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Efecto del desprendimiento de las biopeliculas formadas en una red de acueducto sobre la calidad del agua.

Impact of Drinking Water Biofilms Detachment in Water Quality

INTRODUCCION

La calidad de vida y salud de una poblacion depende, en gran medida, de la calidad del agua que consumen sus habitantes. Por esta razon, es de vital importancia garantizar que la calidad del agua sea optima en todos los puntos de la red de distribucion, sin importar la distancia de las cometidas a la planta de tratamiento de agua potable (PTAP), el material de las tuberias de la red, o la edad de las mismas (Momba & Makala, 2004).

Teniendo en cuenta que el proceso de desinfeccion realizado en las PTAP no remueve la totalidad de microorganismos presentes en el agua, es posible que exista la formacion de agregados bacterianos sobre las superficies de las tuberias, dada por diferentes procesos de intercambio de electrones, promoviendo adhesion e incrustamiento de diversos microorganismos en estas (Geldreich, 1990). Estos agregados son denominados biopeliculas, cuya formacion es potenciada por procesos de operacion en la red, como la perdida de presion, infiltraciones y cambios en la calidad de la fuente por condiciones meteorologicas, los cuales generan ambientes optimos para el crecimiento de los microorganismos.

Las biopeliculas tambien constan de una fase inorganica, la cual esta asociada a bacterias tales como la Pseudomonas sp que son capaces de formar una matriz de sustancias polimericas extracelulares (EPS) (Garrett, Bhakoo & Zhang, 2008) a las cuales se pueden adherir cationes polivalentes como el aluminio, el hierro, el manganeso y el zinc.

En la tabla 1 se muestran las condiciones en las cuales se ha encontrado crecimiento microbiano y formacion de biopeliculas. Tal como se sugiere en esta tabla, la viabilidad del crecimiento de estas puede darse en cualquier lugar en el que se encuentren nutrientes, microorganismos y algo de humedad (Morato, 2007).

La formacion de biopeliculas esta dada por el ingreso de microorganismos a la red, los cuales se adhieren a las tuberias por medio de las EPS, formando una matriz microbiana que se alimenta de nutrientes del agua y de la tuberia, que a su vez absorbe compuestos inorganicos. Dentro de esta matriz se dan procesos de reproduccion y desprendimiento que conllevan a la formacion de nuevos agregados en otros puntos de la red.

Una de las variables estudiadas en la formacion de biopeliculas es el material de las tuberias de la red, las cuales sirven como medio de soporte para la formacion de biopeliculas, si se cumplen las condiciones mostradas en la tabla 1 y, asimismo, si hay presencia de microorganismos en la red de distribucion. Los materiales comunmente utilizados son el cemento (asbesto cemento y concreto), el plastico (PVC) y los metalicos (hierro ductil, acero). Estos ultimos, son mas propicios a la formacion de biopeliculas en tiempos cortos (dias o semanas), mientras que los plasticos tardan mas tiempo (meses-anos) en su formacion (Niquette, Servais & Savoir, 2000). Sin embargo, esto depende de las condiciones de flujo y de la calidad del agua y tiende a variar en las diferentes redes de agua potable.

El desprendimiento de las biopeliculas produce cambios en la calidad fisicoquimica y microbiologica del agua, ya que entre otros produce eventos de coloracion que pueden afectar la salud de la poblacion (Batte, Appenzeller, Grandjean, Fass, Gauthier, Jorand & Block, 2003).

Existen tres tipos de desprendimiento: Espontaneo, el cual se presenta constantemente en la red y por medio del cual se reintroducen nutrientes, microorganismos y metales al agua. Puede presentar una falla por adhesion y cohesion relacionado con aumento en las fuerzas cortantes en las paredes de las tuberias por cambios en las condiciones de flujo o suspensiones del servicio para mantenimiento y dispersion que se relaciona a gradientes en la concentracion de nutrientes y competencia dentro de las biopeliculas de los microorganismos por espacio y alimento, lo que provoca migraciones y formacion de nuevos agregados microbiologicos en diferentes puntos de la red (de Victorica Almeida, 2009).

