Persistencia de patógenos y dinámica de la comunidad bacteriana en suelos tropicales después de la aplicación de aguas residuales sin tratar.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13435 (2023) Citar este artículo

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El objetivo de este trabajo fue evaluar la persistencia de indicadores fecales y organismos patógenos (Salmonella spp., Escherichia coli y huevos de helmintos viables) y la estructura/diversidad de comunidades bacterianas en suelos receptores de aguas residuales crudas (RS) durante un período prolongado de aplicación. (3 años ininterrumpidos). En el diseño experimental se definieron tres tratamientos: (1) Suelo control, caracterizado por el análisis de una muestra compuesta recolectada en un área de suelo similar, pero no receptor de RS (TSC); (2) Suelo que recibe fertilización mineral convencional y riego por surcos con agua de aporte (AT); y (3) Suelo fertirrigado con RS aplicado por surcos (TF). Los resultados de persistencia de organismos patógenos e indicadores en TF indicaron una calidad sanitaria similar a la del suelo control (TSC), trayendo así potencialmente bajos riesgos de contaminación con patógenos presentes en el suelo. No se identificó la presencia de huevos de helmintos viables en ninguno de los tratamientos estudiados, debido a su baja concentración en las aguas residuales crudas del sistema estudiado. Los tratamientos TW, TF y TSC tuvieron 34,8% de diversidad bacteriana en común. La composición bacteriana del suelo mostró predominio del filo Proteobacteria en todos los tratamientos estudiados; sin embargo, TF fue el que tuvo mayor abundancia relativa de este filo (44,8%).

Las aguas residuales crudas (RS) están representadas por una matriz compleja que contiene nutrientes como nitrógeno, fósforo y otros elementos esenciales para el crecimiento de las plantas. Sin embargo, existen preocupaciones de salud pública sobre la persistencia de organismos patógenos cuando se aplican aguas residuales al suelo. Además, las condiciones ambientales como temperatura, contenido de agua, pH, composición del suelo y presencia de organismos competidores afectan el tiempo de supervivencia y su descomposición natural en el ambiente1,2,3.

La presencia de agua es fundamental para controlar la temperatura del suelo, haciendo que las condiciones ambientales sean más favorables para los microorganismos. Por el contrario, las condiciones extremas de baja humedad, acidez y alcalinidad (pH < 6,0 o pH > 8,0) tienden a no ser favorables para la supervivencia de la mayoría de las bacterias en el suelo, siendo el crecimiento y la persistencia de las bacterias entéricas generalmente más marcados en condiciones neutras. suelos. Dado lo anterior, en condiciones normales el suelo se convierte en un ambiente inhóspito para la supervivencia de bacterias patógenas de RS1.

El riesgo de infecciones por huevos de helmintos, con la aplicación de residuos y aguas residuales de diferentes fuentes en la agricultura, puede ocurrir ya que tienen una mayor persistencia en el sistema que otros microorganismos. Sin embargo, las directrices de la Organización Mundial de la Salud (OMS)4 sugieren que se puede realizar riego sin restricciones con un riesgo mínimo si las aguas residuales tienen concentraciones inferiores a un huevo de helminto L-1. La estacionalidad dicta el tiempo de supervivencia y la concentración de los helmintos en las aguas residuales y el suelo de riego. El período seco tiende a presentar una menor concentración de estos microorganismos en el medio debido a las condiciones climáticas involucradas, aunque estos microorganismos son más resistentes a condiciones adversas5.

La forma de tratar y manejar las aguas residuales, además de la correcta elección del cultivo agrícola, reduce considerablemente los riesgos para la salud pública6. La dosis aplicada de un efluente rico en patógenos dicta el tiempo de persistencia en el medio7. Las condiciones climáticas tropicales brasileñas demuestran que Escherichia coli se elimina dentro de los 13 días posteriores a la aplicación de RS8.

La microbiología del suelo es una variable esencial para mantener la calidad del medio ambiente, ya que existe una microbiota responsable de actividades como la descomposición de la materia orgánica (MO) del suelo y la fijación de nitrógeno (N), que son fundamentales en el proceso productivo. Además, estudios demuestran que la aplicación de aguas residuales sanitarias en el suelo, si bien puede contribuir a la liberación de microorganismos patógenos al medio ambiente, también contribuye con una serie de otros microorganismos que tienen una acción positiva para el funcionamiento del sistema suelo9 .

