La innovación y los biosensores: claves para la reutilización segura del agua regenerada (parte I)

Escrito por Nuria Zamorano López

La situación es tremenda. En este 2023, hasta la fecha, llevamos una media de entre 89 y 100 días  sin registrar una sola precipitación en forma de lluvia en muchas zonas peninsulares. Ante esta situación tenemos dos opciones: esperar a la llegada de una borrasca que permita reequilibrar el déficit hídrico acumulado hasta ahora; o acelerar la implementación de las tecnologías que se han desarrollado en los últimos años para la reutilización de manera segura del agua regenerada.

Figura 1. Duración de la racha sin precipitaciones en España (Fuente¹).

De manera tradicional, las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) han evolucionado hasta implementar distintos sistemas de tratamiento terciario que las posicionan hoy en día como espacios donde es posible la regeneración de agua, de tal forma que no sólo permita su retorno al medio ambiente, sino que también facilite su reutilización. Mediante esta estrategia se estima que se pueden llegar a suministrar hasta 6.000 millones de metros cúbicos en la Unión Europea. Sin embargo, en la actualidad el porcentaje promedio en esta región es de un 2.4% de reutilización de las aguas residuales que se tratan en EDAR. Este porcentaje aumenta considerablemente en las regiones del Mediterráneo, donde la situación climática está caracterizada por periodos de sequía. Frente a esta situación, la nueva dirección en el territorio europeo está cambiando de manera acelerada por la crisis climática y, en concreto, en materia de reutilización de agua, hay giro y una apuesta firme por la reutilización de agua regenerada en agricultura (uno de los sectores de mayor consumo de agua dulce en el mundo). En este marco se ha creado el Reglamento (UE) 2020/741 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de mayo de 2020, relativo a los requisitos mínimos para la reutilización del agua. Esta nueva legislación, que entra en vigor el próximo 26 de junio de 2023, incluye las siguientes novedades: define las categorías de cultivos susceptibles de ser irrigados con agua regenerada, así como los requisitos mínimos de calidad y el control del agua regenerada a realizar en las Estaciones Regeneradoras de Aguas (ERA).

Tabla 1. Clasificación del agua regenerada por su calidad y cultivo receptor (Fuente³).

Tabla 2. Requisitos de calidad del agua regenerada por tipo (Fuente³).

Sin duda, la mayor novedad de este reglamento es la mayor restricción y control sobre la calidad de las aguas de tipo A, cultivos alimentarios para consumo en crudo o cuya parte comestible contacta con las aguas tratadas, en base a tres indicadores microbiológicos. Hasta ahora, el control se había basado principalmente en el seguimiento de un indicador de la presencia de microorganismos de origen fecal como Escherichia coli, nematodos intestinales (a través de la medida de huevos de helminto) y Legionella spp. (en el caso de haber riego por aspersión), tal y como se recoge en el Real Decreto 1620/2007. A partir del próximo mes de junio, el control en las estaciones que implementen nuevos sistemas de tratamiento terciario para la regeneración de los efluentes de EDAR de tratamiento terciario deberán cumplir con los límites establecidos en base a tres bioindicadores de distintos grupos de microorganismos como son las bacterias, los virus y los protozoos. Tal y como se recoge en la siguiente figura, se incluye además un nuevo parámetro de control como es la tasa de inactivación microbiana, calculada como el logaritmo decimal de las concentraciones detectadas a la entrada del sistema terciario y a su salida, de cada uno de los tres bioindicadores.

Para ello, se han establecido distintos microorganismos o elementos diana que permiten realizar el seguimiento de cada grupo de bioindicadores y comprobar su eliminación en la fase de regeneración del agua tratada. En el caso de las bacterias, se mantiene el seguimiento de las unidades formadoras de colonia por cada 100 mL de muestra de Escherichia coli. Los virus se monitorizarán mediante el análisis de los colífagos totales, que son un tipo de virus que se caracteriza por depredar o fagocitar bacterias coliformes, y los protozoos se analizarán de manera indirecta mediante el análisis de esporas de la bacteria Clostridium perfringens o de aquellas bacterias formadoras de esporas y reductoras de sulfato. Esta medida indirecta se ha propuesto por tener las esporas una fisiología similar a los oocitos de protozoos, y ser por tanto formas resistentes a los tratamientos de aguas. Además, de manera alternativa, se han propuesto otros indicadores para estos grupos: la medición mediante técnicas de biología molecular como la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR, por sus siglas en inglés) de grupos de virus entéricos como los Rotavirus; o la medición directa de los oocitos de protozoos como Giardia o Cryptosporidium.

Tabla 3. Objetivos de rendimiento de la cadena de regeneración de aguas (Fuente³).