El objetivo de la investigacion fue encontrar relaciones entre el desprendimiento de las biopeliculas que se forman en las redes de distribucion de agua potable y la calidad del agua en la cometida del consumidor, en un municipio cercano a Bogota. Para cumplir este objetivo, se analizo el agua en diferentes puntos de la red, en los cuales se determinaron variaciones fisicoquimicas y microbiologicas. Se utilizo una interrupcion del servicio que ocasiono (en su restablecimiento) el desprendimiento de biopeliculas generando un evento de coloracion. De esta forma fue posible asociar dichas variaciones al desprendimiento de las biopeliculas presentes en la red.

METODOLOGIA

Se tomaron muestras de agua antes y despues de la PTAP, al igual que en cinco acometidas en diferentes puntos de la red en dos tiempos distintos, teniendo en cuenta variables reportadas que afectan la formacion de biopeliculas (material de tuberia y distancia a la PTAP). En la tabla 2 se presentan las caracteristicas de cada punto.

Se tomaron muestras en dos tiempos distintos, en los cuales se encontraron condiciones de operacion identicas en la PTAP. Sin embargo, en los alrededores de la cometida 4 existia suspension en el servicio en ambos muestreos, lo que vario notoriamente las condiciones de la calidad del agua.

Se realizaron analisis fisicoquimicos del agua, en los que se midieron turbiedad, pH y cloro residual (in-situ por medio de un medidor de cloro portatil), al igual que concentraciones de metales identificados tipicamente en la fase inorganica de las biopeliculas como lo son manganeso, hierro y aluminio (de Victorica Almeida, 2009). Para esto fue necesario hacer previamente digestion de muestras liquidas por microondas para remover las particulas suspendidas y disueltas en la red que afectan la medicion (ver tabla 3).

El recuento y aislamiento de microorganismos del agua se determino utilizando agar R2A (marca Sharlau). Este medio es util para el aislamiento de microorganismos heterotroficos provenientes de aguas tratadas. Los microorganismos fueron incubados durante 48 horas a 30 grados Celsius (Knobelsdorf Miranda & Mujeriego Sahuquillo, 1997) y se realizo conteo de unidades formadoras de colonia (UFC) por cada 100 mL de muestra, determinando (Reasoner & Donald, 2004) asi la concentracion promedio de microorganismos en el agua que circula en la red. Adicionalmente se hizo la caracterizacion morfologica por medio de Tincion de Gram.

El evento de coloracion en la acometida cuatro, fue ocasionado por cambios en la operacion, ya que hubo suspension en el servicio y al ingresar de nuevo agua al sistema se aumentaron los esfuerzos cortantes de la red, lo que pudo provocar el desprendimiento masivo de las biopeliculas. De esta manera, fue posible comparar la calidad del agua en tiempo de operacion normal con desprendimientos de adhesion-cohesion por aumento en las fuerzas cortantes en un evento de mantenimiento en el sistema.

RESULTADOS

Analisis fisicoquimicos y composicion metalica

La concentracion de cloro en las redes de agua potable debe ser constante, de tal forma que se evite el crecimiento de microorganismos. Sin embargo en la figura 1 se puede observar un comportamiento atipico provocado por la falta de automatizacion en la inyeccion del cloro en la PTAP, cambios en la demanda de cloro por presencia de materia organica y el estado deteriorado de la red, lo que produce que la concentracion varie en el tiempo y en el espacio. Por el contrario, el material de la tuberia y la distancia a la PTAP no parecen tener relacion con estas oscilaciones, es importante tener en cuenta que, debido al tamano del sistema, este no se diseno con puntos de recloracion.

Es importante tener en cuenta este comportamiento, ya que produce dificultades para mantener la red en condiciones de salubridad, pues los gradientes en las concentraciones de cloro favorecen la existencia de zonas en las que los microorganismos pueden reproducirse de forma abundante y generar estructuras de resistencia como esporas.

En cuanto al analisis de pH en la red, este muestra una estabilizacion del valor despues del tratamiento en la PTAP y tal como se observa en la figura 2, se mantiene en un rango constante, incluso en la cometida 4 donde se tomo el evento de coloracion por el desprendimiento de la biopelicula. Los valores oscilan entre 6,5 y 9 tal como lo exige la legislacion colombiana.

