Probar el contenido de una muestra simple de aguas residuales puede revelar mucho sobre lo que contiene, pero no cuenta toda la historia, según los ingenieros de la Universidad de Rice.
Su nuevo estudio muestra que las muestras compuestas tomadas durante 24 horas en una planta de aguas residuales urbanas dan una representación mucho más precisa del nivel de genes resistentes a los antibióticos (ARG) en el agua. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC), la resistencia a los antibióticos es una amenaza para la salud mundial responsable de millones de muertes en todo el mundo.
En el proceso, los investigadores descubrieron que, si bien el tratamiento secundario de aguas residuales reduce significativamente la cantidad de ARG objetivo, los desinfectantes de cloro que se usan a menudo en etapas posteriores del tratamiento pueden, en algunas situaciones, tener un impacto negativo en el agua que se libera al medio ambiente.
El laboratorio de Lauren Stadler en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice informó haber visto niveles de concentraciones de ARN resistente a los antibióticos 10 veces más altos en muestras compuestas que lo que ven en «tomas», instantáneas recopiladas cuando el flujo a través de una planta de aguas residuales es mínimo. .
Stadler y las autoras principales Esther Lou y Priyanka Ali, ambas estudiantes de posgrado en su laboratorio, informaron sus resultados en la revista American Chemical Society. Ciencia y Tecnología Ambiental: Agua.
Los resultados podrían conducir a mejores protocolos para el tratamiento de aguas residuales para reducir la prevalencia de genes resistentes a los antibióticos en bacterias que se propagan en las plantas y pueden transferir esos genes a otros organismos en el medio ambiente.
El problema es crítico porque la resistencia a los antibióticos es letal y causa aproximadamente 2.8 millones de infecciones en los EE. UU. cada año, lo que lleva a más de 35,000 muertes, dijo Stadler, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y pionero en el análisis continuo de aguas residuales. para signos del virus SARS-CoV-2 responsable de COVID-19.
Esas estadísticas lo han convertido en un foco de esfuerzos de larga data en Rice que condujo a la fundación de un nuevo centro, Houston Wastewater Epidemiology, una asociación con el Departamento de Salud de Houston y Houston Public Works. El centro es uno de los dos designados por los CDC anunciados este año para desarrollar herramientas y capacitar a otros departamentos de salud estatales y locales en las ciencias del monitoreo de enfermedades transmitidas por aguas residuales.
La conclusión para los evaluadores es que las instantáneas pueden generar sesgos no deseados en sus resultados, dijo Stadler.
«Creo que es intuitivo que tomar una sola muestra de aguas residuales no es representativo de lo que fluye durante todo el día», dijo Stadler, quien también es miembro de la facultad del Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT), con sede en Rice y respaldado por la Fundación Nacional de Ciencias. ) Centro. «Los flujos y las cargas de aguas residuales varían a lo largo del día, debido a los patrones de uso del agua. Si bien sabemos que esto es cierto, nadie ha demostrado el grado en que los genes resistentes a los antibióticos varían a lo largo del día».
Para el estudio, el equipo de Rice tomó muestras aleatorias y compuestas en dos campañas de 24 horas, una durante el verano y otra durante el invierno, en una planta del área de Houston que desinfecta las aguas residuales de forma rutinaria.
Tomaron muestras cada dos horas de varias etapas del proceso de tratamiento de aguas residuales y realizaron pruebas de PCR en el laboratorio para cuantificar varios genes clínicamente relevantes que confieren resistencia a la fluoroquinolona, carbapenem, ESBL y colistina, así como un gen de integrón-integrasa de clase 1 conocido como un elemento genético móvil (MGE) por su capacidad de moverse dentro de un genoma o transferirse de una especie a otra.
Las muestras que recolectaron les permitieron determinar la concentración de ARG y las cargas en un día de semana típico, la variabilidad en las tasas de eliminación en las plantas en función de las muestras al azar y el impacto del tratamiento secundario y la desinfección con cloro en la eliminación de ARG, así como la capacidad de comparar agarres y compuestos.
El equipo descubrió que la gran mayoría de la eliminación de ARG se produjo debido a procesos biológicos en lugar de desinfección química. De hecho, observaron que la cloración, utilizada como desinfectante final antes de que las aguas residuales tratadas se descarguen en el medio ambiente, puede haber seleccionado organismos resistentes a los antibióticos.
Debido a que los resultados de las instantáneas pueden variar significativamente durante un día determinado, debían recopilarse a un ritmo constante durante 24 horas. Eso requirió que Lou y Ali pasaran varios turnos largos en la planta de tratamiento de aguas residuales de City of West University Place. «Acamparon», dijo Stadler. «Instalaron sus catres y ordenaron comida para llevar».
Tal compromiso no será necesario si el monitoreo de aguas residuales en tiempo real se convierte en una realidad. Stadler es parte de una colaboración de Rice que desarrolla sensores bacterianos vivos que detectarían la presencia de ARG y patógenos, incluido el SARS-CoV-2, sin pausa en diferentes lugares dentro de un sistema de aguas residuales. El proyecto en curso en Rice para construir sensores bacterianos que emitan una señal eléctrica inmediata al detectar un objetivo fue objeto de un estudio en Nature en noviembre.
«Los sensores vivientes pueden permitir el monitoreo continuo en lugar de depender de equipos costosos para recolectar muestras compuestas que deben llevarse al laboratorio para analizarlas», dijo. «Creo que el futuro son estos sensores vivos que se pueden colocar en cualquier parte del sistema de aguas residuales e informar sobre lo que ven en tiempo real. Estamos trabajando para lograrlo».
Karen Lu, estudiante de Rice, y Prashant Kalvapalle, estudiante de posgrado en el programa de doctorado en Biología Física, Sintética y de Sistemas, son coautores del estudio.
La Fundación Nacional de Ciencias (2029025, 1805901, 1932000) y un premio Johnson & Johnson WiSTEM2D apoyaron la investigación.
