué la epidemia de cólera no se extendía a lo largo del cauce del Ganges, como era de esperar de las frecuentes e intensas relaciones de las poblaciones con su río sagrado. El experimento consistió en inocular cultivos puros del vibrio del cólera en agua del Ganges, utilizando agua destilada como control. Hankin publicó sus resultados en la revista fundada pocos años antes por Pasteur, Annales de l-Institut Pasteur, donde escribió: -la baceria Vibrio cholerae, causante de la enfermedad mortal del cólera, muere a las tres horas de ser inoculada en agua del Ganges. La misma bacteria continuaba viva después de 48 horas en agua destilada. En el mismo artículo sugería que esta aparente capacidad bactericida del agua del Ganges y la de su afluente, el Yamuna, eran las responsables de la contención de la epidemia que en aquellos días vivía la región.

En los más de cien años transcurridos desde el experimento, sus resultados y conclusiones han sido confirmados con una gran diversidad de aguas y de microorganismos patógenos. Un ejemplo más es el experimento realizado en nuestro laboratorio. Con la amable colaboración de una EDAR madrileña conseguimos una mezcla de muestras de efluente secundario obtenidas a la salida de un tanque de lodos activos durante 24 horas. El experimento consistió en dejar el efuente a temperatura ambiente en el laboratorio y analizar a lo largo de seis semanas, la evolución de la población de microorganismos mesófilos totales, enterobacterias y la especie indicadora Escherichia coli. La capacidad autodepuradora del efluente actuó sobre Escherichia coli, que dejó de ser detectable por el método analítico empleado  -siembra en placas Chromocult) entre la primera y la segunda semana de almacenamiento del efluente. Las enterobacterias fueran indetectables a partir de la segunda semana pero los mesófilos totales apenas disminuyeron su población en las seis semanas de estudio. Esta eliminación selectiva de las bacterias indicadoras de contaminación fecal, sin que haya habido ninguna intervención externa, es lo que podemos llamar autodepuración.

Obviamente, la aplicación tecnológica de un sistema de depuración de patógenos tan sencillo, sin más requerimientos que disponer de tiempo -semanas- y una estructura de almacenamiento del agua, se está analizando desde hace mucho tiempo. Las ventajas fundamentales son su sencillez, economía y escaso impacto ambiental. Los inconvenientes son su lentitud, pero sobre todo su limitada fiabilidad, que está ligada a la complejidad biológica del proceso y su gran dependencia de numerosas variables ambientales, características que tornan muy difícil la predicción de los resultados de su palicación. Por todo ello, la utilización de la autodepuración como proceso único a utilizar en la regeneración e aguas desde el punto de visa microbiano está descartada en la mayoría de los casos, y únicamente se suele considerar su aplicación como proceso complementario que puede mejorar los resultados de los tratamientos terciarios de forma barata y sencilla. En cualquier caso, una utilización racional de la autodepuración de un proceso industrial de regeneración de aguas residuales requiere la elaboración de un modelo matemático predictivo que nos permita integrarlo dentro del proceso de tratamiento terciario integral, de forma que aprovechemos sus ventajas superando sus limitaciones. Para ello es necesario obtener un conocimiento de cuáles son los mecanismos biológicos subyacentes al fenómeno, evaluar cuantitativamente cual es la aportación de cada uno de ellos al proceso global y cuantificar también el efecto de las condiciones ambientales más relevantes sobre su actividad depuradora. En esta dirección hemos trabajado y en las dos próximas secciones describimos lo que hemos aprendido.

Mecanismos biológicos que participan y determinan la capacidad de depuración de un agua residual

La capacidad de autodepuración de un agua se suele medir inoculándole una población de Escherichia coli o cualquier otra especie que queramos ensayar, hasta alcanzar una población inicial cercana a las 10⁷ UFC/ml. La inoculación se realiza para elevar la población inicial de los efluentes secundarios, que no suele superar las 10² UFC/ml, y poder estudiar la cinética de desaparición con mayor precisión, ya que el análisis microbiológico de poblaciones pequeñas, cercanas al límite de detección de los métodos empleados, implica una mayor incertidumbre de los datos.

Los resultados de un experimento típico de medida de esta capacidad, están descritos en la fig. 2, que muestra la inactivación de la población inoculada a lo largo del tiempo. En esa figura se incluyen dos tipos de efluentes secundarios, uno inoculado a las 24 horas de haber salido del tanque de lodos activos y el segundo, inoculado después de haber estado almacenado en el laboratorio, a la luz y a temperatura ambiente, durante 18 días. La semejanza de las cinéticas de desaparición obtenidas demuestra que la capacidad de autodepuración e mantiene durante bastante tiempo.