(*) Los patógenos de referencia Campylobacter, rotavirus y Cryptosporidium también podrán emplearse para el control de validación, en lugar de los microorganismos indicadores propuestos. En ese caso, se aplicarán los siguientes objetivos de rendimiento (reducción de log10): Campylobacter (≥ 5,0), rotavirus (≥ 6,0) y Cryptosporidium (≥ 5,0).

(**) Se ha seleccionado colífagos totales como el indicador viral más adecuado. No obstante, si no es posible el análisis de los colífagos totales, se analizará al menos uno de ellos (colífagos F-específicos o somáticos).

(***) Se han seleccionado las esporas de Clostridium perfringens como el indicador de protozoos más adecuado. No obstante, las bacterias formadoras de esporas reductoras de sulfato son una alternativa si la concentración de esporas de Clostridium perfringens no permite validar la reducción de log10 solicitada.

El mayor control de análisis de la calidad de agua en cuanto a parámetros microbiológicos supone un incremento del coste analítico y crea una necesidad por disponer de métodos de monitorización en tiempo real o casi-real de los grupos diana. Es por ello que durante los últimos años se han desarrollado numerosas tecnologías que mejoren el seguimiento de la presencia de microorganismos en la salida de agua regenerada de las EDAR y reduzcan los tiempos de respuesta. De manera tradicional, una analítica de E. coli tiene un tiempo de respuesta de entre 48-72h según la distancia al laboratorio de análisis. Estos tiempos comprometen y limitan en gran medida la reutilización de agua y suponen una complejidad operacional. Por ello, hay un claro interés hacia la implementación de biosensores o sistemas de medición de bioindicadores como E. coli en las EDAR y, a poder ser, que estos tengan capacidad de generar medidas en tiempo real y conectadas a los sistemas digitales.

Aunque queda mucho por seguir desarrollando e innovando, dadas las circunstancias generales merece la pena resaltar las opciones que hay hoy en día en el mercado para poder mejorar el control microbiológico en EDAR. A continuación, se hará un resumen de aquellos dispositivos y métodos que han supuesto una innovación en el mercado y que pueden mejorar el control actual microbiológico en las ERA y EDAR.

Uno de los equipos destacados es el desarrollado por la empresa suiza bNovate, que ha sido galardonada con varios premios internacionales como en 2019 el premio Water Innovation Europe Award y más recientemente el prestigioso premio en la plataforma UpLink del World Economic Forum. En el mercado hay otras alternativas existentes como los equipos BACTcontrol, el sistema Coliminder   y la sonda Poteus que permiten la medición in-situ de E. coli. Pero también hay opciones para la detección de fagos como los kits desarrollados por la spin-off de la Universitat de Barcelona Bluephage. Estos sistemas junto con otras metodologías se detallarán en la siguiente entrada de este blog.

Por último, es necesario resaltar que, aunque hay mucho camino realizado, son muchos los aspectos en los que la innovación tiene que seguir marcando la dirección a seguir ya que quedan muchos aspectos por mejorar para garantizar un buen control de la calidad microbiológica del agua regenerada en el menor tiempo posible y con un coste asequible desde el punto de vista de la explotación de EDAR. Aspectos como la diferenciación entre las formas viables y no viables de los biomarcadores detectados, la estandarización de los métodos alternativos de medición contra los métodos tradicionales, la unificación de los métodos de medición en plataformas multipatógeno y la sensibilidad de los sistemas de medición; son algunas de las áreas que requieren una mayor inversión, desarrollo e innovación.

Esperamos que este sea el camino a seguir y que, junto a la divulgación y difusión de resultados que prueben la seguridad de la reutilización de las aguas regeneradas para fines como la agricultura, siga impulsando la mejor distribución de este recurso y su gestión. Ante un escenario cambiante marcado por la evolución del cambio climático, es cada día más necesaria una visión circular en la que se mejore la aceptación social de la reutilización de agua.

Figura 2. Secuencia de la regeneración de agua, de izquierda a derecha: agua residual bruta, agua residual tratada y agua regenerada (Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Reclaimed_water#/media/File:Reclaimed_Water_Jars.jpg).

Fuentes:

• https://www.eltiempo.es/noticias/100-dias-sin-lluvia-sequia-espana consultado el 13 de abril de 2023.
• https://www.worldbank.org/en/topic/water-in-agriculture#:~:text=Currently%2C%20agriculture%20accounts%20(on%20average,be%20both%20physical%20and%20virtual.
• https://eur-lex.europa.eu/legal-content/ES/TXT/?uri=celex%3A32020R0741.
• https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-2007-21092
• https://www.bnovate.com/post/2019/06/25/water-innovation-europe-awards
• https://www.weforum.org/agenda/2023/01/davos2023-water-security-innovation-startups-entrepreneurs/