Utilizar aguas residuales con menores concentraciones de microorganismos patógenos es una condición favorable desde el punto de vista de la salud. Sin embargo, cuando se tratan las aguas residuales sanitarias, incluso los tratamientos más simplificados conducirán a la pérdida de nutrientes esenciales, principalmente N y P. Los estudios han demostrado que, en un sistema simplificado para reducir los patógenos en las aguas residuales, alrededor del 80 y el 60% del N y P, respectivamente, han sido eliminados10.

Según la legislación de algunos países, los estudios muestran la importancia de adoptar un período de barbecho (espera o descanso) entre la última aplicación de aguas residuales contaminadas y el consumo del producto alimenticio, dependiendo de cómo se prepare4. Durante este período de barbecho, hay un reducción significativa del riesgo de contaminación con patógenos potencialmente presentes.

En cuanto al estudio de comunidades bacterianas, la investigación con genes de ARNr del segmento 16S ofrece una oportunidad única para un análisis filogenético en profundidad para resaltar la amplitud de la diversidad en los diversos filos bacterianos que se encuentran en el suelo, principalmente los receptores RS. Las investigaciones que utilizan esta técnica han demostrado que el alcance de la diversidad filogenética en el suelo es más amplio que lo que está implícito en el uso de enfoques basados ​​en el cultivo in vitro11. Aunque el suelo tiene una diversidad notablemente estable de niveles de filos, constituye un ecosistema muy diverso en términos de la presencia de varios niveles de orden, familia, género y especie, con varias cepas aún no cultivadas de los distintos filos bacterianos (por ejemplo, Proteobacteria , Acidobacterias y Actinobacterias)12. Estudios con secuenciación filogenética, utilizados para identificar la comunidad bacteriana del suelo, abordaron la interacción de sus características físicas, químicas y fisicoquímicas con cambios en la abundancia de estos microorganismos13,14,15. En este sentido, las investigaciones avanzan en la identificación de organismos sensibles a las interacciones del suelo con la comunidad microbiana, generando la posibilidad de servir como indicador de la calidad del suelo12,15.

Este trabajo trae como principal innovación el análisis del uso de aguas residuales crudas como fertirrigación de cultivos agrícolas durante un largo período en una evaluación microbiológica. El objetivo de este trabajo fue estudiar la persistencia de indicadores y organismos patógenos (Salmonella spp, Escherichia coli y huevos de helmintos viables) en un suelo receptor de aguas residuales crudas (RS) durante un largo período de aplicación (3 años), y la estructura y Diversidad de comunidades bacterianas después de 2,5 años de aplicación de RS.

El experimento se llevó a cabo en un área de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la Empresa de Saneamiento de Minas Gerais (Companhia de Saneamento de Minas Gerais—COPASA ETE—Onça), que trata aguas residuales municipales de las ciudades de Belo Horizonte y Contagem, Brasil, ubicadas en el coordenadas geográficas 19°49′20.6″ Sur y 43°53′46.6″ Oeste, a una altura de 852 m.

La región tiene un clima tropical húmedo, con la mayor precipitación durante el verano. El suelo de la zona estaba formado por material compactado, por lo que no fue factible obtener una clasificación adecuada. Sin embargo, según la Base de Referencia Mundial 2014 (Actualización 2015)16, tiene características similares a un Technosol. La caracterización inicial del suelo se muestra en la Tabla 1. Todos los análisis de laboratorio se realizaron según la metodología descrita por EMBRAPA17, cubriendo los siguientes parámetros: potencial hidrogeniónico en agua (pH); conductividad eléctrica medida en la suspensión suelo/agua en la proporción de 1:2,5 (CE); nitrógeno total (Ntotal); fósforo, potasio, calcio, magnesio y aluminio disponible (P, K, Ca, Mg y AlAvail); capacidad de intercambio catiónico efectiva y potencial (CECEff y CECPot); acidez potencial (H+Al); saturación de bases (V); saturación de aluminio (m); masa específica global del suelo (d); contenido de agua del suelo (U); análisis granulométrico (G).

El experimento se llevó a cabo durante tres años, plantándose en el suelo una planta forrajera (Pennisetum purpureum), donde se definieron los siguientes tratamientos: 1) Suelo control, caracterizado por el análisis de una muestra compuesta recolectada en un área de suelo similar , pero no receptor de RS “Raw Sewage” (TSC); 2) Suelos que reciben fertilización mineral convencional y riego por surcos con agua de abastecimiento (AT) de un sistema público de agua potable; y 3) Suelo fertirrigado con aguas residuales crudas aplicadas por surcos (TF).

