La Escherichia coli es una bacteria que suele encontrarse en aguas urbanas y se utiliza como indicador de contaminación microbiana del agua. La abundancia de esta bacteria en cuencas hidrográficas urbanas está determinada por diversos factores. No se ha determinado de manera clara qué procesos ecológicos influyen en la densidad de E. coli en entornos urbanos. La variabilidad intraespecífica de E. coli se ha agrupado en 8 filogrupos principales según los análisis genéticos: A, B1, B2, C, D, E, F y G. Se desconocen los nichos ecológicos ambientales asociados con cada uno de estos filogrupos. El patrón de abundancia de cada filogrupo parece variar entre los sistemas superficiales de agua dulce. Estudios indican que los filogrupos de E. coli más abundantes demuestran una mayor capacidad de supervivencia ambiental. Además, se ha sugerido que los procesos de nicho ecológico dan forma a la distribución espacial de la estructura de la población ambiental de E. coli. La urbanización tendría un impacto significativo en la estructura poblacional de los microorganismos presentes en arroyos urbanos. Las infraestructuras urbanas facilitan la transferencia de contaminantes por escorrentía superficial y actúan como nexo entre la actividad humana en las áreas terrestres de la cuenca y los cuerpos de agua, convirtiendo estos últimos en sumideros. Esto puede aumentar la disponibilidad de nutrientes para las bacterias acuáticas y crear condiciones ambientales favorables para el crecimiento de bacterias como la E. coli. La persistencia ambiental de E. coli en los sistemas urbanos de agua dulce está influenciada por factores abióticos como la humedad del suelo, la temperatura y la disponibilidad de nutrientes. El vertido de aguas negras y grises en los arroyos es considerado uno de los principales impulsores de los cambios en la composición de la comunidad microbiana de estos sistemas. También se sabe que las fosas sépticas y las redes de alcantarillado contribuyen a la contaminación de aguas subterráneas y arroyos cercanos. Por lo tanto, las condiciones del nicho ecológico y los procesos de dispersión facilitados por el ser humano pueden desempeñar un papel importante en la modulación de la estructura de la población de E. coli en las aguas superficiales urbanas.
El objetivo del presente trabajo* fue analizar los procesos ecológicos que afectan la estructura espacial de E. coli en una red de arroyos urbanos muy contaminados de la provincia de Buenos Aires, Argentina. Fue realizado en la cuenca hidrográfica de los arroyos San Francisco, Las Piedras y Santo Domingo, ubicada al sur de la altamente urbanizada Área Metropolitana de Buenos Aires (AMBA), provincia de Buenos Aires, Argentina. La cuenca hidrográfica y la red de arroyos han sufrido importantes modificaciones a lo largo de los años. Además, el crecimiento urbano en el AMBA no estuvo acompañado de inversiones en infraestructura sanitaria y, como resultado, los cuerpos de agua locales reciben el impacto de las aguas residuales no tratadas y los efluentes domésticos. Por lo tanto, se considera una red de arroyos altamente contaminada.
Se seleccionaron 14 sitios de muestreo a lo largo de la cuenca que representan una amplia gama de características urbanas relacionadas con la densidad de población y la cobertura de servicios sanitarios. La campaña de muestreo se realizó en la temporada de verano, durante 4 días consecutivos en febrero de 2018. La heterogeneidad del hábitat se evaluó a lo largo de un transecto longitudinal de 50 m establecido a lo largo del curso de agua principal en cada sitio de muestreo, donde se tomaron submuestras a 0 m, 25 m y 50 m. En cada sitio de submuestreo, se midieron el pH, el oxígeno disuelto (OD), la conductividad y la temperatura (T) in situ a partir de la capa subterránea de la columna de agua. Los parámetros locales hidráulicos y de hábitat de la sección de la corriente muestreada se evaluaron en términos de dimensiones físicas (ancho y profundidad), velocidad de flujo y cobertura de macrófitos. Se calcularon los valores de velocidad de flujo, profundidad y flujo de agua por sitio Las muestras de agua de la capa subsuperficial recolectadas fueron analizadas de manera fisicoquímica. Las muestras se filtraron simultáneamente para una cuantificación adicional de analitos solubles (fósforo reactivo soluble [FRS], amonio y nitratos, carbón orgánico disuelto [COD], hierro soluble y cloruro). El amoníaco y el nitrato más nitrito se consideraron juntos como nitrógeno inorgánico disuelto (NID). La abundancia de E. coli se determinó para cada muestra (42 muestras en total, 3 por sitio) mediante recuento en placa. La composición filogenética relativa de E. coli por ubicación se obtuvo mediante reacción en cadena de polimerasa (PCR). Además, se analizaron parámetros demográficos, de infraestructura hidráulica y sanitaria de cada sitio del que se obtuvo muestra. Para estimar el drenaje y las densidades de las carreteras, los organismos de las administraciones locales y provinciales proporcionaron planos de las redes pluviales y de carreteras. Se generaron mapas de vectores propios asimétricos (AEM, por sus siglas en inglés) para modelar los procesos espaciales direccionales subyacentes a las singularidades de la red de corrientes.
Se calculó la diversidad y la dominancia específicas de los filogrupos en cada sitio para una caracterización inicial de la estructura de la población del filogrupo. Se realizó un Análisis de Componentes Principales (ACP) para analizar la asociación entre sitios y variables ambientales y de infraestructura urbana. Además, se analizaron los efectos puros y compartidos del entorno local, la infraestructura urbana y los predictores espaciales que determinan los patrones de abundancia y composición de filogrupos de E. coli.
