Estudio técnico y biológico de sistemas aerobios granulares aplicados al tratamiento de aguas residuales hospitalarias

Abstract

The discharges of low-quality hospital and urban wastewater (WW) effluents into receiving aquatic ecosystems cause ecological damage and human health problems by spreading high loads of nutrients, pathogens and toxic compounds. The current Urban Wastewater Treatment Directive (91/271/CEE, European Commission, 1991) regulates the limit values for the emission of organic matter, nitrogen and phosphorus from municipal wastewater treatment plants (WWTPs). Although conventional activated sludge (CAS) systems can often reduce the concentration of these pollutants to meet the required limits, these systems have several drawbacks, including high energy consumption, excess sludge production, significant greenhouse gas emissions, low quality of the treated effluents, and design efficiency challenges, especially when dealing with low strength wastewater or fluctuating influent rates. In addition, these systems are not specifically designed to target emerging contaminants such as pharmaceutical active compounds (PhACs), personal care products, and endocrine-disrupting chemicals. As a result, they often fail to effectively remove these contaminants. Despite the current lack of regulations setting concentration limits for antibiotics in WW treated effluents, the removal of these compounds in CAS-based WWTPs co-treating hospital and urban WW is often scarce, creating a significant hotspot for the spread and proliferation of antibioticresistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARGs), and contributing to the worldwide emergence of antibiotic resistance. Therefore, the search for alternative bioprocesses to overcome the drawbacks of CAS needs to be encouraged. Aerobic granular sludge (AGS) operated in sequencing batch reactors (SBR) has a high potential for the improved treatment of urban and industrial WW and is currently considered the most promising technological alternative to overcome the disadvantages of CAS. Typical granular biomass allows the coexistence of different niches, enabling the metabolic versatility of the microbial communities and achieving excellent pollutant removal rates. The robustness of AGS for the treatment of complex WW containing recalcitrant and toxic compounds, such as antibiotics. Although several studies have investigated the feasibility of AGS for the efficient removal of PhACs in synthetic waters, to our knowledge, the evaluation of this technology for the treatment of real hospital WW has not been yet addressed. Thus, Chapter I focuses on the performance of AGS for the steady treatment of raw hospital effluents as a feasible approach to improve hospital WW management technologies. The characteristics of the granular biomass were not significantly affected, and the main microbial communities (Bacteria, Archaea and Fungi) were progressively acclimated to the healthcare WW inlet over time. The removal of several common PhACs was additionally analysed according to their correlation with the study area or ecological risks. Good removal performances of antibiotics, antiepileptics, and antidepressants drugs were achieved. In order to address the capacity of AGS to efficiently treat real hospital WW generating safe effluents, it is essential to determine the accumulation of ARGs and host ARB within the granular biomass. Therefore, Chapter II describes the development of an accurate methodology for the quantification of ARGs through sensitive and robust qPCR assays, supported by good primer design and validated protocols. The most relevant ARGs providing resistance to commonly prescribed antibiotic compounds were selected for their monitoring. The new molecular tools here designed were validated in samples retrieved from both natural and engineered environments, and the results highlighted a greater coverage of the new primer sets including a wider biodiversity of the bacterial populations carrying the different ARGs, plus a better design than the currently available molecular tools. Hence, after the validation of the new qPCR protocols, Chapter III provides an analysis of the occurrence and quantification of nine antibiotic compounds present in hospital WW and eleven ARGs within the AGS biomasses. Despite the excellent antibiotic removal performance achieved for the system, significantly high prevalence and enrichment of the targeted ARGs in the granular biomass were observed over time. Finally, Chapter IV presents the profiles of ARGs of five WWTPs operated at low temperatures as a reservoir of psychrophilic ARB, highlighting the usefulness of the new qPCR assays to monitor the occurrence and fate of antibiotic resistance markers and evaluate the role of conventional bioprocesses as a hotspots of ARGs. This study is particularly important for several reasons: first, cold temperature environments are the most widespread extreme habitats of the Earth's biosphere with a resistome that remains largely unknown; second, the role of WWTPs in the cryosphere as hotspots for the dissemination of antibiotic resistance has not been well established yet, and finally, the contribution of urban WW influents to the abundance and prevalence of ARGs in activated sludge samples needs to be thoroughly explored under these extreme temperature conditions. The overall results suggest that ARGs are ubiquitous and highly abundant in the cryosphere, despite the selection of microorganisms by low temperatures in WWTPs and natural cold environments. This study uses the recently developed quantitative methodologies for their application in environmental studies and strongly reinforces the global concern about the spread of antimicrobial resistance issues.