El proceso de depuración es complejo y en él participan mecanismos biológicos muy diversos. Los que se consideran más relevantes han sido incluidos en las dos primeras columnas de la tabla adjunta. La participación de estos mecanismos biológicos en la autodepuración ha sido demostrada científicamente pero en experimentos centrados en cada proceso individual.

Existe por tanto una información parcial y poco cuantitativa que no permite cuantificar la relevancia de cada mecanismo ni si existe alguna secuencia temporal en su intervención a lo largo de todo el proceso. Nuestro abordaje para llenar, al menos parcialmente, esta laguna, ha sido un fraccionamiento del efluente, eliminando secuencialmente en él los microorganismos o moléculas que podrían ser responsales de la inactivación. La tercera columna de la  tabla identifica la técnica que hemos empleado para eliminar sucesivamente los diferentes agentes responsables de cada mecanismo y el diagrama de flujo adjunto describe el protocolo experimental que hemos seguido.

Así, el efluente recibido de la EDAR fue dividido  en dos alícuotas, una de ellas se mantuvo sin alteraciones, fue llamada efluente sin tratamiento. Consideramos que esa muestra contiene todos los mecanismos de depuración presentes en el efluente original. La otra alícuota fue centrifugada -3.500 rpm durante 10 minutos-, y filtrada a través de un filtro de 0.22 micras, de tamaño de poro. Esta segunda muestra fue dividida también en dos alícuotas; la primera no fue sometida a ningún tratamiento posterior, fue llamada efluente centrifugado y filtrado, y es un efluente sin protozoos bacterívoros ni bacterias que compitan por los nutrientes, pero mantiene las moléculas potencialmente tóxicas y los bacteriófagos. La segunda alícuota fue sometida a un tratamiento térmico -100ªC durante cinco minutos- para inactivas proteínas y bacteriófagos y lo hemos llamado efluente TT. El efluente completo mantiene una cinética de inactivación de E. coli similar a la que habíamos observado anteriormente, el efluente sin microorganismos, retarda la depuración, que es mucho más lenta durante la primera semana, pero a partir de ahí continúa con una cinética de inactivación semejante al del efluente completo.

El efluente tratado térmicamente parece haber perdido completamente su capacidad depuradora, por lo menos durante los 25 días del experimento. Dejaremos para el apartado siguiente una discusión algo más pormenorizada de estos resultados, pero ya podemos obtener una conclusión relevante que relaciona la autodepurac ión con oros tratamientos terciarios que puedan incluirse en un proceso regenerador. A medida que vamos limpiando y eliminando del agua protozoos, bacterias, bacteriófagos y toxinas, vamos eliminando también su capacidad de autodepuración.

Un modelo predictivo del proceso de autodepuración

La supervivencia del Escherichia coli en aguas y suelos ha sido bastante estudiada en los últimos años y se han publicado abundantes datos cuantitativos. El modelo matemático que ha sigo generalmente más usado es la clásica ecuación exponencial negativa que asume una cinética de primer orden en la inactivación. Sin embargo, este modelo no explica los numerosos casos en los que no hay inactivación en tiempos coros o en los que ésta deja de ocurrir a tiempos largos. Claramente, éste es el caso de la inactivación que hemos observado en nuestros efluentes, en los que la representación del logaritmo de las bacterias supervivientes no es una línea recta sino una curva con una larga cola que debe ser tenida en cuenta. El hecho de que la tasa de inactivación sea cada vez menor de forma que la curva parezca ir aproximándose a una asíntota indica que el proceso depurador es más ineficiente a medida que la población va siendo inactivada,  y tiene un límite. Ese límite representado por la asíntota, representa la población que se mantendría en el efluente, inaccesible a los mecanismos depuradores.

Unos modelos matemáticos que describen bien este efecto -cola y que además ofrecen una explicación de este efecto, son los basados en el uso de distribuciones estadísticas tipo Weibull. Estos modelos, además, permiten describir tanto las cinéticas convexas, con un periodo inicial sin aparente inactivación, como las cóncavas en las que las que no se consigue una inactivación completa. En este trabajo hemos aplicado una distribución tipo Weibull a nuestras curvas de depuración. SE trata de una ecuación muy sencilla:

LogN = logN₀-b*t_n

Con sólo dos parámetros, b, que suele ser llamado coeficiente de localización, y n, llamado coeficiente de forma ya que la curva correspondiente a la ecuación toma formas convexas cuando es mayor que 1 y cóncavas cuando es menor que 1. Cuando n es igual a 1, la ecuación de Weibull se convierte en la típica ecuación exponencial negativa. La cinética de inactivación de primer orden se puede considerar por tanto como un caso específico de la ecuación de Weibull en el que n es igual a 1.

