Detección de coliformes en plantas desalinizadoras: métodos y control

La detección de coliformes en una planta desalinizadora permite verificar la calidad microbiológica del agua de alimentación, controlar la eficacia de las etapas de tratamiento y confirmar que el agua producida es apta para el uso previsto. Las bacterias coliformes son un grupo de bacterias presentes principalmente en el intestino de humanos y de animales de sangre caliente, pero también en el ambiente (suelo, vegetación, agua, etc.).

El control debe integrar muestreos periódicos, análisis de coliformes totales y Escherichia coli, identificación del origen de la contaminación, desinfección y comprobación posterior de la eficacia del tratamiento. Algunas de las bacterias coliformes no suponen ningún riesgo para la salud de las personas. Sin embargo, hay ciertos tipos de estas bacterias que sí provocan enfermedades al consumir alimentos o agua contaminados.

Qué son los coliformes y por qué se controlan

Las bacterias coliformes son un grupo de bacterias presentes principalmente en el intestino de humanos y de animales de sangre caliente, pero también en el ambiente (suelo, vegetación, agua, etc.). Existen ciertos géneros de bacterias coliformes, pero la principal clasificación consiste en diferenciar estas dos opciones:

  • Las bacterias coliformes totales: bacterias que comprenden la totalidad del grupo de coliformes presentes en el agua contaminada, en el suelo y en los desechos.
  • Las bacterias coliformes fecales: bacterias coliformes solamente de origen intestinal y, por tanto, presentes en las heces de los humanos y de los animales de sangre caliente. La más conocida es la la Escherichia coli (E. coli).

La presencia de coliformes totales no demuestra por sí sola que todas las bacterias detectadas sean patógenas, porque la mayor parte de bacterias coliformes no causan ninguna enfermedad. No obstante, funciona como un indicador de contaminación y de posibles fallos en la protección sanitaria del agua.

La mayor parte de bacterias coliformes no causan ninguna enfermedad, pero existen algunas cepas de E. coli como es la cepa 0157:H7 que puede causar enfermedades. Estas enfermedades son:

  • Gastrointestinales que provocan diarreas y vómitos leves o moderados.
  • Disentería, una inflamación de los intestinos que causa diarrea con sangre y moco.
  • Virus como la polio y la hepatitis.

Fuentes de contaminación en una planta desalinizadora

La detección de coliformes totales en el agua de pozo es importante, ya que la principal causa de contaminación del agua potable por bacterias coliformes son las heces. Lo más común es que los desechos del ganado, bien por causas accidentales o bien por intencionadas, se filtren al agua de ríos, pozos y lagos.

En el contexto de una planta desalinizadora, la contaminación puede incorporarse con el agua de captación, especialmente cuando la toma está expuesta a aportes superficiales, descargas de aguas servidas, escorrentías o filtraciones. También puede aparecer después de la captación por deficiencias en los depósitos, tuberías, equipos de pretratamiento, membranas, líneas de permeado o sistemas de distribución.

En el Noreste de Ecuador la prevalencia de E. coli es de 8 personas infectadas por cada mil personas (Bhavnani et al., 2016). En la búsqueda del origen de la contaminación por E. coli en Ecuador, algunos autores han estudiado el agua de varios ríos donde se determinaron altas concentraciones de coliformes totales y fecales.

En la provincia de Esmeraldas, se ha reportado la presencia de E. coli en los ríos Onzole (1248 NMP/100 ml), Cayapas (474 NMP/100 ml) y Santiago (2420 NMP /100 ml) (Wafaa et al., 2007). De igual forma, en la provincia del Guayas, en el río Yaguachi encontraron concentraciones de E. coli de 5214 NMP/100 ml (Valencia, 2018) y en la provincia de Pichincha, en el río Quevedo 126000 NMP/100 ml (Robinson, 2015) valores superiores a los límites máximos permisibles, lo que indica que el agua de estos ríos no es apta para consumo humano, riego agrícola ni para uso pecuario.

