Reclaimed water use pilot scale practices in the Catalonian region. Viability quantitative PCR for microbial water quality monitoring

Abstract

Reclaimed water use is an essential element in the integrated water resources managment. The wastewater treatment and reuse are activities that increase the aquatic capital without depleting the natural resource, whose lack, both in terms of quality and quantity, is currently a serious worldwide problem. Reclaimed water can be used in different applications depending on its quality, thus reducing the potable water demand, and allowing for hidric natural sources regeneration. Furthermore, the regenerated effluent is kept out of surface waters and groundwater preventing their quality deterioration, and consequently reducing environmental degradation.
 Despite large advances in wastewater treatment, waterborne diseases still pose a major threat to public health. Consequently, the use of this type of resource usually requires more stringent monitoring procedures than when "good quality" water (such as groundwater and drinking water) is used. Therefore, improving water microorganism detection techniques is an essential step in the health risk management. 
 This dissertation work was performed along two main intertwined lines of research: (1) the study of quantitative PCR (qPCR) methods as fast and efficient tools for microbial water quality monitoring; and ( 2) the study of microbiological colonization associated to reclaimed water use at pilot-scale practices. The developed work contributes to reduce persistent uncertainty about the potential adverse effects that may encompass the use of reclaimed water on human health by demonstrating that the utilization of this resource, under suitable and controlled conditions, does not entail greater microbiological contamination when compared to well water. It also provides more light on the use of qPCR and viability qPCR techniques as tools for control and monitoring of water quality in order to address effective microbial pollution prevention. Quantitative PCR is essential for detection of specific pathogens and/or pathogens which can be present in low numbers. The fact that this technique also provide information on the viability and infectivity of microorganisms makes it a very powerful tool for rapid and reliable monitoring of water quality, as well as, it allows for quick response time for decision making. Therefore, it could be an useful tool for the implementation of microbial quality control programs. Additionally, the viability qPCR approach proposed in this dissertation provides a realistic estimate of the number of live cells in complex matrices like wastewater samples, particularly when protocol optimization will be difficult to be performed.
 As established Dr. Lucas Van Vuuren, "water should be judged by its quality, not its history" and viability qPCR is a good tool to achieve this goal. La reutilización de agua regenerada es un elemento clave en la gestión integral de los recursos hídricos actualmente escasos, tanto en términos de calidad como de cantidad, en algunas regiones del mundo. El tratamiento del agua residual y su posterior reutilización son actividades que permiten aumentar el capital agua sin agotar el recurso natural. Siempre que su calidad lo permita, el agua regenerada puede utilizarse en diferentes aplicaciones, reduciendo de este modo la demanda de agua potable y otorgando un mayor tiempo de regeneración a las fuentes naturales. Además, el efluente se mantiene fuera de las corrientes acuíferas superficiales y subterráneas evitando que la calidad de las mismas se vea deteriorada, lo que disminuye la degradación del medio ambiente. A pesar de los grandes avances alcanzados en el tratamiento de aguas residuales, las enfermedades transmitidas por el agua siguen representando una amenaza mundial importante para la salud pública. En consecuencia, para garantizar su calidad microbiológica a lo largo del tiempo, el uso de este tipo de recurso suele requerir un monitoreo o control de calidad más estricto que el de otros tipos considerados como de buena calidad (como por ejemplo el agua de pozo y el agua potable). La mejora de las técnicas de detección de microorganismos en agua es esencial para optimizar el tratamiento y utilización del agua regenerada, y poder así fomentar su uso en sectores claves como la agricultura y la industria. En esta tesis se trabajó en dos líneas principales, pero entrelazadas, de investigación: (1) el estudio de la técnica de PCR en tiempo real (qPCR) como herramienta rápida y eficaz para el control y monitoreo de la calidad microbiológica del agua, y (2) el estudio de la colonización microbiológica asociada con el uso de agua regenerada en prácticas a escala piloto. El trabajo desarrollado contribuye a reducir la incertidumbre persistente en relación con los efectos adversos potenciales que puede tener el uso de agua regenerada en la salud humana mediante la demostración que el uso de agua regenerada, en condiciones adecuadas y controladas, no implica un mayor riesgo de contaminación microbiológica en comparación con el agua de pozo. Este trabajo también aporta más luz sobre el uso de las técnicas de qPCR y qPCR de viabilidad como herramientas de control y monitorización de las aguas para la prevención eficaz de la contaminación microbiológica. La qPCR resulta esencial para la detección de patógenos específicos y/o que pueden estar presentes en concentraciones bajas. El que además pueda aportar información sobre la viabilidad e infectividad de los microorganismos la convierte en una herramienta muy potente que permite un monitoreo rápido y fiable de la calidad del agua, y contribuye a una mejor toma de decisiones en los casos en que sea necesario, por lo que podría ser una herramienta útil para la implementación de programas de control de calidad microbiológica. Adicionalmente, la modificación propuesta en esta tesis para la qPCR de viabilidad permite obtener una estimación más real del número de células vivas en matrices complejas como las aguas residuales, sobre todo cuando la optimización del protocolo es difícil de realizar. Como sostiene el Dr. Lucas Van Vuuren, "el agua debe ser juzgada por su calidad, y no por su historia" y la qPCR de viabilidad constituye una buena herramienta para lograr este cometido.