Los analisis de metales en el agua principalmente durante los eventos de coloracion permitien relacionar estas concentraciones con la composicion de la fase inorganica de la biopelicula, encontrando que esta esta compuesta principalmente hierro, aluminio y manganeso, formando incrustaciones en las tuberias de acero presentes en la red (ver tabla 2). Estas tuberias a su vez son oxidadas rapidamente por algunos microorganismos que las utilizan como medio de soporte, permitiendoles reproducirse y formar biopeliculas provocando procesos de corrosion en las mismas (LeChevallier, Babcock & Lee, 1987).

Gracias al evento de coloracion en la red, fue posible ver como el desprendimiento de las biopeliculas puede afectar la calidad del agua, pues tal como se ve en la figura 3, el aumento en la concentracion de metales en la cometida 4 es significativo, lo que a su vez sube los niveles de turbiedad a valores inaceptables para el consumo humano (>2 NTU).

Bajo condiciones normales de operacion se obtuvo que la cantidad de metales en el agua es de 25% manganeso, 16% aluminio y 63% hierro. En el desprendimiento se obtuvieron porcentajes de 30% manganeso, 15% aluminio y 54% hierro, lo que corresponde a porcentajes encontrados usualmente en una biopelicula formada en una tuberia de acero (Reasoner & Donald, 2004).

[FIGURA 1 OMITIR]

[FIGURA 2 OMITIR]

[FIGURA 3 OMITIR]

Resultados microbiologicos

Al realizar los recuentos y descripcion macro y microscopica de las colonias, se encontro que existe una alta diversidad de microorganismos heterotrofos. La mayoria de morfotipos presentes correspondio a bacilos Gram positivos y bacilos Gram negativos. Tambien se encontraron bacilos Gram positivos esporulados. Los analisis microscopicos mostraron que los bacilos estuvieron presentes a lo largo del recorrido de la red iniciando con la planta de tratamiento y terminando con las diferentes cometidas analizadas.

Los bacilos Gram positivos, Gram negativos y esporulados encontrados en las cometidas pertenecen a colonias macroscopicas similares entre si, al igual que a colonias similares con las encontradas en la PTAP y la pila (ver tabla 4), lo cual puede ser una evidencia de que el tratamiento de desinfeccion realizado en esta planta no esta siendo eficaz en la remocion de microorganismos y puede llegar a representar un riesgo en salud publica ya que se ha documentado que la desinfeccion por medio de cloro no es la mas efectiva para microorganismos esporulados (Morrow, Almeida, Fitzgerald & Cole, 2004).

Debido a que algunos bacilos gram negativos estan relacionados con la familia Enterobacteriaceae en la cual se encuentran algunos generos potencialmente patogenos como Escherichia coli, Klebsiella y Pseudomonas, entre otros, es de vital importancia que se regule la cantidad de desinfectante y la periodicidad a la cual se aplica. Asi mismo, la erradicacion de bacilos Gram positivos esporulados de este sistema debe recibir mayor atencion pues esta estructura de resistencia hace que se requiera una mayor dosis y un mayor tiempo de contacto con el desinfectante.

CONCLUSIONES

La colonizacion de la red se presenta por biopeliculas compuestas por una fase inorganica, en la que predomina el hierro (tal como se comprobo en el evento de coloracion en la acometida 4) y por una fase organica compuesta por algunos microorganismos que lograron sobrevivir el tratamiento en la PTAP y se alojan en las biopeliculas, encontrando un nicho propicio para su crecimiento, reproduccion y posterior desprendimiento. Esta situacion permite que estos microorganismos puedan llegar a la cometida del consumidor exponiendo asi al usuario a un riesgo de contaminacion microbiologica.

El mantenimiento en la red hace que las condiciones hidraulicas de flujo cambien, aumentando los esfuerzos cortantes en las paredes de las tuberias provocando el desprendimiento de las biopeliculas, lo que ocasiona que las condiciones fisicoquimicas del agua varien notoriamente como se mostro para la cometida 4. Sin embargo las variaciones en cloro residual y pH no son tan significativas como las que se presentan en la concentracion de metales tipicos formados dentro de las biopeliculas (Becton, Dickinson and Company. bd. S.f), los cuales al desprenderse, se diluyen en el agua alcanzando niveles de concentracion que sobrepasan los niveles aceptables para el consumo humano.