La causa de esta contaminación es el vertido a los ríos de aguas servidas sin previo tratamiento. El efecto de la contaminación del agua se refleja en los altos niveles de parasitosis, enfermedades diarreicas, y pérdida de la biodiversidad acuática relacionadas con la mala calidad del agua en el Ecuador (Universidad Agraria del Ecuador, 2009).

Cuándo realizar el muestreo

La periodicidad de la prueba para detectar bacterias en el agua depende de muchos factores, principalmente del porcentaje de riesgo de contaminación. En general, las épocas más recomendables para analizar el agua son la primavera y el verano por el aumento de las temperaturas y de la humedad.

En una planta desalinizadora, el programa de muestreo debe considerar como mínimo el agua de captación, el agua después del pretratamiento, el agua producida y los puntos de almacenamiento o distribución. La frecuencia debe aumentar cuando existan cambios en la calidad del agua de entrada, lluvias, inundaciones, intervenciones de mantenimiento, resultados positivos anteriores o alteraciones del proceso.

La toma de muestras debe realizarse con recipientes estériles y mediante un procedimiento que evite la contaminación externa. Para colecta de las muestras de aguas servidas se utilizaron recipientes estériles de 20 L de capacidad y se sumergieron en el centro de la zanja, luego fueron secados y desinfectado su exterior con alcohol al 70%, posteriormente las aguas de los envases fueron vaciadas en un contenedor con la finalidad de homogenizar la muestra, por un lapso de 4 h previo a su uso para el ensayo.

Métodos de detección de coliformes

Medio de cultivo Chromocult

Para los análisis se utilizó el medio de cultivo selectivo agar Chromocult, aprobado por la EPA y la AOAC para la detección simultánea de coliformes totales y E. coli en muestras de agua. Este medio permite diferenciar las colonias bacterianas y analizar simultáneamente ambos grupos en una misma muestra.

Método de vertido en placa

Se utilizó el método vertido en placa, tanto para las muestras inoculadas con E. coli y las muestras de aguas servidas. Se tomó 1 ml de la muestra de agua proveniente de cada ensayo a las cuales se realizó diluciones sucesivas de 10-1, 10-2,10-3, 10-4 y 10-5 en medio peptona, se tomó 1 ml de cada dilución y se sembró en cajas Petri, luego se agregaron 18 ml de agar Chromocult, se homegenizó y dejó solidificar por 10 min.

Posteriormente, se incubaron las placas a 37°C por 24 h y se procedió a contar las unidades formadoras de colonia. La concentración puede expresarse como unidades formadoras de colonia por volumen de muestra, según la dilución que permita realizar el recuento.

Confirmación de Escherichia coli

Para confirmar la presencia de E. coli se les agregó una gota de reactivo de Indol Kovacs, el mismo que dio una reacción positiva por el cambio de color rojo cereza después de unos segundos. Adicionalmente, se realizaron pruebas de tinción de Gram (Gram, 1884), oxidasa y motilidad (Montoya, 2008).

Aislamiento de coliformes totales

Los coliformes totales se aislaron de las muestras de aguas servidas. Se tomó 1 ml del agua servida y se sembró en medio agar Chromocult (Merck) a temperatura de 35-37°C durante 18-24 h y se verificó que no hubiese E. coli.

Posteriormente, se aislaron en agar Chromocult y luego se purificaron en agar TSA (Merck). Este procedimiento permite separar los microorganismos presentes y obtener cultivos destinados a la confirmación y a la evaluación experimental.

Procedimiento de muestreo y análisis

Se establecieron 4 puntos de muestreo a lo largo de la zanja de aguas servidas ubicada dentro del Campus Mapasingue de la Universidad de Guayaquil, provincia de Guayas. Para ello se realizó un transecto donde se tomaron cuatro muestras a 30 m de distancia entre ellas, para un total de 4 muestras.

Una vez obtenida el agua servida, se determinó la presencia de coliformes totales y E. coli utilizando el medio de cultivo Agar Chromocult (Merck®) según la técnica EPA1.10426. El ensayo se desarrolló en recipientes con capacidad de 1000 ml y se utilizaron 500 ml de aguas servidas en cada envase con un tiempo de retención de 7 días.

