Determinació de l’origen de la contaminació fecal en aigües mitjançant la detecció molecular d’indicadors microbians

Abstract

La detecció de l’orgien de la contaminació fecal a l’aigua perment millorar la gestió del medi i mitigar la contaminació en l’origen recuperant amb més eficiència les zones afectades; a més a més permet estimar el risc sanitari que porta associat; prendre les mesures legals oportunes i establir responsabilitat econòmiques.

Fins a l’actualitat s’han descrit un elevat número de tècniques i marcadors que indiquen la presència de contaminació i permeten conèixer el seu origen. Abans de la implementació d’aquestes metodologies cal conèixer altres factors. Aquests mètodes s’han definit en una determinada àrea demogràfica i per una determinada població, per tant, cal conèixer si existeix variació geogràfica i temporal, saber-ne la prevalència i persistència al medi, valorar la distribució entre espècies, materialitzar procediments stàndars que puguin ser utilitzats en qualsevol laboratori. A més a més, estudis previs han suggerit que cap dels indicadors de l’origen de la contaminació fecal presenta un 100% d’eficiència i especifitat, així que és necessària la combinació de varis d’ells per tal d’incrementar la discriminació entre diferents oríigens.

Aquesta treball consisteix en tres parts diferenciades que volen aprofundir ens les mancances dels mètodes per a determinar l’origen de la contaminació. En la primera part (Capítol 2) s’ha valorat 10 marcadors diferents descrits prèviament: dues espècies del gènere Bifidobacterium marcadores de contaminació humana: Bif. adolescentis i Bif. dentium, dos marcadors específics d’humans (HF183 i HF134) i dos de rumiants (CF128 i CF193) que detecten espècies no cultivades del grup Bacteroidetes, un marcador del gen esp de soques d’Enterococcus faecium específiques d’humans i 3 marcadors d’ADN mitocondrial de cèl•lules humanes, bovines i porcines. Tot i que alguns dels marcadors moleculars analitzats presenten una elevada sensibilitat i especificitat, cap d’ells assegura un 100% d’encert. Això ha fer que es valorés la possibilitat de desenvolupar models predictius amb combinacions d’ells. D’aquesta manera s’ha obtingut una discriminació del 79,6% entre 4 oríigens diferents: humà, boví, porcí i avícola i d’un 90,1% distingint entre contaminació d’origen humà o no humà. A la segona part, veient la importància de Bif. adolescentis i Bif. dentium com a marcadors de contaminació fecal humana, s’ha utilitzat la tècnica de DGGE per tal d’aprofundir en l’ecologia del gènere. S’ha analitzat la distribució d’espècies en mostres d’aigua residual de diferents orígens. Bif. adolescentis s’ha confirmat com una de les espècies majoritàries en mostres d’origen humà. A la vegada, s’han definit espècies majoritàries en mostres d’origen boví com Bif. pseudolongum ssp. pseudolongum i Bif. thermophilum. Aquesta espècie també ha estat majoritària en porcs juntament amb una espècie que no identificada prèviament. En aus s’ha detectat una sola espècie identificada com Bif. saeculare. En els últims anys s’han dissenyat un elevat nombre de PCRs i q-PCRs específiques d’espècies no cultivades del grup Bacteroidetes per discriminar entre diferents hostes. En la tercera part, s’ha volgut aprofundir en el coneixement de la persistència del gènere Bacteroides i conèixer els factors ambientals que afecten la seva supervivència. Mitjançant experiments in situ al riu Llobregat s’ha observat la persistència de les soques tipus Bact. fragilis i Bact. thetaiotaomicron, majoritàries en aparell digestiu humà i espècies ambientals de l’aigua residual. S’ha realitzat el seguiment de la supervivència mitjançant tècniques de cultiu i tècniques moleculars. S’ha observat una major supervivència de Bact. fragilis a baixes temperatures que altes. Bact. thetaiotaomicron ha mostrat el contrari, major supervivència a l’estiu quan s’ha registrat una menor concentració d’oxigen dissolt a l’aigua. En aquesta espècie s’ha descrit prèviament una menor tolerància a l’oxigen. La presència de predadors a l’aigua també afecta de manera important la supervivència del gènere.

Faecal pollution is one of the main causes of degradation of surface and coastal water quality. Faecal pollution can be attributed to different sources, for example urban sewage, sewer misconnections, slaughterhouse wastewaters, manure run-off and solid disposals. The principal faecal bacterial indicators E. coli and Enterococcus are used to show the presence of pollution as well as the faecal load in water. However, these indicators do not discriminate between the possible sources of pollution. During the last decade many authors have described different methodologies based on molecular tools to detect different Microbial Source Tracking (MST) markers. However there is a lack of knowledge about the behaviour of the markers when they appear in the environment. Usually these markers have been described in a specific geographical area. For this reason their geographical and temporal stability has to be tested. Other aspects such as their prevalence and persistence in the aquatic environment must be known and standard operating procedures must be determined. The current project aimed to address these questions.

144 samples of different human and animal sources around Catalonia were collected in order to evaluate the applicability of some described MST markers, e.g. Bifidobacterium adolescentis, Bif. dentium, Bacteroides species human and ruminant specifics, esp gene of Ent. faecium and mitochondrial DNA of human, bovine and swine cells. The specificity and sensitivity of the markers was determined. Each marker alone does not give 100% source discrimination and for that reason predictive models were developed. These models increased the capacity of source discrimination using the lowest possible number of markers. Bif. adolescentis and Bif. dentium have been described as human specific species. Denaturant gradient gel electrophoresis technique was used to broaden the knowledge of Bifidobacterium distribution among different animal sources and to describe new species specificity to enable their uses as new MST markers. In addition, Bacteroidetes species have shown themselves to be capable MST markers. How environmental factors such as temperature and dissolved oxygen affect their survival in the environment has been studied in order to predict the durability of the markers in these environments. For this purpose, molecular techniques such as PCR and Q-PCR and cultivable methodologies combined with colony hybridization were used.