El rol de los sistemas emergentes de tratamiento de aguas residuales para el control de la resistencia antimicrobiana
Durante décadas, los antimicrobianos han contribuido a la reducción de enfermedades infecciosas en humanos, animales y plantas, salvando vidas y aumentando la productividad. Actualmente, existe la evidencia de que varios tratamientos antibióticos, antivirales, antiparasitarios y antifúngicos que una vez funcionaron, ya no lo hacen porque los microorganismos se han vuelto resistentes a ellos; a esta capacidad de los microorganismos se le conoce como resistencia antimicrobiana (RAM).
Por tanto, la RAM representa una amenaza significativa para la salud, la seguridad alimentaria y el desarrollo económico al reducir la capacidad de respuesta a los agentes infecciosos comunes. Debido a la complejidad para solucionar el problema que significa la RAM, surge el enfoque “Una salud” (One-Health), el cual reconoce que la salud de las personas, los animales, las plantas y el medio ambiente están estrechamente vinculados y son interdependientes1 .
La RAM puede ser intrínseca o adquirida; esta última puede ocurrir por mutaciones donde las bacterias adquieren material genético o genes (ácido desoxirribonucleico–ADN) de diferentes microorganismos, vía transferencia genética horizontal de elementos genéticos móviles. De esta manera, los microorganismos que adquieren esta resistencia ya no son inhibidos ni eliminados por los antimicrobianos. El uso creciente e indebido de antimicrobianos y otros estresores (p. ej., la presencia de metales pesados y otros contaminantes) crea condiciones favorables para que los microorganismos desarrollen resistencia. Esto puede suceder en el tracto digestivo de humanos y animales o en el medio ambiente, por ejemplo, en aguas residuales. En consecuencia, la probabilidad de que se desarrolle RAM en microorganismos que infectan a humanos, animales y plantas está aumentando1 .
En este sentido, las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) reciben desechos que contienen bacterias y genes con capacidad RAM, por lo que son focos clave para su tratamiento. Las PTAR biológicas a menudo tienen una alta densidad y diversidad de células microbianas que, si no se mantienen y operan de manera eficiente, pueden proporcionar condiciones selectivas para incrementar la RAM. Aun así, si las PTAR están bien diseñadas y operadas, son una barrera crítica contra la resistencia a la propagación más amplia, especialmente las descargas relativas de aguas residuales sin un tratamiento efectivo2 .
En los países de ingresos bajos a medios se necesitan tecnologías de tratamiento de aguas residuales menos costosas, más autosuficientes y energéticamente eficientes. En este sentido, en América Latina, sólo 50% de las poblaciones humanas están conectadas a drenajes de alcantarillado contenido y sólo 30% recibe algún tratamiento de aguas residuales. En México, la cobertura nacional por tratamiento de aguas residuales domésticas en 2017 fue de 63%3 ; por tanto, se necesitan infraestructuras mejoradas y nuevas plantas de tratamiento de aguas residuales. Las tecnologías emergentes deben ser más sostenibles que las opciones tradicionales, en especial, que eliminen eficazmente el carbono orgánico y los nutrientes, pero, que reduzcan la liberación de RAM al medio ambiente.
Entre los sistemas emergentes de tratamiento de aguas residuales, los sistemas de microalgas y bacterias (MABA) han llamado la atención porque consumen poca energía debido a la reducción de la demanda de oxígeno; también, permiten el reciclaje de nutrientes durante el tratamiento de aguas residuales y generan niveles de O2 mientras fijan el CO2 , a diferencia de los sistemas de lodos activados. Además, son eficientes en la remoción de contaminantes y producen biomasa o agregados MABA, logrando un balance energético positivo cuando se combinan con la digestión anaerobia4 . Hasta hace algunos años existía poca evidencia del potencial de estos sistemas para remover contaminantes de nueva preocupación como la RAM; por ejemplo, se encontró que un sistema monoalgal para el tratamiento de aguas residuales tiene mayor potencial que los sistemas de lodos activados para el control de bacterias y genes relacionados con la RAM5 .
La Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería tiene amplia experiencia en los sistemas MABA, por lo que se ha desarrollado una nueva línea de investigación sobre el potencial de estos sistemas en el control de la diseminación de la RAM durante el tratamiento de las aguas residuales. Mediante la operación de sistemas MABA pilotos a mediano plazo (Figura 1) demostramos que estos sistemas son capaces de reducir hasta cinco veces la abundancia y riqueza de los genes relacionados con la RAM del agua residual doméstica durante su tratamiento, además de ser eficiente en la remoción de materia orgánica y nutrientes. Sin embargo, todavía se detectaron varios tipos de genes en los agregados microalgas-bacteria y el efluente, principalmente resistencia a aminoglucósidos, betalactámicos, macrólidos, sulfonamidas y tetraciclinas6 .