Todos los métodos cumplen con todas las directrices y leyes institucionales, nacionales e internacionales pertinentes con respecto a las plantas utilizadas en el experimento. Cabe señalar que el material vegetal utilizado fue obtenido de un instituto afiliado, sin embargo es una especie comercial, comercializada libremente en el país del experimento (Brasil), no siendo una especie en peligro de extinción o amenazada.

La fertirrigación con RS se realizó semanalmente aplicando una dosis equivalente a 300 kg ha-1 año-1 de Na18. En la Tabla 2 se muestra la caracterización fisicoquímica de los RS utilizados en la fertirrigación del tratamiento TF. Todos los análisis de laboratorio se realizaron según las metodologías propuestas por APHA19. El área experimental tuvo 0.1 ha subdividida en los 3 tratamientos. El riego y la aplicación de agua complementaria a las parcelas fertirrigadas con RS también se realizaron semanalmente, y se utilizó la evapotranspiración para calcular las demandas hídricas de las plantas20. La temperatura promedio anual (Tmedia) fue de 23 °C, la humedad relativa promedio anual (RHmedia) fue de 61% y la precipitación acumulada promedio anual (Pr) fue de 1353 mm durante el período experimental21.

Los indicadores elegidos para el análisis fueron Salmonella spp, Escherichia coli (E. coli) y huevos de helmintos viables. Los dos primeros son indicadores de contaminación fecal, y el tercero es un indicador parasitario de persistencia ambiental más notable. También fueron elegidos porque las bacterias y los helmintos tienen diferentes mecanismos de eliminación en las aguas residuales y en el suelo. El análisis de E. coli se realizó mediante el método 1603 US EPA22, el análisis de Salmonella spp se realizó mediante el método 1682 US EPA23 y el recuento de huevos de helmintos viables se cuantificó mediante el método Meyer24.

Los muestreos se realizaron después del 3er año de aplicación de RS en las tres semanas siguientes, inmediatamente después de la última fertirrigación, para identificar mejores condiciones de desarrollo de los microorganismos. Se recogieron muestras de suelo utilizando una barrena esterilizada. Se recolectaron muestras en varios puntos a lo largo del área experimental, formando una muestra compuesta para cada tratamiento. La profundidad analizada fue de 0 a 5 cm, ya que en esta capa se produce la actividad microbiológica más importante, reteniendo la mayor parte de los microorganismos aplicados, según Balkhair25.

La composición y diversidad de la comunidad microbiana en el suelo se investigaron mediante la amplificación secuencial del gen 16S rRNA, utilizando la plataforma Illumina MiSeq, para identificar bacterias. Los pasos del análisis molecular fueron explicados con mayor detalle en Lopes et al.15. El muestreo se realizó después de 2,5 años de aplicación de RS, inmediatamente después de la última fertirrigación. Las muestras de suelo se recolectaron utilizando una barrena esterilizada y se recolectaron en varios puntos a lo largo del área experimental, formando una muestra compuesta para cada tratamiento, en una profundidad de 0 a 0,05 m.

La parte bioinformática de esta metodología se refiere a filtrar las secuencias genéticas encontradas en los suelos estudiados, filtrándolas para eliminar cebadores, secuencias menores a 150 pb y secuencias ambiguas. A las secuencias con ≥ 97% de similitud se les asignaron las mismas clasificaciones de unidad taxonómica operativa (OTU).

Con el conteo de la clasificación OTU se aplicaron análisis estadísticos descriptivos respecto de la abundancia relativa de bacterias (porcentaje) a nivel de filo, clase, orden y género, y el conteo de unidades con abundancia relativa menor al 1% se enmarcó en el Clasificación “Otra”. El índice de riqueza comunitaria (Chao1) y los índices de diversidad (Shannon y Simpson) se calcularon en Microbiome Analyst26.

Los análisis de macronutrientes (N, P y K) y materia orgánica del suelo se realizaron después de 2,5 años de operación del sistema. Se utilizó el análisis de componentes principales (PCA) para analizar la correlación de los parámetros del suelo con la abundancia relativa a nivel de phylum de los tratamientos aplicados, utilizando la correlación de Pearson con un nivel de significancia de 0.05. Se utilizó la extensión gratuita XLSTAT para Microsoft Excel.

En la Tabla 3 se muestran los resultados del análisis de persistencia de bacterias indicativas de contaminación fecal (Escherichia coli) y bacterias patógenas del género Salmonella spp. en la capa superficial del suelo. Es importante señalar que estos análisis se realizaron inmediatamente después de los 3 años de aplicación de RS debido a que fue el momento en que el suelo estuvo más prolongado expuesto a la contaminación de estos microorganismos.

