Universidad Mayor de San Simón Estudio de caso 4: EL MÉTODO SODIS PARA EL CONSUMO DE AGUA Curso: Evaluación Cuantitativa de Riesgo Microbiano Dictado por: dictado por Ing. M. Sc. Matthew E. Verbyla Integrantes del grupo: Arce Camacho Mariel Chiri Chipana Victor Lamas Malaga Charlie Roy Saavedra Ulloa Daniela Fecha: Agosto de 2014 Cochabamba Bolivia
RESUMEN EJECUTIVO En los países en vías de desarrollo como en Bolivia, la seguridad de la calidad del agua potable es incierta, no se provee a toda la población y es aún la segunda causa de mortalidad infantil, por muertes que presentan cuadros diarreicos. Por esto, se presenta la tecnología SODIS como una alternativa simple, económica y ambientalmente sostenible para el tratamiento de aguas de consumo en las zonas rurales del país. El objetivo del estudio fue determinar las concentraciones máximas aceptables de los patógenos Escherichia coli y Salmonella typhimurium, para reducir el riesgo al nivel recomendado por la OMS: con <10-4 DALYs por persona por años. La concentración máxima aceptable para Escherichia coli y Salmonella typhimurium de fuentes de agua no tratadas por la tecnología SODIS es 5,05*102 ± 3,68*102 (UFC/ml) y 1,02*10-3 ± 0,000706 (UFC/ml), respectivamente. Por lo tanto, para que la tecnología sea segura se recomienda que para el consumo en los casos de E. coli y S. typhimurium el agua de origen no debe exceder las concentraciones mencionadas anteriormente. Sin embrago, las capacitaciones para los usuarios y consumidores de las zonas rurales se debe tener en cuenta que el agua a tratar provenga de fuentes que no presenten signos de contaminación, para mayor eficacia de la tecnología SODIS, las botellas deben ser transparentes y limpias. 1. INTRODUCCIÓN En todo el mundo más 15 millones de personas mueren debido a infecciones transmitidas por agua contaminada, más de 2 millones de niños mueren a causa de diarreas en países en vías de desarrollo (CASA, 2005; EPA, 2011). Los problemas de salubridad del agua potable para los países en vías de desarrollo sigue vigente, en Bolivia sólo el 32% de la población tiene acceso al servicio de Agua Potable, mientras que el 68% restante recibe un servicio de baja calidad y discontinuidad (CASA, 2005). La Desinfección Solar del Agua (SODIS) es una solución simple, económica y ambientalmente sostenible para el tratamiento de agua para el consumo de las zonas rurales del país (Dejung et al., 2007; Mausezahl et al. 2009). El método SODIS usa la energía solar para destruir los patógenos, los cuales son vulnerables a la radiación y el incremento en la 3
temperatura del agua causado por la luz solar (CASA, 2005; Dejung et al., 2007; Boyle et al., 2008). El objetivo del presente estudio de caso es determinar las concentraciones máximas aceptables de Salmonella typhimurium y Escherichia coli en una fuente de agua, para que el método SODIS efectue el tratamiento necesario para reducir el riesgo al nivel recomendado por la OMS: <10-4 DALYs por persona por año, considerando el uso para el consumo solamente. El presente trabajo pretende coadyuvar con la producción de información de la presencia y concentración de microorganismos indicadores y patógenos para el consumo de agua. 2. MÉTODOS Se seleccionaron dos microorganismos patógenos (Salmonella typhimurium y E. coli), los criterios utilizados para la selección de estos dos patógenos fueron, microorganismos que producen episodios de diarrea en niños <6 años. Al ser E. coli una bacteria termoresistente cuya temperatura optima de crecimiento es de 44,0 a 44,5 C, la temperatura de 47 C alcanzada durante el tratamiento SODIS, por sí sola no produce efectos significativos en la desinfección (CASA, 2005). Se estimó la concentración máxima aceptable de Salmonella typhimurium y E. coli en agua cruda antes de SODIS, mediante el método de simulación Monte Carlo, bastante útil para estimar el riesgo que revela el grado incertidumbre en el riesgo estimado. Para la simulación de Monte Carlo se realizó simulacros de sumatorias estadísticas en 1000 interacciones, utilizando la siguiente ecuación: C cr = (D / v)/e -kt (1) Donde: D = Dosis de infección, con distribución Poisson (ufc/día) C cr = Concentración del patógeno en agua cruda antes de SODIS (ufc / ml) v = Cantidad de agua que se consume en un día (ml / día) k = Remoción logarítmica por hora mediante el método SODIS (horas -1 ) 4