Esta persistencia de genes de RAM en los agregados microalgas-bacterias es de preocupación, considerando que estos agregados son un potencial biofertilizante por su efecto como promotores del crecimiento vegetal y para mejorar la fertilidad del suelo; sin embargo, se necesita una estabilización previa. En ese sentido, se evaluó la digestión anaerobia de los agregados MABA generados a diferentes temperaturas, mesofilia (35°C) y termofilia (55°C). La eliminación de bacterias resistentes se evaluó para cinco antibióticos diferentes (Figura 2a), donde el régimen termófilo contribuyó a eliminaciones significativamente mayores de los agregados MABA, en comparación con el régimen mesófilo. En términos de genes, se identificaron 28 subtipos de genes de RAM en los agregados MABA, mientras que sólo 13 y 9 genes persistieron después de la digestión anaerobia en mesofilia y termofilia, respectivamente (Figura 2b).
Otra aplicación de los sistemas MABA evaluada por el grupo de investigación es para el tratamiento de efluentes porcícolas. Esta industria es de preocupación por el uso frecuente de antibióticos veterinarios, lo que ejerce una presión de selección encontrando abundancias hasta diez veces más altas de bacterias resistentes a antibióticos en sus efluentes en comparación con agua residual doméstica. En este sentido, se evaluó el potencial de los sistemas MABA para el tratamiento de digestatos porcícolas, siguiendo la remoción de bacterias resistentes ante distintas condiciones de irradiancia solar (Figura 3). En esta investigación, la irradiancia solar tuvo un efecto significativo en la remoción de bacterias resistentes a antibióticos del digestato porcícola, siendo la condición de irradiancia media 212 ± 9 W/m2 la que en promedio favoreció la mayor remoción de bacterias resistentes a ciprofloxacino, eritromicina, sulfametoxazol y tetraciclina. Esta reducción de bacterias fue congruente con la remoción de genes, alcanzado valores de 98, 73, 79 y 47% para genes relacionados con la resistencia a betalactámicos, macrólidos, tetraciclinas y multiresistencia (donde se encontró resistencia a fluoroquinolonas) respectivamente. Es importante resaltar que a pesar de que la remoción de genes y bacterias durante el tratamiento digestato porcino fue significativa, en el efluente prevalecen en su mayoría géneros que contienen especies patógenas como Escherichia, Enterobacter, Bacteroides, Salmonella, entre otras; donde el análisis de material genético confirmó la presencia de genes de resistencia a diferentes antibióticos en su genoma, por lo que es prioritario la desinfección de estos efluentes antes de su liberación al ambiente7 .
El análisis detallado de las comunidades microbianas que componen los agregados MABA, sugieren que el éxito de estos sistemas biológicos para controlar la RAM se puede atribuir a un fenómeno de exclusión ecológica. Es decir, la mayor abundancia de microorganismos fotosintéticos como las microalgas disminuyen la probabilidad de que bacterias con capacidad RAM proliferen en estos sistemas. Otros autores han sugerido que las cianobacterias (bacterias fotosintéticas), pueden ser relevantes para la transferencia de estos genes en los sistemas MABA. Nuestros estudios encontraron que el rol de las cianobacterias no es relevante; es más, otras bacterias fotosintéticas, por ejemplo, las bacterias púrpuras son más abundantes, pero no están relacionadas con la transferencia de la RAM. Actualmente, en el grupo de investigación evaluamos parámetros operativos que nos ayuden a mejorar la eficiencia de los sistemas MABA para el control de la RAM, parámetros como el tiempo de retención hidráulico o el potencial oxido-reducción. De esta manera, nuestros resultados comprueban que los sistemas MABA acoplados a la digestión anaerobia representan una solución integral para el control de la RAM proveniente de las aguas residuales.
Figura 2. A) Concentración logarítmica de unidades formadoras de colonias de bacterias resistentes a antibióticos y bacterias heterótrofas totales (THB) en agregados MABA y digestatos (mesófilos y termófilos).
B) Abundancia (ppm) de tipos de genes (ARG) en agregados MABA, digestato mesófilo y digestato termófilo