Las curvas en línea continua que aparecen en las figuras han sido obtenidas por el ajuste de los parámetros de la ecuación de Weibull a los datos experimentales correspondientes usando el programa Solver (Excel). Hemos aplicado este modelo a resultados de otros experimentos con otros efluentes, agua residual sintética, inoculados con otras especies bacterianas como Salmonella, obteniendo en todos los caos ajustes satisfactorios. Todos los resultados obtenidos confirman que la supervivencia es mayor -la autodepuración menor- a medida que el agua es más limpia.

La sorprendente resistencia al hambre de las bacterias, o por qué un agua limpia es un agua indefensa

El Dr. Hanbury Hankin se sorprendía hace más de 100 años de que Vibrio cholerae sobreviviera en agua destilada durante dos días. Probablemente, hoy mostraría una sorpresa quizá mayor al saber que hay laboratorios que siguen conservando bacterias, pertenecientes a diversas especies, incluso patógenas, en agua destilada estéril, que mantienen su viabilidad desde hace más de 20 años en algunos casos.

La sorpresa se puede explicar por nuestra tendencia natural a creernos el centro del mundo, el vivo y el inanimado, y a utilizar ideas antropocéntricas para llenar los huecos de nuestra ignorancia. Pensamos que, como nosotros podemos morir de hambre, frío o sed,  también las bacterias se morirán a temperaturas muy por debajo de cero, sin nada de agua o sin fuentes de carbono y energía a su disposición. Y sin embargo, es todo lo contrario. Las temperaturas del nitrógeno líquido, por debajo de los -140ºC son las mejores para conservar viables y sin que modifiquen sus propiedades, las cepas bacterianas, como lo es eliminar por completo el agua por un proceso de liofilización. Y de forma semejante, se mantienen de forma viable en agua limpia durante muchos años. No hay una hipótesis demostrada para explicar esta supervivencia. Podemos asumir que la muerte bacteriana es un proceso que necesita de una cierta actividad metabólica y que si no hay un metabolismo activo no puede haber crecimiento pero tampoco muerte. Las células vegetativas vivirían en un estado llamado de criptobiosis (Vida escondida) semejante al de las semillas vegetales. Por esta razón, si un agua que ha sido regenerada hasta dejarla completamente limpia vuelve a contaminarse con una bacteria patógena, las bacterias sobrevivirán en ella durante años, hasta que la llegada del alimento les permita crecer y aumentar la población. ¿Queremos decir con ello que no hay que limpiar el agua para que no pierda su poder de autodepuración? En absoluto. En primer lugar porque, como hemos visto, la autodepuración como tratamiento terciario es un proceso sencillo, barato y de bajo impacto ambiental pero lento y todavía poco fiable. Por tanto, en muchos casos habrá que recurrir a otros tratamientos terciarios para regenerar el agua. La forma e intensidad en que estos tratamientos terciarios afecten a la capacidad autodepuradora de los efluentes a regenerar será un objetivo prioritario en nuestros próximos estudios para hacer compatibles y sinérgicos ambos tipos de tratamientos,  físico-químicos y biológicos. Pero sobre todo habrá que analizar y seleccionar  los mejores procesos de regeneración y reutilización con una perspectiva de análisis cuantitativo del riesgo. Ilustraremos este abordaje con un ejemplo. No tenemos duda de que la recontaminación de un agua regenerada con patógenos es un peligro, y esperamos haber convencido de que el riesgo de una contaminación estable es mayor a medida que el agua está más limpia. Por ello, el riesgo cuantitativo de recontaminación será despreciable si el agua generada se emplea para el riego, donde la población autóctona del suelo pronto restablecerá la capacidad de depuración. Y sin embargo, habrá un riesgo elevado si la misma agua regenerada, tan limpia, se emplea para rellenar un acuífero al que puedan llegar filtraciones de fosas sépticas.

Fuente: Infoenviro

Autores: Julián D. Arias, Gilberto A. Benítez, Eva Mª Rivas, Petra Wrent, Mº Isabel de Silóniz  José M. peinado, todos ellos pertenecientes a la Facultad de Biología  de la Universidad Complutense.