Noves tècniques per al control i desinfecció de virus contaminants d’aigua

Abstract

[cat] Arrel de la necessitat de garantir la disponibilitat d’aigua en un context d’escassetat i assegurar-ne un bon ús que no suposi un risc microbiològic per la població, aquesta Tesi Doctoral ha estat centrada en l’optimització, el desenvolupament i la validació de noves tècniques pel control de virus contaminants d’aigua. Per una banda, s’han optimitzat i desenvolupat mètodes ràpids, sensibles, metodològicament senzills i adaptables per a la concentració i detecció in situ de virus en diferents contextos; i per una altra, s’ha avaluat l’aplicabilitat i eficiència de desinfecció dels sistemes electroquímics d’oxidació avançada com a tractaments sostenibles per a la reutilització d’aigües. Pel que respecta a mètodes de concentració d’aigua per a la detecció de virus, en primer lloc s’ha adaptat el mètode de floculació orgànica amb llet descremada perquè sigui aplicable a contextos de baixa renda donat el seu baix cost econòmic, o a situacions d’emergència humanitària en què no es disposi d’un laboratori equipat, a més l’equipament s’ha adaptat perquè no es requereixi de corrent elèctrica. Aquest mètode, ha estat validat en dos contextos reals, un camp de refugiats ubicat a Banghi (República Centreafricana) i a la zona de Pedernales (Equador) afectada per un terratrèmol. El mètode i protocol desenvolupats, van demostrar ser metodològicament senzills per tal de ser duts a terme per usuaris no experts, demostrant ser un mètode eficient detectant contaminació viral en les mostres d’aigua testades, podent ser una eina útil en la prevenció de brots vírics en els països amb menys recursos, els quals són els més afectats per les malalties de transmissió hídrica donades les limitacions existents de sanejament de l’aigua. La resta de mètodes de concentració avaluats, estan basats en l’ús d’ultrafiltres per a la detecció de virus en aigua. Per una banda, s’ha caracteritzat un mètode ràpid per a l’anàlisi de grans volums d’aigua en aigües superficials i aigua de mar, aplicant la nova tecnologia d’elució d’escuma humida amb la que es redueix el temps de processat de la mostra així com la simplificació metodològica del mètode. A més, s’ha adaptat perquè sigui realitzable en el mateix punt de presa de la mostra, sent validat en dos contextos diferents, un on es va realitzar la concentració completa de mostres in situ, i l’altre on es va realitzar la filtració i posterior enviament del filtre al laboratori per a la seva anàlisi, demostrant la versatilitat del mètode. Finalment, el mètode es va optimitzar amb un segon pas de concentració utilitzant un dispositiu d'ultrafiltració centrífuga (Centricon® Plus-70) per tal

d’augmentar-ne la sensibilitat. El mètode ha estat testat mitjançant diverses tècniques, permetent la detecció de virus mitjançant mètodes tan d’infectivitat com moleculars, incloent la detecció per qPCR i tècniques de seqüenciació massiva, com són l’enriquiment per dianes i posterior seqüenciació massiva d’amplicons. Amb l’arribada de la pandèmia de la COVID-19, i arrel de l’escassetat de subministraments de material necessaris per a l’anàlisi del SARS-CoV-2 en aigües residuals, es van caracteritzar dos mètodes ràpids de concentració d’aigües residuals per la detecció de virus embolcallats. Així doncs, es va validar un dispositiu d'ultrafiltració centrífuga (Centricon® Plus-70) i la pipeta concentradora automatitzada CP-Select™, com a mètodes ràpids, i el cas de la pipeta concentradora, factible per a treballar en vitrines de bioseguretat. Validant així, mètodes d’anàlisi d’aigües residuals perquè puguin ser implementats en laboratoris d’anàlisi rutinaris sense requerir de personal altament especialitzat. En la segona part de la tesi, s’ha avaluat l’aplicabilitat i eficiència de desinfecció dels sistemes electroquímics d’oxidació avançada com a tractaments sostenibles per a la reutilització d’aigües, testant dos tipus de materials, un ànode de Ruteni i un ànode de BDD en matrius naturals. Els assajos realitzats, han estat centrats en la inactivació de microorganismes patògens amb un focus especial en els virus, així com en l’avaluació de la idoneïtat dels microorganismes índex utilitzats clàssicament en els tractaments de desinfecció, la determinació dels subproductes tòxics i els requeriments energètics del sistema. Amb tot, s’ha demostrat que els sistemes electroquímics poden ser aplicats com a pas final de desinfecció d’aigües naturals, encara que els microorganismes índex han de ser revisats, donada la major sensibilitat de bacteris i bacteriòfags, en relació a altres microorganismes, però demostrant ser efectius per tal d’assolir un logaritme de reducció de virus humans amb baixos requeriments energètics, tenint potencial per ser sistemes descentralitzats de depuració d’aigües, tot i que han de ser adaptats per evitar la formació de subproductes tòxics.