t = Tiempo de exposición SODIS (horas) Según EPA, 2011, la cantidad de agua ingerida promedio por niños <6 años al día es de 184 a 327 ml. La determinación de la dosis-reacción (D) se realizó mediante el ajuste de una probabilidad de infección (P inf ) 1/10000, dicha probabilidad determinada como la más aceptable para casos de diarrea en niños <6 años ocasionados por los patógenos seleccionados. La relación dosis reacción para S. typhimurium se ajusta a una distribución Poisson, determinada por el experimento realizado por Meynell & Meynell (1958), cuyos parámetros son = 21 y N 50 = 49,8; descritos en la pagina URL 1. Para E. coli patogénica la relación dosis reacción se ajusta a una distribución Poisson, determinada por varios experimentos realizados con cepas patogénicas de la bacteria, que pertenecen a tres grupos, las enteroinvasivas (EI), enterotoxigenicas (ET) y las enteropatogenicas (EP). Los parámetros que describen esta distribución son = 1,1952 y N 50 = 3,01*10 7 (Hass et al, 1999). La ejecución del modelo Monte Carlo se realizó en el software Microsoft Office Excel 2010, en el cual se introdujeron todas las variables y las ecuaciones, tanto para Escherichia coli como para Salmonella typhimurium, tal cual se muestra en la figura1, a continuación. Figura 1. Simulación del modelo Monte Carlo, en Excel 2010 para determinar la concentración máxima aceptable para los patógenos Escherichia coli (patógena) y Salmonella typhimurium. 5
La determinación de la probabilidad de infección se realizo con la siguiente ecuación: P A.inf =1 (1- P d.inf ) n (2) Donde: P A.inf = Probabilidad anual de infección P d.inf = Probabilidad diaria de infección aceptable n = numero de días de exposición al año La probabilidad diaria de infección aceptable fue determinada como 1/10000 y el número de días de exposición al año fue de 365. La determinación de la carga de la enfermedad por caso o DALYs se realizó con la siguiente ecuación: C A = P A.inf *C C *f s (3) Donde: C A = Carga de la enfermedad por caso P A.inf = Probabilidad anual de infección C C = Carga de salud de la enfermedad por caso f s = fracción susceptible La C C fue tomada como 1,3 x 10-2 determinada por infecciones bacterianas y debido a que ambos patógenos no presentan inmunidad se tomo a la fracción susceptible como 1. 3. RESULTADOS Se determinó que la concentración máxima aceptable E. coli patógena para el agua de consumo antes de aplicar el método SODIS, fue de 5,05*102 ± 3,68*102 (UFC/ml). Se determinó que la concentración máxima aceptable S. typhimurium para el agua de consumo antes de aplicar el método SODIS, fue de 1,02*10-3 ± 0,000706 (UFC/ml). 6
Los datos simulados por el método de Monte Carlo para las concentraciones máximas de E. coli y S. tyohimurium aparentan por su forma una Log Normal, tal y como se muestran en la Figuras 2 y 3. Figura 1. Distribución de datos simulados de la concentración máxima aceptable para E. coli en aguas que serán sometidas al método SODIS. Figura. Distribución de datos simulados de la concentración máxima aceptable para S. typhimurium en aguas que serán sometidas al método SODIS. 7
Para la caracterización del riesgo se realizó la transformación de la probabilidad de infección diaria a una probabilidad de infección anual, la cual fue P inf A = 3,46% para ambos patógenos. Con estos datos se determinó el DALYs, que corresponde a C A =2,01*10-2. 