The role of a microbial biofilm on corrosion and copper and release in plumbing systems
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Date
2021
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Abstract
Los sistemas de distribución de agua potable son considerados como ambientes extremos
dadas las condiciones oligotróficas que existen en las tuberías. Al mismo tiempo, estos
sistemas están diseñados para mantener una baja cantidad de microorganismos, pues el agua
en su interior mantiene residuos de desinfectante, lo que reduce la carga microbiana, a la vez
que se emplea un material biocida como el cobre para la construcción de estos sistemas. A
pesar de ello, los microorganismos pueden sobrevivir en este ambiente, debido
principalmente al desarrollo de biopelículas.
Las biopelículas son uno de los modos de vida más ampliamente distribuidos en la Tierra,
en el que una alta densidad celular está compuesta por muchas especies, y las células están
frecuentemente incrustadas en una matriz autoproducida de sustancias poliméricas
extracelulares (EPS). El EPS es uno de los componentes esenciales de las biopelículas
porque ayuda a crear una barrera reactiva que controla los procesos difusivos y las reacciones
químicas con el medio ambiente.
La seguridad del agua potable puede ser afectada debido al asentamiento de
microorganismos en la superficie interna de la tubería de cobre. Los procesos que modifican
los microorganismos son diversos, como por ejemplo: i) el proceso de biocorrosión o
fenómeno conocido como corrosión influenciada por microorganismos, el cual incrementa la liberación de partículas de cobre al agua en niveles perjudiciales para la salud de la
población; ii) favorecer el crecimiento de otros microorganismos, ya que puede actuar como
reservorio de nutrientes para ellos y ; iii) actuar como depósito de metales en su superficie
debido a las capacidades de sorción en la superficie de la biopelícula.
A pesar del grave impacto en la salud pública que estas situaciones pueden generar, este
tema no ha sido investigado adecuadamente. Por lo anterior, en esta tesis se propone estudiar
las características y cambios que genera la biopelícula sobre la liberación de cobre y su
influencia en la calidad del agua potable. Para ello se trabajará en experimentos de campo y
de laboratorio para: a) establecer el impacto de la comunidad formadora de biopelícula en la
liberación de cobre al medio y en otros parámetros de calidad de agua; b) entregar nueva
evidencia de cómo el desarrollo de una biopelícula modifica la biocorrosión; y c) saber
cuánto potencial posee aislados bacterianos nativos como reservorio de metales
potencialmente nocivos.
La estrategia empleada para establecer el rol de la biopelícula en la corrosión y liberación de
cobre en los sistemas de tuberías de cobre incluyó estudios de campo y en el laboratorio. El
análisis de las tuberías de cobre recogidas en el estudio de campo no mostró una relación
constante entre: el tiempo de exposición, la velocidad de corrosión y la cantidad de cobre
liberado en el agua. Además, los resultados revelaron que la biocorrosión es un proceso
biológico dinámico, el cual no puede caracterizarse por un único tiempo de envejecimiento
o por la extrapolación de experimentos a corto plazo, especialmente en estudios sobre un
sistema de tuberías real.
Por otro lado, los estudios realizados en condiciones de laboratorio enfatizan la necesidad
de establecer el contexto ambiental donde las bacterias están involucradas. Nuestros
resultados indican que, la bacteria asilada, identificada como Variovorax sp, mostró una
pérdida de capacidad de formación de biofilm al interactuar con el segundo aislado
bacteriano, identificado como Ralstonia pickettii.
Del mismo modo, la caracterización de los grupos funcionales del EPS implicados en la
acumulación de cobre de los aislados bacterianos, expuso cómo las modificaciones de los
grupos aminos (por metilación) en la superficie de los aislados bacterianos, aumentaban
hasta un 30% la sorción de cobre, en comparación con el mismo aislado bacteriano sin
modificación. Estos resultados apoyan de nuevo la necesidad de entender el contexto
ambiental para predecir cómo pueda actuar cada microorganismo.
Por último, esta tesis aporta pruebas que apoyan el potencial peligro de contaminación
microbiana del agua potable debido a: i) desprendimiento de biopelículas y ii) la
acumulación de metales y su posterior liberación debido a la capacidad de sorción
microbiana. Este conocimiento será la base para generar un protocolo de monitoreo y acción
sobre las biopelículas, con el fin de reducir el deterioro de la calidad de agua por
contaminación con cobre y microorganismos, con el fin de evitar los efectos negativos en la
salud pública.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2021