Biofilms en sistemas de distribución de agua

Los microbios que se encuentran en los sistemas de distribución de agua pueden clasificarse en poblaciones autóctonas (autóctonas) y exógenas (alóctonas). Los organismos autóctonos son bacterias bien adaptadas que forman biopelículas y representan un ecosistema estable y difícil de erradicar. Las bacterias exógenas son contaminantes que se transportan al sistema por diversos mecanismos.

El desarrollo de una biopelícula permanente en el sistema de distribución se produce porque varios grupos microbianos encuentran condiciones físicas y químicas propicias para la colonización y el crecimiento en la interfaz superficie sólida/agua. Estas condiciones incluyen un amplio suministro de nutrientes (medido por el carbono orgánico asimilable, COA) para el crecimiento, una temperatura relativamente estable y cierto grado de protección frente a la exposición a productos químicos nocivos, como los desinfectantes del agua.

Cuando se mantiene un residuo de desinfectante adecuado en todo el sistema de distribución, el crecimiento microbiano suele estar bien controlado y la densidad de bacterias en el agua a granel que viaja a través de las tuberías se mantendrá baja, en el rango de < 10 a varios cientos de UFC ml- 1 (HPC). Sin embargo, la densidad de bacterias en la biopelícula puede ser varios órdenes de magnitud más alta, llegando a 1 × 105 UFCcm- 2 (HPC). La concentración residual de desinfectante necesaria para controlar el crecimiento de las bacterias varía de un sistema de agua a otro.

La elección del medio y del método utilizado para determinar la densidad bacteriana puede dar lugar a recuentos bajos o altos de bacterias heterótrofas. En general, los medios de cultivo ricos y la incubación a 35 °C producirán recuentos más bajos que los medios nutritivos diluidos y la incubación a 20-28 °C. Los factores que parecen ser críticos son el pH, la temperatura, la concentración de carbono orgánico disuelto (DOC), la concentración de AOC y el tipo de desinfectante utilizado. El residuo de desinfectante también reducirá o suprimirá el crecimiento extensivo del biofilm si el residuo se mantiene en todo el sistema. Sin embargo, sólo una pequeña fracción de bacterias es cultivable. Los métodos que miden el trifosfato de adenosina (ATP) pueden proporcionar una idea de la biomasa microbiana viable total en una muestra de agua potable. Recientemente, se han desarrollado métodos basados en el ARN para medir e identificar las bacterias activas presentes en el agua potable.

Los residuos de desinfectantes deben ser de al menos 0,2 mg l- 1 para el cloro y 0,4 mg l- 1 para la monocloramina (NH2Cl). Pueden aplicarse y mantenerse concentraciones más altas de residuos de desinfectantes, pero si el agua contiene niveles elevados de DOC, puede ser difícil mantener un residuo de desinfectante adecuado para controlar el crecimiento bacteriano y seguir teniendo un agua estéticamente aceptable para los consumidores. Las concentraciones bacterianas en el agua de distribución varían desde < 1 UFC ml- 1 en el agua que sale de la planta de tratamiento hasta 105-106 UFC ml- 1 en el agua procedente de zonas de flujo lento o estancadas del sistema de distribución. Las concentraciones de bacterias en el agua y en las superficies de las tuberías varían espacial y temporalmente en el sistema de distribución. Las densidades bacterianas en la biopelícula de las paredes de las tuberías y en los sedimentos pueden alcanzar las 107 UFC cm- 2. La biopelícula aporta bacterias al agua que fluye a través de la pérdida por cizallamiento (erosión) y por la migración de células bacterianas activamente móviles al agua.

En la Tabla 3 se enumeran algunas de las bacterias que se encuentran habitualmente en el agua potable, los sedimentos y las biopelículas. Muchas de estas bacterias se encuentran tanto en el agua como en el biofilm, lo que indica la influencia del biofilm en la calidad bacteriana del agua del sistema de distribución. De hecho, en las biopelículas es donde se produce el crecimiento bacteriano más importante en el sistema de distribución. Además, estas biopelículas multiespecíficas forman micronichos relativamente protegidos en los que los patógenos pueden refugiarse. Las bacterias en el agua potable se detectan y enumeran utilizando medios y métodos de cultivo tradicionales (coliformes, coliformes termotolerantes, recuento de placas heterotróficas, etc.). El reciente desarrollo de métodos moleculares independientes de los cultivos (basados en el ADN y el ARN) ha comenzado a revelar la gran diversidad de bacterias presentes en el agua, las biopelículas y los sedimentos. Con los métodos basados en el ADN y el ARN se han detectado los genes de muchas bacterias que aún no pueden cultivarse.