Observando el Cuadro 3 en la aplicación RS, que suele contener concentraciones considerables de coliformes termotolerantes, representados principalmente por E. coli, no hubo detección de esta bacteria en las muestras de suelo recolectadas, detectándose solo en un muestreo de la 1ª semana. Además, se puede observar que el TFN mostró una disminución en la concentración de E. coli en el suelo en las semanas posteriores, manteniéndose por debajo del límite de detección impuesto por el método (< 10 NMP g−1 de suelo).

En cuanto a Salmonella spp. el suelo testigo (TSC) presentó un valor máximo de 0.138 NMP g−1; sólo el análisis de la muestra sometida a TF en la 2ª semana arrojó valores superiores al suelo control. Los resultados muestran un comportamiento similar con el suelo control, indicando que la detección de Salmonella spp. del sistema puede ser natural desde el lugar de instalación del experimento.

Es importante enfatizar que no existen puntos de referencia para la concentración de E. coli en el suelo. Sin embargo, los valores establecidos en la legislación brasileña CONAMA no. 49827, de la calidad microbiológica de lodos de depuradora de uso agrícola se puede aplicar en la evaluación de las condiciones sanitarias del suelo. En esta resolución, los lodos mejor clasificados (lodos clase A) deben tener un valor de coliformes termotolerantes inferior a 103 NMP g−1 de sólidos totales. Por lo tanto, se puede considerar que el suelo de todos los tratamientos y en todos los momentos de evaluación presenta un bajo riesgo de contaminación.

Se realizaron estudios con tasas de descomposición del suelo de E. coli con aplicación de aguas residuales crudas en suelo con y sin vegetación para suplir la demanda de nitrógeno de 300 kg ha-1 año-1 de las plantas. Este estudio también verificó que las concentraciones de este microorganismo tienden a decaer a una condición insignificante en el medio dentro de las dos semanas posteriores a la aplicación del agua residual al suelo8. Además, los investigadores afirmaron que la fertirrigación demostró ser una buena técnica de tratamiento/disposición final de aguas residuales para inactivar este microorganismo, lo que corrobora los resultados obtenidos en este trabajo.

La concentración de Salmonella spp. establecido en la legislación de Estados Unidos28 para lodos clase A debe presentar una concentración menor a 0.75 NMP g−1 de TS. Según esta referencia, todos los análisis de muestras de suelo tuvieron valores inferiores a este, lo que sugiere un bajo riesgo de contaminación.

Un estudio demostró que Salmonella spp. tiende a ser más persistente en el suelo que E. coli, destacando la importancia de la carga de estos microorganismos aplicada al sistema29. Existe una variación en los factores que influyen en el tiempo de supervivencia de Salmonella spp. en el suelo, con tendencia a volverse insignificante en el sistema con el tiempo30. Por lo tanto, con la dosis de RS aplicada al suelo en este trabajo, la persistencia de Salmonella spp. puede considerarse muy bajo.

No se detectó la presencia de huevos de helmintos viables en las muestras compuestas de suelo recolectadas en su capa superficial (0–5 cm), en las parcelas experimentales sometidas a todos los tratamientos, después de tres años de aplicación de RS. Este resultado puede explicarse por la baja carga aplicada de estos nematodos al suelo, proporcionando su alta dilución en este sistema, considerando que existen reportes de largos períodos de persistencia de estos microorganismos31.

Otro factor crítico para no detectar huevos de helmintos es la dilución que proporciona la intrusión del agua de lluvia al sistema de alcantarillado. En la literatura se han reportado concentraciones que van desde la no detección hasta 200 huevos de helmintos por litro de aguas residuales32. En un estudio que analizó el uso de aguas residuales con concentraciones promedio de 2,6 a 2,8 huevos L-1, en el riego de hortalizas en Ghana, los resultados indicaron una concentración promedio de 3 huevos g-1 de suelo, en su capa superficial5. Un estudio realizado con lodos de depuradora aplicados al suelo del sur de África y Senegal, ricos en huevos de helmintos viables, demostró que el simple hecho de cosechar la lechuga 30 días después de aplicar el lodo al suelo reducía el riesgo de contaminación de niveles aceptables, según lo establecido por la OMS6.