Se presume que existe acumulacion y desprendimiento de microorganismos a lo largo de la tuberia, pues las concentraciones de estos en el agua cambian aleatoriamente en funcion de las variables estudiadas. Adicionalmente, se puede inferir que existen infiltraciones debidas al deterioro de la red, que causan la presencia de bacilos Gram negativos en esta, los cuales no estan presentes en el agua cruda.

Los bajos niveles de cloro en la red permiten que exista una alta carga de microorganismos circulando en el agua. Esto no solo se ve reflejado en un potencial problema de salud publica sino tambien en un problema tecnico y economico ya que existen microorganismos que han generado resistencias a los desinfectantes y que son potencialmente patogenos, lo que encarece el tratamiento e impide garantizar que el agua sea potable en todos los puntos de la red (Environmental Protection Agency--EPA, 1992).

Es necesario realizar una identificacion de los generos y especies encontradas en este estudio por medio de tecnicas bioquimicas o de biologia molecular con el proposito de relacionar los efectos de cloracion en la planta.

REFERENCIAS

Batte, M., Appenzeller, B. M. R., Grandjean, D., Fass, S., Gauthier, V., Jorand, F., & Block, J. C. (2003). Biofilms in drinking water distribution systems. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 2(2-4), 147-168.

Becton, Dickinson and Company. bd. (S.f) Recuperado de: /http://www.bd.com/ds/technicalCenter/misc/difcobblmanual_2nded_preview.pdf.

de Victorica Almeida, J. L. Formacion de biopeliculas y su impacto en los sistemas de conduccion de agua. Recuperado del sitio de internet de Instituto de Ingenieria, UNAM: http:// www.bvsde.paho.org/bvsaidis/caliagua/ peru/mexapa020.pdf

Garrett, T. R., Bhakoo, M., & Zhang, Z. (2008). Bacterial adhesion and biofilms on surfaces. Progress in Natural Science, 18(9), 1049-1056.

Geldreich, E. (1990). Microbial quality control in distribution systems. [ed.] McGraw-Hil. Cuarta. New York : American Water Works Association.

Knobelsdorf Miranda, J., & Mujeriego Sahuquillo, R. (1997). Crecimiento bacteriano en las redes de distribucion de agua potable: una revision bibliografica. Ingenieria del agua, 1997, vol. 4, num. 2.

LeChevallier, M. W., Babcock, T. M., & Lee, R. G. (1987). Examination and characterization of distribution system biofilms. Applied and Environmental Microbiology, 53(12), 2714-2724.

Momba, M. N., & Makala, N. (2004). Comparing the effect of various pipe materials on biofilm formation in chlorinated and combined chlorine-chloraminated water systems. Water SA, 30(2), 175-182.

Morato, J. (2007) "Sostenibilidad y el uso del agua: la gestion de la demanda". Seminario Internacional: Evaluacion y Gestion Integral del Riesgo en Sistemas de Abastecimiento de Agua. Tulua - Cali, Colombia.

Morrow, J. B., Almeida, J. L., Fitzgerald, L. A., & Cole, K. D. (2008). Association and decontamination of Bacillus spores in a simulated drinking water system. Water research, 42(20), 5011-5021.

Niquette, P., Servais, P., & Savoir, R. (2000). Impacts of pipe materials on densities of fixed bacterial biomass in a drinking water distribution system. Water research, 34(6), 1952-1956.

Reasoner, Donald J. "Heterotrophic plate count methodology in the United States." International journal of food microbiology 92.3 (2004): 307-315.

United States. Environmental Protection Agency (EPA). Office of Research. (1992).Control of biofilm growth in drinking water distribution systems. Office of Research and Development.

Juan Camilo Rueda Ariza (1)*, Aida Juliana Martinez (2)*, Diana Carolina Calvo (3)

(1)* Msc. en Ingenieria. juancrueda@hotmail.com

(2)* Magister en Ciencias Biologicas. ai-marti@uniandes.edu.co

(3)* Magister en Ingenieria. Estudiante de doctorado, Arizona State University, Arizona, Estados Unidos. dianac.calvo@gmail.com

* Universidad de los Andes. Bogota, Colombia.