Para determinar la concentración de las bacterias se realizó un cultivo con la técnica de vertido en placa para contaje de unidades formadoras de colonias (UFC). A los 7 días de retención se determinó la concentración de E. coli y coliformes totales y los porcentajes de remoción según la metodología descrita en el apartado de parámetros bacteriológicos, así como los parámetros fisicoquímicos temperatura, pH y sólidos totales disueltos (TSD) según las técnicas estandarizadas (APHA/AWWA/WEF, 2012).

muestreo microbiológico en planta desalinizadora

Interpretación de los resultados

La detección de coliformes totales debe interpretarse junto con la detección de E. coli, los parámetros fisicoquímicos, el punto de muestreo y el historial de operación de la planta. La identificación de coliformes totales puede indicar contaminación ambiental o una pérdida de integridad sanitaria, mientras que la detección de E. coli apunta con mayor claridad hacia contaminación de origen fecal.

Esta contaminación no admite ningún rango permitido de presencia de la bacteria, en cuanto se detecta el agua deja de ser apta para el consumo y debe ser tratada. La decisión operativa debe tener en cuenta el uso final del agua y los requisitos sanitarios aplicables al sistema.

Se realizó una prueba estadística de Spearman Rho para evidenciar la relación entre los parámetros fisicoquímicos y la remoción de E. coli y coliformes totales, donde podemos apreciar en el Tabla 2, una correlación directa entre la concentración de E. coli y el pH (rs = 0,847; p = 0.000) y la temperatura (rs = 0,944; p = 0,000) lo que indica que a mayor pH y temperatura mayor concentración de bacterias.

Control de la contaminación microbiológica

Identificación y corrección del origen

El primer paso tras detectar la presencia de bacterias coliformes en el agua es buscar el origen de la contaminación. Podría ser un problema puntual tras una inundación, por ejemplo, pero también puede ser una filtración por una avería que hay que reparar.

La investigación debe revisar la captación, los equipos de pretratamiento, los depósitos, las conexiones, las válvulas, los puntos de dosificación, las membranas, las líneas de agua producida y las condiciones de almacenamiento. La corrección de la causa debe preceder o acompañar a la desinfección, porque una nueva entrada de contaminación puede producir resultados positivos después del tratamiento.

Cloración de choque

La solución de las contaminaciones puntuales suele ser la cloración de choque con una alta concentración de cloro en un breve periodo para matar las bacterias. Su eficacia debe comprobarse tras 2 semanas y tras 2 meses.

La cloración puede utilizarse para controlar contaminaciones puntuales y para mantener una protección residual en determinados tramos del sistema. La dosis debe relacionarse con las pruebas de presencia de coliformes y otros compuestos orgánicos.

Cloración continua

Otra opción es hacer cloraciones continuas de manera regular, pero conviene calcular previamente la cantidad de cloro que tenemos que utilizar dependiendo de las pruebas de presencia de coliformes y otros compuestos orgánicos.

El control de la cloración debe acompañarse de verificaciones microbiológicas, porque la presencia de desinfectante no sustituye al análisis de coliformes. La materia orgánica y las condiciones del agua pueden influir en el consumo del desinfectante y en la eficacia global del tratamiento.

Radiación ultravioleta

La radiación ultravioleta es una solución fácil, económica y una de las más eficaces para eliminar las bacterias coliformes del agua. Para ello, tenemos que instalar una lámpara UV dentro de una cámara de metal.

Cuando el agua fluye a través de la cámara, la radiación UV destruye el sistema reproductivo de las bacterias y mueren en muy pocos segundos. La verificación de la eficacia debe realizarse mediante análisis microbiológicos del agua tratada.

Ozonización

La ozonización es también un método efectivo para eliminar las bacterias coliformes del agua potable, ya que al inyectar el ozono en el agua, elimina las bacterias al contacto por oxidación.

La ventaja del uso del ozono es que no deja residuos en el agua, aunque es un sistema más caro que el sistema de cloración y de radiación UV. Su utilización debe integrarse con un programa de control que compruebe la calidad microbiológica antes y después del tratamiento.