Para evaluar la composición y diversidad microbiana del suelo se utilizó la secuenciación del gen 16S rRNA, en el cual se cuantificaron un total de 245,675 secuencias de alta calidad, obteniéndose 17,039 unidades taxonómicas operativas (OTU) en los 3 tratamientos estudiados (Cuadro 4) .

Para comprender mejor la composición de la OTU que se superpone dentro de los tratamientos evaluados, se aplicó el diagrama de Venn para mostrar la diferencia en la diversidad microbiana para cada tratamiento, como se muestra en la Fig. 1.

Diagrama de Venn que muestra las unidades taxonómicas bacterianas (OTU) comunes y únicas del suelo que recibe aguas residuales sin tratar (TF), del suelo que recibe fertilizante mineral (TW) y del suelo de control (TSC).

Comparando, se observa que el TW presentó mayor número de OTU, con 6.052 unidades identificadas, siendo 11,47 y 8,89% mayor que el TF y el TSC, respectivamente (Tabla 4). Observando el diagrama de Venn, TW presenta 21,7% de sus especies bacterianas exclusivas de este tratamiento, mientras que TF y TSC presentan 13,7 y 12,1% de especies enteras, respectivamente (Fig. 1). Este análisis de exclusividad indica que la fertilización mineral crea condiciones para el desarrollo de un número más significativo de especies que difieren de TF y TSC.

Los tratamientos TW, TF y TSC tuvieron 34,8% de diversidad bacteriana en común; sin embargo, TW tenía 7,1 y 6,2% en común con TF y TSC, respectivamente. Comparando TF con TSC, compartieron el 4,3% de la diversidad bacteriana. El estudio demuestra la similitud en la diversidad bacteriológica del suelo que recibe aguas residuales tratadas y agua dulce, sin embargo, existe un número más significativo de bacterias asociadas con la nitrificación, la degradación de carbono y los indicadores fecales en el suelo que recibe aguas residuales tratadas9.

El índice de riqueza comunitaria (Chao1) apunta a superioridad en el suelo de la TF, como resultado de la mayor diversidad microbiológica de la RS, y esta diversidad fue reportada en otros estudios33,34. Los índices de diversidad (Shannon y Simpson) reflejaron los impactos negativos del movimiento del suelo TF y TW. Los impactos sobre la diversidad microbiológica en suelos alterados se presentaron en la literatura en otro estudio35.

En este apartado se presenta la composición taxonómica de la muestra obtenida mediante secuenciación masiva del gen 16S rRNA del dominio bacteriano. Al observar el estudio de abundancia relativa a nivel de filo, mostrado en la Fig. 2, se verificó el predominio de los filos Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi y Bacteroidetes, y estos representaron alrededor del 80% de la abundancia relativa de bacterias en las bacterias recolectadas. muestras de suelo del área experimental sometidas a todos los tratamientos.

Abundancia relativa (%) de bacterias a nivel de filo, clase, orden y género de suelo que recibe aguas residuales sin tratar (TF), suelo que recibe fertilización convencional (TW) y control de suelo (TSC) después de 2,5 años de experimentación.

Hubo predominio del filo Proteobacteria de 39,5, 44,8 y 43,2%, con abundancia relativa para TW, TF y TSC, respectivamente. Las proteobacterias fueron reportadas como el filo bacteriano con mayor abundancia relativa en otros trabajos compilados, con un promedio similar a los reportados en este trabajo (40%), y este filo presenta una diversidad morfológica, fisiológica y metabólica que es de gran importancia para la ciclo global del carbono, nitrógeno y azufre en el suelo11.

En un estudio realizado con la aplicación de aguas residuales tratadas, se observaron 17 filos bacterianos con Proteobacteria (32,1%), seguido de Firmicutes (26,5%) y Actinobacteria (14,3%). Estas secuencias asociadas a bacterias nitrificantes, bacterias fijadoras de nitrógeno, degradadoras de carbono, bacterias desnitrificantes, patógenos potenciales y bacterias indicadoras fecales fueron más abundantes9. Estos autores concluyeron que el efluente tratado podría contener bacterias que pueden estar activas en muchas funciones del suelo y algunos patógenos potenciales.

Las actinobacterias mostraron una abundancia relativa considerable en los suelos estudiados, siendo mayor en TSC (15%), con un recuento de OTU de 11.000, mientras que en TW y TF, la abundancia relativa fue del 10% en ambos (Fig. 2). Este resultado indica que el movimiento del suelo para la instalación del cultivo puede haber sido el precursor de esta reducción en TW y TF.