Las ubicaciones encuestadas tenían una amplia variabilidad en la infraestructura ambiental y urbana a lo largo de la red hidrológica. La abundancia de E. coli excedió el nivel recomendado de 235 unidades formadoras de colonias (UFC)/100 ml para agua dulce recreativa en todos los sitios estudiados, lo que representa un gran riesgo para las personas en contacto directo con los arroyos estudiados. El análisis de urbanización permitió caracterizar la cuenca como predominantemente urbana. Sin embargo, la cobertura de los servicios de infraestructura sanitaria es heterogénea en la cuenca.
La abundancia de E. coli se asoció significativa y positivamente con nutrientes como FRS y COD, y con condiciones fisicoquímicas como pH (-) y conductividad (+), lo que sugiere que los parámetros de urbanización pueden influir indirectamente en la abundancia de E. coli mediante factores ambientales. Se detectaron la mayoría de los grupos filogenéticos de E. coli, a excepción del filogrupo C. Es importante destacar que se recogió un aislado de clado críptico IV del género Escherichia. Este podría ser el primer informe de un miembro de un clado críptico en aguas superficiales de América del Sur. Se observó que la infraestructura ambiental y urbana afecta la distribución de la abundancia de E. coli. La alta contribución de factores espaciales en fracciones puras y compartidas indica que la abundancia de E. coli tiene una estructura espacial direccional fuerte, reflejando potencialmente distintos procesos estructurados espacialmente. Las matrices ambientales (cobertura de macrófitos y NID) y urbanas (densidad de alcantarillado urbano) fueron significativas para explicar la abundancia de E. coli. En contraste con los resultados obtenidos para la abundancia, la variabilidad espacial en la composición de filogrupo en la cuenca se explicó principalmente por contribuciones de los factores espaciales, ambientales y de infraestructura urbana.
La estructuración espacial de E. coli en una red de arroyos urbanos altamente contaminada con condiciones de crecimiento favorables está fuertemente influenciada por la infraestructura hidráulica y sanitaria y las características ecológicas locales del hábitat. Esto refleja la compleja dinámica de la abundancia de esta bacteria en aguas urbanas. La infraestructura urbana y las condiciones del microhábitat favorecen el crecimiento E. coli en arroyos urbanos. Además, la abundancia de E. coli se correlaciona negativamente con la diversidad de filogrupos. Por otro lado, la composición filogenética de E. coli es impulsada por los efectos independientes de las variables espaciales, de infraestructura y ambientales.
Se ha demostrado que las modificaciones geomorfológicas realizadas a los arroyos urbanos altera el hábitat local y crea condiciones favorables para la E. coli. La abundancia de E. coli estuvo asociada de manera positiva con la densidad del alcantarillado sanitario. Además, la asociación de la abundancia de E. coli con la cobertura de macrófitos sugiere que su crecimiento puede verse favorecido en lugares con menores niveles de urbanización y vegetación acuática. Se ha observado que la E. coli tiene capacidad para aprovechar los nutrientes solubles disponibles en las aguas dulces urbanas. En el presente estudio se encontró una correlación significativa entre el COD y la presencia de E. coli. Además, el predominio de los filogrupos A y B1 detectados en la red de arroyos estudiados sugiere que la contaminación fecal humana está muy extendida en toda la cuenca. Los filogrupos de menor frecuencia se asociaron con la turbidez del agua, que se correlaciona positivamente con el flujo de agua y la densidad local de alcantarillas sanitarias alrededor de cada sitio muestreado, y una mayor disponibilidad de nutrientes. La detección de filogrupos de menor frecuencia (B2, D, E, F / G) se asoció principalmente con contribuciones externas de las infraestructuras de drenaje urbano o la exfiltración de fosas sépticas. Por otro lado, B1 se vinculó a condiciones contrastantes en las que prevalece la vegetación acuática, mientras que no hubo asociaciones fuertes con las infraestructuras urbanas. Esto puede interpretarse como un efecto ambiental positivo sobre el crecimiento de B1. LA cepa perteneciente al clado críptico IV se aisló en un lugar densamente poblado y urbanizado con bajos niveles de infraestructura de alcantarillado.
En ubicaciones con infraestructura baja y condiciones de hábitat estables, incluida la presencia de una alta cobertura de macrófitos y una alta disponibilidad de nutrientes, las cepas de E. coli con potencial de supervivencia y crecimiento dominan la estructura de la población y reducen la probabilidad de supervivencia de filogrupos de menor frecuencia. En hábitats muy alterados y gran disponibilidad de nutrientes, la composición filogenética de las poblaciones de E. coli puede verse influenciada por la dispersión, facilitada por las infraestructuras urbanas y otras fuentes difusas como las fugas de fosas sépticas. La red de alcantarillado sanitario contribuye de manera positiva a la abundancia de E. coli independientemente de las condiciones de perturbación ambiental.
Los resultados del presente estudio brindan información útil para las comparaciones globales de la persistencia de E. coli en el medio ambiente, mientras que también tienen importantes implicaciones para la evaluación de la calidad del agua, ya que cuestionan el uso de E. coli como un indicador de la contaminación microbiológica. En este sentido, el análisis genómico de los aislamientos, junto con los ensayos experimentales, pueden proporcionar información útil sobre los determinantes de la persistencia ambiental de E. coli y la aptitud diferencial de los filogrupos.
* Scientific Reports
Unraveling the Ecological Processes Modulating the Population Structure of Escherichia Coli in a Highly Polluted Urban Stream Network
Saraceno M et al
Vol. 11 N° 14679, Jul 2021
DOI: 10.1038/s41598-021-94198-1