4. RECOMENDACIONES Para el E. coli patogénica se determinaron concentraciones mayores aceptables a las de S. typhimurium, lo cual era de esperarse debido a que este microorganismo se encuentra de manera ubicua en casi todos los hábitats, no sólo es un indicador de contaminación fecal sino que ciertas cepas se encuentran en el ambiente de forma natural. Aun así, el cálculo realizado está dirigido a aquellas cepas patógenas que puedan presentar un riesgo al grupo de niños sensible utilizado para este estudio. Nos llama la atención que las concentraciones aceptables de Salmonella typhimurium sean bajas, para esto se sugiere realizar más estudios y realizar otro modelo donde se incluyan los factores de virulencia de esta cepa. Lo mismo se sugiere para E. coli, ya que mientras más factores o parámetros sean tomados en cuenta, mayor será la veracidad de los datos obtenidos. Es importante tomar en cuenta que la contaminación de las fuentes de agua pueden variar región en región, de pueblo en pueblo y hasta en metro de la ubicación de la fuente de agua, el tamaño de la población humana que se encuentra alrededor y las posibles fuentes de contaminación debido a infiltraciones subterráneas, por falta de alcantarillados y buenos sistemas de tratamientos de agua. La fuente de agua que esté muy contaminada y que exceda en concentración a las encontradas para E. coli y S. typhimurium no garantizará el éxito a la desinfección en el tiempo establecido para la aplicación de la tecnología. Ambos microorganismos resultan ser más resistentes a la inactivación por sinergía del radiación solar y la temperatura, por lo tanto, es importante que los usuarios y consumidores de estas aguas tratadas cumplan con la metodología paso a paso para la desinfección, es decir, las horas de exposición, exposición en días nublados, la concentración de patógenos en la fuente de agua, la turbidez del agua, etc. 8
Se necesitan realizar más estudios para determinar la calidad de agua que se utiliza en esta tecnología, y cuan efectiva es su desinfección con otros microorganismos que se encuentren en las fuentes de agua y que puedan representar un riesgo en la salud en los diferentes grupos de riesgo de una población en zonas rurales. Se recomienda mejorar la disponibilidad de agua potable en zonas rurales y de la periferia de la ciudad. De igual manera es importante conocer el estado contaminación de aguas subterráneas por infiltración de aguas residuales. Campañas de educación e higiene para los habitantes de las zonas rurales son muy importantes para que las encargadas del hogar realicen los cuidados necesarios higiene, tanto en niños como en adultos. 5. REFERENCIAS Arboleda, J. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua. Mc Graw Hill, Bogotá, Colombia, pp.67-89. Bitton, G. (2005). Wastewater microbiology. Wiley-Liss, New York. Boyle, M., Sichel, C., Fernández-Ibáñez, P., Arias-Quiroz, G.B., Iriarte-Puña, M., Mercado, A., Ubomba-Jaswa, E., McGuigan, K.G. (2008). Bactericidal effect of solar water disinfection under real sunlight conditions, Applied and Environmental Microbiology, 74(10), 2997-3001. Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental (CASA). (2005). Desinfección solar del agua: de la investigación a la aplicación. Serie de Publicaciones Técnicas Nº 1. Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Mayor de San Simón (UMSS), Cochabamba. Dejung, S., Wegelin, M., Fuentes, I., Almanza, G., Jarro, R., Navarro, L., Arias, G., Urquieta, E., Torrico, A., Fenandez, W., Iriarte, M., Birrer, C., Stahel, W. A. (2007). Effect of solar water disinfection (SODIS) on model microorganisms under improved and field SODIS conditions. Journal of Water Supply: Research and Technology AQUA, 56(4), 245 256. 9
EPA. (2011). Exposure Factors Handbook: 2011 Edition. EPA/600/R-090/052F, Washington, D.C. Mausezahl, D., Christen, A., Pacheco, G.D., Tellez, F.A., Iriarte, M., Zapata, M.E., Cevallos, M., Hattendorf, J., Cattaneo, M.D., Arnold, B., Smith, T.A., Colford Jr., J.M. (2009). Solar drinking water disinfection (SODIS) to reduce childhood diarrhoea in rural Bolivia: a cluster-randomized, controlled trial, PLoS Medicine 6(8), e1000125. Wolyniak, E.A., Hargreaves, B.R., and Jellison, K. L. (2012). Biofilms reduce sola desinfection of Cryptosporidium parvum oocysts. Applied and Environmental Microbiology, 78(12), 4522-4525. URL 1 http://qmrawiki.msu.edu/index.php?title=file%3aexponential_and_betapoisson_model 10