En el suelo, las actinobacterias se comportan como hongos, ayudando a descomponer la materia orgánica y contribuyendo a que los nutrientes estén disponibles para las plantas. Además, algunas especies viven en simbiosis con las raíces que impregnan el suelo, fijando nitrógeno para las plantas a cambio de acceso a algunos de los sacáridos producidos por las plantas. Además, otros genes, como Mycobacterium, son patógenos y se confirmarán cruzando los recuentos de genes OTU36,37.

El filo Acidobacteria mostró una abundancia relativa y un recuento de OTU diferentes en comparación con el filo Actinobacteria, con valores de abundancia relativa de 9,9, 9,4 y 7,1% para muestras de suelo recolectadas en TW, TF y TSC, respectivamente. Sin embargo, a pesar de esta abundancia y diversidad de Acidobacterias, la información sobre su fisiología y función ecológica sigue siendo escasa, principalmente debido al bajo número de representantes cultivables y su lento crecimiento in vitro en condiciones estándar de laboratorio38,39.

El filo Chloroflexi está profundamente ramificado y contiene aislados termófilos aeróbicos y anaeróbicos, fotótrofos anóxicos filamentosos y respiradores anaeróbicos de organohaluro, que tienden a ser abundantes en la capa superior del suelo40. En este estudio, el recuento de OTU del filo Chloroflexi fue aproximadamente el doble en el TW en comparación con lo que se cuantificó en las muestras de suelo recolectadas en los otros tratamientos. Esto se debe a la mayor disponibilidad de nutrientes que aporta la fertilización mineral en sus sucesivas aplicaciones, lo que no ocurre en la TF. Este factor se verificó en pastizales que recibieron fertilización mineral procedente de China13.

Un estudio previo demuestra que el filo Bacteroidetes tiende a reducirse en suelos cultivables, lo que es responsable de la degradación de la materia orgánica compleja12. El suelo TW tuvo el recuento de OTU más bajo (4120). Sin embargo, aun siendo un suelo cultivado, el TF tendió a aumentar el recuento de OTU (6,913), donde el RS creó condiciones favorables para mantener y mejorar el filo Bacteroidetes en el suelo debido a la incorporación de OM.

Los organismos patógenos, como Clostridium, son parte del filo Firmicutes, pero la aplicación RS no los incluía ya que el recuento de OTU en la muestra de suelo TF fue 3,810, mientras que en la TW fue 6,354. El estudio demuestra una tendencia creciente en los recuentos de OTU en suelos cultivables en comparación con suelos de control, relacionando este aumento con diferentes interacciones físico-químicas del suelo12.

En términos de la dinámica de las comunidades encontradas en el suelo, el filo Proteobacteria ocupó la mayor abundancia en todos los suelos. Estudios muestran que su riqueza aumenta con el aumento de la disponibilidad de MO y juega un papel en la fijación de nitrógeno en la clase Alphaproteobacteria, donde destaca el orden Rhizobiales41,42,43,44. Esta dinámica está en línea con lo encontrado en este estudio, ya que TF mostró una mayor capacidad de aumentar con OM (Tabla 2).

Siguiendo el mismo razonamiento, aún dentro del filo de Proteobacteria, la clase Betaproteobacteria, con énfasis en el género Rhodocyclales, tiene un papel importante en la descomposición de compuestos inorgánicos, mientras que la clase de Deltaproteobacteria, con énfasis en el género Myxococcales, tiene la capacidad de para reducir los compuestos de azufre41,42,43,44. Como se mencionó anteriormente, estas funciones se destacaron en el tratamiento que recibían las aguas residuales crudas.

El filo Actinobacteria, representado por el género Actinobacteria, es reconocido por su resistencia y alta capacidad de biodegradación, siendo importante en el proceso de degradación de compuestos orgánicos e inorgánicos, con capacidad de solubilizar fósforo y potasio en el suelo con alto valor agronómico44,45. 46,47. Por lo tanto, se esperaba que este género se hubiera destacado en términos de abundancia en el TF y TW. Sin embargo, fue más expresivo en el TSC, es decir, la adición de MO y otros nutrientes no hizo que este género se destacara. Una probable explicación es que este género es sensible a los procesos mecánicos que sufren los suelos cultivables y que la competencia en un ambiente favorable no lo ponía en evidencia.

Un estudio muestra que la presencia de metales pesados, como Zn, Cr, Ni, Cu, Cd y As, pueden tener un efecto pesticida en el desarrollo del filo Actinobacteria y Proteobacteria44. Sin embargo, observando la Tabla 2, a pesar de haber caracterizado solo Cu y Zn, estos se encuentran en bajas concentraciones, indicativo del bajo aporte de metales pesados ​​en la RS utilizada en este estudio.