Tratamientos complementarios y sistemas naturales

Dentro de los tratamientos que se han propuesto para saneamiento de las aguas residuales se encuentran la cloración, el tratamiento de lagunaje facultativo y la fotocatálisis heterogénea. La eficiencia de remoción de coliformes de los tratamientos tradiciones se encuentran en rangos de 55,6% con cloración, 90% con tratamiento de lagunaje facultativo y 100% utilizando fotocatálisis heterogénea con TiO2 (Rojas-Higuera et al., 2010).

Sin embargo, estos tratamientos son costosos y poco asequibles para la población rural. Actualmente se están probando nuevas técnicas que son más económicas y amigables con el ambiente.

Fitorremediación

Una de estas técnicas es la fitorremediación, en la cual se utilizan plantas para remover, detoxificar y contener contaminantes orgánicos e inorgánicos del agua (Castrillo et al., 2012; Gerhardt et al., 2017; Wang et al., 2017).

En estudios previos se observó que los coliformes fecales pueden ser removidos en un 99% por las especies E. crassipes (Vizcaino et al., 2016), L. minor (Valderrama et al., 1987) y Phragmites australis (Mantovi, 2003).

Varios mecanismos físicos, químicos y biológicos para la remoción de coliformes fecales y bacterias patógenas en sistemas de fitorremediación han sido descritos (Wu et al., 2016). Entre los mecanismos físicos se encuentran la filtración mecánica, sedimentación y la adsorción a materia orgánica.

Dentro de los biológicos la muerte natural (Green et al., 1997) y la retención en biopelículas (Brix, 1997) y los mecanismos químicos incluyen oxidación y exposición de biocidas excretados por las plantas (Axelrood et al., 1996).

Las especies más utilizadas para la fitorremediación de aguas contaminadas son plantas acuáticas ya que poseen la habilidad de absorber, eliminar o neutralizar compuestos inorgánicos y orgánicos (Delgadillo y González, 2011).

Evaluación experimental con plantas acuáticas

Las plantas seleccionadas fueron Spirodela intermedia W. D. J. Koch, Salvinia auriculata Aubl., Pistia stratiotes L., Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, Ceratopteris thalictroides (L.) Brongn., Azolla caroliniana Willd y Lemna minor L. como control positivo.

La especie Lemna minor se ha descrito como una planta acuática capaz de remover 98-99% de coliformes totales en aguas servidas (Valderrama et al., 1987) y por ese motivo se seleccionó como control positivo.

Las especies colectadas en el campo se reprodujeron bajo condiciones naturales. Para ello, las plantas se colocaron en envases de plástico transparentes con 3 L de agua y fertilizante Multiflor® según las indicaciones del fabricante a 25º-30ºC y luz natural (2000 lux).

Las plantas se aclimataron durante 7 días previos al bioensayo. Al momento del ensayo las macrófitas se lavaron con agua corriente, destilada y se colocaron 4 g en envases de plástico.

Posteriormente, se realizaron los ensayos en vasos de precipitación de 500 ml por triplicado a las cuales se inoculó una cepa de referencia E. coli ATCC25922 y coliformes totales con una concentración que se determinó previamente en cada ensayo y con un tiempo de retención de 7 días, después de ese lapso se determinó la carga bacteriana remanente.

Estos ensayos se realizaron a 25°C y luz artificial fluorescente de 800 lux con un fotoperíodo de 12 horas. El control negativo empleado estaba formado por la bacteria E. coli y coliformes Totales en agua destilada sin plantas y un control positivo con L. minor.

Resultados frente a E. coli

Una vez que las plantas fueron reproducidas se realizaron ensayos de laboratorio para verificar su capacidad de eliminar E. coli ATCC 25922 y coliformes fecales. Las especies S. intermedia, S. auriculata, P. stratiotes, E. crassipes y C. thalictroides, eliminaron en un 100% a las E. coli.