Recibido 2 de mayo 2013. Modificado 8 de diciembre de 2013. Aprobado 10 de diciembre de 2013.
Tabla 1. Condiciones fisicoquimicas necesarias
para la formacion de biopeliculas

            Recursos                        Condiciones

Carbono (organico, [Co.sub.2])              Tempreatura:
                                        Fria-calida-caliente

Nitrogino (organico,                     Potencial hidrico:
inorganico)                                 Seco-humedo

Macro nutrientes (S, P, K, Mg)                pH: 1-14

Micronutrientes (Fe, Mn,               O2: Aerobio-anaerobio-
Co, Zn, Ni)                                   anoxico

[O.sub.2] y otros aceptores de      Luminosidad: Luz brillante-
electrones (N[O.sub.3],                     debil-oscuro
S[O.sub.4], Fe)

Dados inorganicos de electrones        Condiciones osmoticas:
([H.sub.2], [H.sub.2]S, Fe             Agua dulce-agua salada
N[H.sub.4], N[O.sub.2])

Tabla 2. Puntos de muestro en la red y descripcion
de las tuberias que llegan a estas

Punto                   Materiales de tuberia               Distancia
                                                            PTaP 1 [1]

Pila         Tuberia principal en acero de 10 pulgadas y       1700
              tuberia de 3 pulgadas en acero cerca a las
                              cometidas.

Cometida 1   Tuberia principal en acero de 10 pulgadas y       1614
              tuberia de 3 pulgadas en acero cerca a las
                              cometidas.

Cometida 2   Tuberia principal en acero de 10 pulgadas y       1574
              tuberia de 3 pulgadas en acero cerca a las
                              cometidas.

Cometida 3   Tuberias de 10 pulgadas de acero a lo largo       2251
              de la red y pequenas de PVC en las lineas
                   secundarias cerca a la cometida.

Cometida 4   Tuberias de 10 pulgadas de acero a lo largo       1653
              de la red y de 3 pulgadas en las tuberias
             secundarias cerca de la cometida con algunos
               tramos de tuberia en PVC de 4 pulgadas.

Cometida 5   Tuberias de 10 pulgadas de acero a lo largo       1344
              de la red y de 3 pulgadas en las tuberias
             secundarias cerca de la cometida con algunos
               tramos de tuberia en PVC de 4 pulgadas.

Tabla 3. Analisis de laboratorio realizado

Analisis                        Tecnica           Metodo de referencia

Microbiologicos           Filtracion directa

                          Siembre en agar R2A

                        Aislamiento en agar R2A

                            Tincion de gram

Cloro residual               Colorimetria             SM 4500-Cl G

Digestion de muestras    Digestion microondas          EPA 3015A
liquidas y extractos

Aluminio                   Espectrometro de        EPA 3015 A ICP SM
                          emision por plasma             3120B
Hierro                        ICP--optico

Manganeso

Color                        Colorimetria              SM 2120 B

pH                          Medicion de pH            SM 4500-H+B

Turbiedad                    Turbidimetro              SM 2130 B

Tabla 4. Resultados microbiologicos, media de concentracion UFC/100 mL
de agua en dos dias de muestreo, y su respectiva descripcion
morfologica, se encuentran microorganismos esporulados a lo largo de
toda la red. Se evidencia aumento en la concentracion de
microorganismos en la cometida 4 posiblemente asociado al
desprendimiento de las biopeliculas. x=no hubo presencia de mas
colonias

                                     Colonias
Muestra
                 Colonia 1           Colonia 2           Colonia 3

Agua cruda   Colonia amarilla     Colonia blanca             x
entrada           pequena             pequena
PTAP          puntiforme. Se      puntiforme. Se
             obtienen bacilos    obtienen bacilos
              gram negativos      gram positivos
                 pequenos.         esporulados.

UFC/100mL           45              Incontable

PTAP         Colonia blanca de   Colonia de color            x
             forma irregular y   blanco, de forma
                de aspecto        irregular y de
               granuloso. Se     aspecto cremoso.
             obtienen basilos       Se obitenen
             esporulados gram      bacilos gram
                negativos.          positivos.