La abundancia relativa a nivel de clase indicó predominio de alfaproteobacterias (12,85%), deltaproteobacterias (14,42%), betaproteobacterias (12,87%) y gammaproteobacterias (4,53%) en el suelo de tratamiento TF, pertenecientes al filo Proteobacteria. El recuento de OTU de la clase betaproteobacteria en la muestra de TF fue de 10.203, superior al de los otros tratamientos. Este resultado puede estar justificado, ya que se han detectado betaproteobacterias en cantidades significativas en diversas aguas residuales11.

La clase Actinobacteria mostró una abundancia relativa del 15% en el TSC, con una OTU de 10.742. Este valor es numéricamente mayor que los demás tratamientos, pudiéndose combinar este resultado con el no movimiento del suelo en este tratamiento. La clase de esfingobacterias es parte del filo bacteroidetes, con una abundancia relativa del 2,89% en el TW y una OTU de 1.743 numéricamente más pequeña que los otros tratamientos.

La abundancia relativa a nivel de orden destacó para el orden de los rizobiales, que presentó 7.67, 8.25 y 9.86 % de abundancia relativa para TW, TF y TSC, respectivamente. El orden de los rizobiales pertenecientes a la clase alfaproteobacteria y al filo Proteobacteria prosperan en suelos con mayores cantidades de carbono orgánico9,48.

El orden desulfuromonadales mostró una abundancia relativa de 7.86, 9.28 y 6.68% para los tratamientos TW, TF y TSC, respectivamente. El orden desulfuromonadales pertenece a la clase de deltaproteobacterias y al filo Proteobacteria, responsables de desempeñar papeles esenciales en la degradación de la materia orgánica y de estar involucrados en asociaciones sintróficas, especialmente con metanógenos y bacterias fotótrofas del azufre verde49.

Al observar el recuento de OTU a nivel de orden, los burkholderiales tuvieron su recuento más alto para el TF (6.507), con una abundancia relativa del 8,2%. Las bacterias del orden burkholderiales pueden servir como indicador de la eliminación eficaz de hidrocarburos en bajas concentraciones de oxígeno50.

Los géneros de bradyrhizobium, burkholderia y geobacter mostraron abundancia relativa en el TF de 3.84, 3.66 y 4.02%, respectivamente. El género bradyrhizobium pertenece al filo proteobacteria, el cual está compuesto por bacterias capaces de generar nódulos en las raíces de las plantas, lo que aumenta la fijación de nitrógeno en el sistema51.

El género burkholderia pertenece al filo proteobacteria, lo cual se señala en estudios, ya que incluye algunas especies patógenas en este género. Sin embargo, muchas cepas no son patógenas y tienen características deseables, como asociaciones beneficiosas con las plantas y degradación de contaminantes52. El género Geobacter también pertenece al filo proteobacteria y presentó su menor abundancia relativa en el CET (0,16%). Sin embargo, el género geobacter se ha asociado con resultados satisfactorios en procesos de biorremediación vinculados a la reducción de compuestos de azufre53.

La Figura 3 muestra la correlación entre los atributos del suelo y la abundancia relativa de bacterias del suelo en función de los tratamientos. En la Fig. 3 (izquierda) los parámetros que corresponden al eje X (PC1) fueron TN, P y OM, mientras que el eje Y (PC2) fue K. Por lo tanto, se observa que existe una correlación positiva directa de la MO, TN y P del suelo para el tratamiento que recibió RS (TF), lo cual era esperado debido a la expresiva cantidad de estos elementos en el RS, como se puede observar en el Cuadro 2. El TW también mostró una correlación positiva con el OM, TN y P, pero esto no es más evidente que para TF. El TW mostró una tendencia positiva en las cantidades de K, en gran medida debido a la rápida disponibilidad de nutrientes vía fertilización química.

Diagrama de ordenación del análisis de componentes principales (PCA) bidimensional basado en el contenido de macronutrientes y materia orgánica en el suelo (izquierda) y la abundancia relativa de bacterias del suelo a nivel de filo (derecha).

En la Fig. 3 (derecha), los filos correspondientes al eje X (PC1) fueron Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes, Firmicutes y Gemmatimonadetes, mientras que al eje Y (PC2) estaban Actinobacteria, Planctomycetes y Verrucomicrobia. Por lo tanto, se observa que el TW fue el que presentó mayor correlación en términos de abundancia relativa, es decir, esta correlación no está ligada a la adición de OM y TN, que se notó en el TF, y muy probablemente a la disponibilidad. de nutrientes provenientes de la fertilización química.