[eng] Given the need to guarantee the availability of water in a context of scarcity and ensure a good use that does not pose a microbiological risk to the population, this Thesis has been focused on developing and validating new techniques for the control of viruses contaminants of water. Firstly, fast, sensitive, methodologically simple, and adaptable methods have been developed for their application in situ for the detection of viruses in different contexts; and secondly, the applicability and disinfection efficiency of advanced oxidation electrochemical systems have been evaluated as sustainable treatments for water reuse. Regarding the development of water concentration methods for the detection of viruses, in the first place the skimmed milk organic flocculation method has been adapted so that it is applicable to low-income situations given its low economic cost, or to situations of a humanitarian emergency in which there is no equipped laboratory, in addition, the equipment has been adapted so that no electricity is required. This method has been validated in two real contexts, a refugee camp located in Banghi (Central African Republic) and in Pedernales (Ecuador) affected by an earthquake. The method and protocol developed proved to be methodologically simple to be carried out by non-expert users, proving to be an efficient method for detecting viral contamination in the tested matrices, being a useful tool in the prevention of viral outbreaks in countries with fewer resources, which are the most affected by water-borne diseases given the lesser sanitation of the water sources. The rest of the concentration methods evaluated are based on the use of ultrafilters for the detection of viruses in water. Firstly, a fast method has been characterized for the analysis of large volume water samples in surface water and seawater, applying the new wet foam elution technology with which the processing time of the sample is reduced as well as the methodological simplification of the method. In addition, it has been adapted so that it can be carried out at the same sampling point, being validated in two different contexts, one where the complete concentration of samples was carried out in situ, and the other where the filtration was carried out and later sending the filter to the laboratory for analysis, demonstrating the versatility of the method. Finally, the method was optimized with a second concentration step using a centrifugal ultrafiltration device (Centricon® Plus-70) to increase sensitivity. The method has been tested using various techniques, allowing the

detection of viruses using infectivity and molecular techniques, including detection by qPCR and new generation sequencing techniques, such as target enrichment and amplicon deep sequencing. With the advent of the COVID-19 pandemic, and due to the shortage of material supplies necessary for the analysis of SARS-CoV-2 in wastewater, two rapid methods of wastewater concentration were characterized for the detection of enveloped viruses. Thus, a centrifugal ultrafiltration device (Centricon® Plus-70) and the CP-Select™ automated concentrator pipette were validated as fast methods, methodologically simple and in the case of the concentrator pipette, allowing to work under biosafety conditions. Thus, wastewater analysis methods have been validated, so they can be implemented in routine analysis laboratories without requiring highly specialized personnel. In the second part of the thesis, the applicability and disinfection efficiency of advanced oxidation electrochemical systems have been evaluated as sustaining treatments for water reuse, testing two types of materials, a Ruthenium anode, and an anode of BDD in natural matrices. The disinfection trials carried out have been focused on the inactivation of bacteria, viruses, bacterial spores and protozoa, as well as on the evaluation of the suitability of the index microorganisms classically used in disinfection treatments, the determination of toxic by-products and energy requirements of the system. The main results of these studies have shown that electrochemical systems can be applied as a final step in the disinfection of natural waters, although the index microorganisms must be reviewed, given the greater sensitivity of bacteria and bacteriophages, but proving to be effective to achieve a one logarithm reduction of virus with low energy requirements, having the potential to be implemented as decentralized water purification systems, although they must be adapted to avoid the formation of toxic by-products.