La descarga de las aguas residuales hospitalarias y urbanas con altas concentraciones de nutrientes, agentes patógenos y compuestos tóxicos tiene graves efectos sobre los ecosistemas acuáticos receptores y en la salud humana. La actual Directiva sobre el tratamiento de aguas residuales urbanas (91/271/CEE, Comisión Europea, 1991) regula los valores límites para la emisión de materia orgánica, nitrógeno y fósforo en los efluentes generados en las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales (WWTPs). Sin embargo, los sistemas convencionales de lodos activados (CAS) implementados en las WWTPs a nivel mundial, presentan varias desventajas en su funcionamiento, entre las que destacan el alto consumo de energía, la producción excesiva de lodos, la emisión de gases de efecto invernadero y una baja eficiencia de eliminación, especialmente, cuando la carga contaminante en los caudales del afluente es alta y fluctuante. Además, estos sistemas presentan un diseño inadecuado que limita su rendimiento en el tratamiento de contaminantes emergentes, especialmente de compuestos farmacéuticos (PhACs), productos de cuidado personal y disruptores endocrinos. En particular, la alta prevalencia de antibióticos representa un desafío actual para el adecuado funcionamiento de los CAS, pues las concentraciones límites para su disposición final en los efluentes generados no están contemplados dentro del ámbito de aplicación de las normas regulatorias vigentes. Como consecuencia de este fenómeno, la contribución significativa de los CAS en la diseminación y proliferación de las bacterias resistentes a los antibióticos (ARB) y de genes de resistencia a los antibióticos (ARGs) ha sido ampliamente evidenciada, especialmente en las WWTPs que tratan efluentes urbanos y hospitalarios. Por lo tanto, ante la urgencia de superar estos inconvenientes, el desarrollo de bioprocesos prometedores y eficientes constituyen líneas de investigación priorizadas en una gran mayoría de países del mundo. El sistema de lodos granulares aerobios (AGS) operado en reactores secuenciales discontinuos (SBR) es una biotecnología con un alto potencial para el tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales. Actualmente, está considerada como la alternativa tecnológica más prometedora por sus múltiples ventajas con relación a los CAS. Uno de sus principales atractivos consiste en que las biomasas granulares permiten la coexistencia de diferentes nichos microbianos responsables de la versatilidad metabólica y de sus excelentes rendimientos en la eliminación de contaminantes. Además, se trata de una tecnología robusta para el tratamiento de aguas residuales complejas con la presencia de compuestos recalcitrantes y tóxicos, por lo que se presentan como un bioproceso prometedor y económico para el tratamiento de aguas enriquecidas con compuestos farmacéuticos. Aunque varios estudios han determinado las capacidades de estos sistemas para la eliminación de PhACs en aguas sintéticas, según nuestro acceso a la información reciente, éste es el primer estudio que aplica esta tecnología para el tratamiento de efluentes reales de origen hospitalario. Por lo tanto, el Capítulo I evalúa el desempeño de un sistema aerobio granular en el tratamiento in situ de aguas hospitalarias crudas sin comprometer la estabilidad de operación del sistema, lo que permitirá mejorar la gestión de estos efluentes. Como criterios de selección de los PhACs se determinaron aquellos que se prescriben con mayor frecuencia, su correlación con el área de estudio y su potencial riesgo ecológico. De manera general, las propiedades de la biomasa granular no se afectaron significativamente y las principales comunidades microbianas (Bacteria, Archaea y Hongos) se aclimataron progresivamente de acuerdo con las características del influente a lo largo del tiempo de operación. En general, los efluentes hospitalarios mostraron un contenido de variable de PhACs, no obstante, se evidenció un buen rendimiento de eliminación de antibióticos, antiepilépticos y antidepresivos. Por otro lado, es esencial determinar la acumulación de ARGs y de ARB en la biomasa granular para proponer finalmente un sistema AGS seguro y eficiente para el tratamiento de efluentes hospitalarios. Teniendo en cuenta este enfoque el Capítulo II describe el desarrollo de una nueva metodología para la cuantificación de ARGs mediante ensayos de qPCR precisos, sensibles y robustos, respaldados por un buen diseño de cebadores y protocolos de cuantificación adecuadamente validados. Se seleccionaron once ARGs que confieren resistencia a los antibióticos de uso más relevante, para su detección en muestras de ambientes naturales y diferentes bioprocesos de tratamiento de aguas residuales. El conjunto de nuevos cebadores contempló una mayor cobertura de la biodiversidad de estos genes y un mejor diseño con relación a las herramientas moleculares actualmente disponibles. Una vez validada la metodología cuantitativa, en el Capítulo III se describe su empleo para determinar el perfil de enriquecimiento de estos genes en la biomasa granular y evidenciar la relación de su abundancia con la de once compuestos antibióticos presentes en los efluentes hospitalarios. De esta manera, a pesar del buen rendimiento del sistema en la eliminación de los antibióticos, se evidenció una alta prevalencia y enriquecimiento de los ARGs en el periodo de evaluación. Finalmente, el Capítulo IV se describen los perfiles de enriquecimiento de los ARGs seleccionados en cinco WWTPs que operan a bajas temperaturas como reservorios de ARB psicrófilas. La importancia de este estudio se fundamentó en que los ambientes templados son los hábitats extremos más extendidos de la biosfera, de los que se desconoce en gran medida su resistoma. Además, respaldó el uso potencial de los nuevos ensayos de qPCR para determinar la contribución de los bioprocesos convencionales como reservorios de ARGs y la influencia de los afluentes urbanos en la abundancia y prevalencia de estos genes. De manera general, los resultados sugirieron que los determinantes genéticos de resistencia a los antibióticos son ubicuos en la criosfera y en entornos naturales en regiones templadas, lo que refuerza fuertemente la preocupación mundial por la propagación de la resistencia a los antimicrobianos en múltiples ambientes naturales.