El TF mostró una correlación positiva con los Bacteroides, que como se mencionó anteriormente, son bacterias responsables de la degradación de la MO compleja, lo que indica esta correlación de la RS en el aumento de la MO del TF. Este aumento también se debe a la presencia de este filo en el tracto intestinal humano54, por lo que RS debió haber aumentado su carga en el suelo.

El TSC mostró una correlación positiva con las Actinobacterias, por lo que si se observan las características naturales del suelo (Cuadro 1) estos no presentan condiciones favorables expresivas para el desarrollo microbiológico en términos de MO y disponibilidad de nutrientes. Sin embargo, las actinobacterias son reconocidas por su resistencia en ambientes estresantes desde el punto de vista microbiológico, debido a su capacidad de producir metabolitos47.

La persistencia de indicadores patógenos en el suelo mostró una calidad sanitaria similar a la del suelo control, por lo que sugiere bajos riesgos de contaminación con patógenos presentes en el suelo. El estudio realizado en las tres semanas posteriores a la aplicación de RS en el suelo no mostró persistencia de los indicadores en el tiempo, ya que los resultados de los análisis estuvieron por debajo del límite de detección o cerca del límite. No se detectaron huevos de helmintos viables en el suelo estudiado en ningún tratamiento debido a la baja concentración de huevos de helmintos en las aguas residuales y en el efluente estudiado (RS).

El suelo que recibió tratamientos de fertilización convencional (TW), el suelo que recibió aguas residuales sin tratar (TF) y el control de suelo (TSC) tuvieron un 34,8% de diversidad bacteriana compartida. Sin embargo, TW tenía 7,1 y 6,2% en común con TF y TSC, respectivamente. Comparando TF con TSC, tenían un 4,3% de diversidad bacteriana en común. El índice de riqueza comunitaria (Chao1) apuntó a superioridad en el suelo de la TF, como resultado de la mayor diversidad microbiológica de la RS. Por el contrario, los índices de diversidad (Shannon y Simpson) reflejaron los impactos negativos del movimiento del suelo TF y TW.

Hubo predominio del filo Proteobacteria de 39,5, 44,8 y 43,2%, con abundancia relativa para TW, TF y TSC, respectivamente. La abundancia relativa a nivel de clase fue que alfaproteobacterias (12,85%), deltaproteobacterias (14,42%), betaproteobacterias (12,87%) y gammaproteobacterias (4,53%) predominaron en el suelo de tratamiento TF, perteneciendo al filo Proteobacteria. La abundancia relativa a nivel de orden destacó para el orden de los rizobiales, que presentó 7.67, 8.25 y 9.86% de abundancia relativa para TW, TF y TSC, respectivamente.

Este trabajo dilucida cuáles son los índices de desarrollo de la biodiversidad de un suelo que recibe aguas residuales, permitiendo identificar cuáles son los filos, clases, órdenes y géneros que están presentes en mayor abundancia en los suelos sometidos a los tratamientos aquí establecidos. Por lo tanto, se puede notar una ganancia en estos parámetros con la aplicación de aguas residuales crudas, y esta práctica puede usarse para recuperar la microbiología del suelo en áreas degradadas (Información complementaria 1, 2, 3, 4).

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado, como figuras, tablas, gráficos y material complementario.

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Descargar referencias

Los autores agradecen el apoyo obtenido de las siguientes instituciones brasileñas: Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico—CNPq; Coordinación para el Perfeccionamiento del Personal de Educación Superior—CAPES; Fundación de Apoyo a la Investigación del Estado de Minas Gerais—FAPEMIG; Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Sostenibles—INCT ETEs Sustentáveis.

Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Universidad Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Marcus Vinícius Araújo Marques, Bruna Coelho Lopes, Thiago Henrique Ribeiro Silvério, Marcos von Sperling y Thiago de Alencar Neves

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Todos los autores revisaron y escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Marcus Vinícius Araújo Marques.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Marques, MVA, Lopes, BC, Silvério, THR et al. Persistencia de patógenos y dinámica de la comunidad bacteriana en suelos tropicales después de la aplicación de aguas residuales sin tratar. Representante científico 13, 13435 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40718-0

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Recibido: 04 de abril de 2023

Aceptado: 16 de agosto de 2023

Publicado: 18 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40718-0

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