Tabla 3. Ejemplos de microorganismos encontrados en el agua de distribución tratada, en el sedimento y en la biopelícula del sistema de distribución, según se informa en la literatura científica revisada por pares

Microorganismo Agua de distribución Sedimento Biopelícula
Pseudomonas spp. X X X
Alcaligenes spp. X X
Acinetobacter spp. X X
Moraxella spp. X X X
Arthrobacter spp. X X X
Corynebacterium spp. X
Bacillus spp. X X X
Enterobacter spp. X X X
Micrococcus spp. X
Flavobacterium spp. X X X
Klebsiella spp. X X X
Mycobacterium spp. X X X
Porphyrobacter X
Blastomonas X
Sphingomonas X
Bosea X
Phenylobacterium X
Delftia X
Bacterias del hierro/azufre X X X
Bacterias nitrificantes X X X
Las levaduras/hongos X X X
Invertebrados/protozoos X X X
Virus entéricos X X

Las bacterias del hierro y del azufre son organismos «molestos» que causan problemas de sabor y olor y a menudo se asocian con las fuentes de agua subterránea. Las bacterias y los hongos nitrificantes causan problemas en los sistemas de agua potable clorados, incluido el agotamiento del cloro total residual, la conversión de compuestos nitrogenados reducidos, como el amoníaco, en nitrito y nitrato, y niveles elevados de bacterias heterótrofas. Los invertebrados y protozoos son organismos molestos asociados a las quejas estéticas sobre la calidad del agua. Los invertebrados y los protozoos también pueden albergar bacterias patógenas y no patógenas, ya sea internamente o adheridas a sus superficies, y esta asociación proporciona a las bacterias cierto grado de protección frente a la inactivación por los residuos de los desinfectantes. http://www.epa.gov/ogwdw/disinfection/tcr/pdfs/whitepaper_tcr_biofilms.pdf

La información sobre el desarrollo y el control de las biopelículas en el agua potable es escasa (EPA, 1992). Además, hay pocos datos sobre otras cuestiones relacionadas con las biopelículas, incluido el papel de las bacterias del hierro y el azufre en el desarrollo de las biopelículas, el papel de las biopelículas en la corrosión del material de las tuberías, el papel de las biopelículas en la nitrificación para los sistemas que utilizan cloraminas como desinfectante secundario y el efecto de los inhibidores de la corrosión añadidos en las poblaciones bacterianas de las biopelículas.

La presencia de cloro o cloramina retrasa el desarrollo y afecta a la distribución espacial de las biopelículas. El tipo de residuo de desinfectante proporcionado selecciona las bacterias que son más tolerantes al desinfectante específico utilizado. El entorno de la biopelícula proporciona protección a las células mediante la resistencia a la difusión y la neutralización del desinfectante. Por lo tanto, los organismos de la biopelícula están menos inhibidos por el residuo de desinfectante que las células planctónicas. Se ha demostrado la eficacia diferencial del cloro y la monocloramina para controlar el crecimiento de las biopelículas. La monocloramina, al ser menos reactiva y por lo tanto más persistente, aparentemente puede penetrar en la biopelícula y es más eficaz que el cloro para controlar el crecimiento de la misma.

En algunos casos, los coliformes que entran en el sistema de distribución pueden adherirse a las tuberías o a los sedimentos de las mismas y proliferar, convirtiéndose así en un componente de la biopelícula. El desprendimiento intermitente, esporádico o persistente de bacterias coliformes de las biopelículas en el agua del sistema de distribución puede hacer que los sistemas violen repetidamente las normas de coliformes totales. Este problema se asocia con mayor frecuencia a los servicios públicos que utilizan un suministro de agua de superficie en el que la temperatura del agua es ≥ 15 °C. La seguridad pública dicta que todos los coliformes detectados por las pruebas se consideren como representantes de la vulnerabilidad del sistema, a menos que haya pruebas sólidas que sugieran lo contrario.

La empresa de suministro de agua debe revisar sus operaciones de tratamiento y aumentar la supervisión de la calidad del agua que entra en el sistema de distribución para asegurarse de que un tratamiento inadecuado o fallido no es el responsable de los casos de coliformes totales y de que E. coli no está presente en el agua. La empresa de suministro de agua también debe revisar el funcionamiento y la gestión del sistema de distribución de agua para garantizar la ausencia de E. coli, la presencia de un residuo de desinfectante, la aplicación de un programa adecuado de control de las conexiones cruzadas y el mantenimiento de una presión adecuada para evitar la intrusión de contaminantes microbianos. Por último, la empresa de suministro de agua debe asegurarse de que los grandes volúmenes de agua almacenados en depósitos, tuberías verticales o tanques sobre el suelo no sean la fuente del problema de los coliformes totales.

Durante los períodos de agua caliente, es más difícil mantener un residuo de desinfectante en el agua en todas las partes del sistema de distribución. Con el aumento de la temperatura, el desinfectante reacciona más rápidamente con los productos químicos orgánicos disueltos en el agua y en la biopelícula, y las bacterias crecen más rápidamente. El aumento de la velocidad de reacción y el crecimiento de las bacterias suele verse agravado por el desconocimiento de la hidráulica del sistema y del movimiento real del agua a lo largo del mismo. En muchos casos, hay grandes zonas en las que el movimiento del agua es mínimo. Muchas empresas de suministro de agua pueden crear problemas de contaminantes microbianos o químicos por no entender cómo funcionan sus sistemas; una mejor gestión del sistema puede reducir esos problemas.

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