UFC/100mL           14                   1

             Colonia blanca de   Colonia blanca de   Colonia amarilla
              forma y aspecto     forma irregular        de forma
               granuloso. Se     de tamano grande,     irregular de
             obtienen basilos      de la cual se     aspecto cremoso.
             esporulados gram     observan cocos        Se obtienen
                negativos.        gram negativos.      bacilos gram
                                                        negativos.

UFC/100mL            3              Incontable               5

             Colonia blanca de                        Colonia blanca
              forma irregular                          irregular de
                de aspecto                           aspecto cremoso.
             cremoso. Despues                         Despues de gram
             de coloracion de                           se obtienen
             gram se obtienen                          bacilos gram
               bacilos gram                             negativos.
                 positivos
               esporulados.

UFC/100mL           42                   5                  27

                                     Colonias
Muestra
                 Colonia 1           Colonia 2           Colonia 3

Cometida 2    Colonia blanca
              forma irregular
                de aspecto
                granuloso,
               despues de la
               coloracion de
             gram se obtienen
               bacilos gram
                negativos.

UFC/100mL           34              Incontable              62

Cometida 3    Colonia roja de      Colonia color     Colonia de color
             forma pluriforme.    curuba de forma    amarillo oscuro.
               Despues de la        puntiforme.        Depues de la
               coloracion de        Despues de         coloracion de
              gram se obtien       coloracion de     gram se obtienen
              que son bacilos    gran se obtienen      bacilos gram
              gram negativos.      bacilos gram         positivos.
                                    negativos.

UFC/100mL            7                  14                   1

Cometida 4    Colonia rosada,    Colonia amarilla     Colonia blanca
             grande y de forma       de forma          pun-tiforme.
                indefinida.        irregular. Se        Despues de
                Despues de          encuentran         coloracion de
               coloracion de       bacilos gram      gram se obtienen
             gram se obtienen        positivos         bacilos gram
               bacilos gram      esporula-dos, es       positivos.
                negativos.          una colonia
                                   filamentosa.

UFC/100mL            4                   2                  700

Cometida 5    Colonia blanca     Colonia amarilla            x
               pun-tiforme.            pun-
                Despues de        tiforma.Despues
               coloracion de     de la coloracion
             gram se obtienen       de gram se
               bacilos gram      obtienen bacilos
                negativos.        gram positivos.

UFC/100mL           400             Incontable

                                     Colonias
Muestra
                 Colonia 4           Colonia 5           Colonia 6

Agua cruda           x                   x                   x
entrada
PTAP

UFC/100mL

PTAP                 x                   x                   x

UFC/100mL

                     x                   x                   x

UFC/100mL

                     x                   x                   x

UFC/100mL

                                     Colonias
Muestra
                 Colonia 4           Colonia 5           Colonia 6

Cometida 2           x                   x                   x

UFC/100mL

Cometida 3   Colonia de color     Colonia blanca     Colonia amarilla
             amarillo claro de    punti-forme de        puntiforme.
             forma indefinida.   forma indefinida.      Despues de
               No se obtiene       Despues de la       coloracion de
              caracterizacion      coloracion de     gram se obtienen
              morfologica, en    gram se obtienen      bacilos gram
              el microscopio.      bacilos gram         positivos.
                                    positivos.

UFC/100mL            1                  212             Incontable

Cometida 4           x                   x                   x

UFC/100mL

Cometida 5           x                   x                   x

UFC/100mL

                 Colonias
Muestra
                   Total

Agua cruda
entrada
PTAP

UFC/100mL       Incontables

PTAP

UFC/100mL           15

UFC/100mL       Incontable

UFC/100mL           74

                 Colonias
Muestra
                   Total

Cometida 2

UFC/100mL       Incontables

Cometida 3

UFC/100mL       Incontables

Cometida 4

UFC/100mL           706

Cometida 5

UFC/100mL       Incontable
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Title Annotation:SECCION TECNICA
Author:Rueda Ariza, Juan Camilo; Martinez, Aida Juliana; Calvo, Diana Carolina
Publication:Revista de Ingenieria
Date:Jul 1, 2013
Words:3804
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