Además, A. caroliniana, y L. minor redujeron en un 99% la población de E. coli en comparación al control 1.5×109/100 mL UFC. A. caroliniana redujo significativamente la concentración de 1.05×103/100 ml UFC a 7.07×101/100 ml UFC de E. coli y L. minor de 1.8×103/100 ml UFC a 8×102/100 ml UFC (H = 7.20; p = 0.027).

Resultados frente a coliformes totales

En cuanto a los coliformes totales (Figura 4), se encontró que E. crassipes obtuvo la menor tasa de eliminación de coliformes totales en comparación a las otras especies vegetales que eliminaron en un 100 % al agente bacteriano, pero hubo una reducción significativa de 7933 UFC/100 ml en comparación al blanco 1.29x107 UFC/100 ml (F = 41.58; p = 0.003).

Parámetros fisicoquímicos asociados

En el parámetro de sólidos totales disueltos (TSD), no se apreciaron diferencias significativas para la mayoría de las plantas. C. thalictroides generó los niveles más altos de sólidos disueltos inclusive mayores a los del blanco, pero sus diferencias no son significativas según Kruskall-Wallis (p < 0.05).

En contraposición la E. crassipes presentó los niveles más bajos de TSD de 62 mg/L (F = 6.82; p = 0.001). Los parámetros de pH y temperatura a lo largo del ensayo se mantuvieron con una relativa estabilidad solo mediante el test de Kruskall-Wallis se encontró que poseen diferencias significativas.

Las especies E. crassipes y S. intermedia presentaron un pH de 7,067±0,643 y 7,200±0,000, menor al control 8,067±0,058 (H = 18,99; p = 0.008).

Asimismo, la temperatura del agua se redujo significativamente para la mayoría de las especies para el día 7 del ensayo. En la Tabla 1 podemos observar que C. thalictroides, E. crassipes, P. stratiotes y S. auriculata presentaron un valor de 24,00±0,00 °C significativamente menor al control (26,33±0,57°C).

Control estadístico de los resultados

Todos los resultados se muestran como promedio ± desviación estándar de n=3 muestras. Los gráficos se realizaron utilizando el programa Origin Pro 8.

Para realizar la comparación entre tratamientos se utilizó la prueba de normalidad de Anderson-Darling y un test de igualdad de varianza de Levene. Para las muestras con distribución normal se aplicó una prueba de Anova de una vía con test a posteriori de Tukey (p<0.05).

Para las muestras que no presentaron distribución normal se aplicó una prueba no paramétrica de Kruskall-Wallis. Finalmente, para verificar la relación entre los parámetros fisicoquímicos y la remoción de coliformes totales y E. coli se realizó un análisis de correlación de Spearman Rho.

Para realizar todas las pruebas se utilizó el programa Minitab versión 17. La aplicación de pruebas estadísticas permite distinguir entre una reducción observada y una diferencia estadísticamente significativa entre tratamientos.

Programa operativo de control

  1. Definir los puntos de muestreo en la captación, las etapas de tratamiento, el agua producida, los depósitos y la distribución.
  2. Tomar muestras con recipientes estériles y evitar la contaminación durante la recolección, transporte y manipulación.
  3. Analizar coliformes totales y confirmar la presencia de E. coli mediante agar Chromocult, vertido en placa y pruebas complementarias.
  4. Registrar temperatura, pH y sólidos disueltos o suspendidos junto con cada resultado microbiológico.
  5. Investigar inmediatamente cualquier resultado positivo para determinar si procede de la fuente, del proceso o de una contaminación posterior.
  6. Aplicar cloración de choque, cloración continua, radiación ultravioleta, ozonización u otro tratamiento compatible con las condiciones del agua.
  7. Comprobar la eficacia del tratamiento mediante nuevos análisis microbiológicos.
  8. Revisar las instalaciones cuando la contaminación reaparezca o cuando los resultados no sean consistentes con el funcionamiento esperado.

El control de coliformes en una planta desalinizadora no depende de una única tecnología. La confiabilidad del sistema se obtiene combinando una captación protegida, un muestreo correcto, métodos analíticos capaces de diferenciar coliformes totales y E. coli, desinfección adecuada y confirmación posterior de los resultados.

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