Estudo da cinética de formação de biofilmes em superfícies em contacto com água potável

Um dos principais objectivos das Companhias de Água em todo o Mundo é distribuir às populações água potável de qualidade. No entanto, a crescente incidência de infecções relacionadas com a ingestão de água tornou o controlo da qualidade da água para consumo humano uma preocupação dominante para as entidades gestoras de sistemas de abastecimento de água, para garantir que a água potável que chega aos consumidores não constitui um risco para a saúde pública. A água que circula nas redes de distribuição está longe de constituir um produto puro e estável, uma vez que a densidade dos microrganismos presentes aumenta com o tempo de residência e a distância entre a estação de tratamento e o utilizador. O crescimento microbiano nas condutas da rede de distribuição sob a forma de biofilmes é a principal causa de deterioração da qualidade da água distribuída, pois estes permitem a manutenção dos microrganismos em condições viáveis e são um local privilegiado para a sobrevivência de muitos microrganismos patogénicos. No entanto, o controlo da formação de biofilmes em sistemas de distribuição de água potável não é uma tarefa fácil, porque são muitos os factores que influenciam a sua formação ação e estrutura. Com o objectivo de estudar a cinética de formação de biofilmes em superfícies em contacto com a água potável, o presente trabalho foi subdividido nas seguintes tarefas: - Estudo da influência de diferentes factores na formação de biofilme pela quantificação do número de bactérias totais e cultiváveis. Os factores estudados foram o tipo de material da superfície em contacto com a água potável, o regime de escoamento hidráulico e a concentração de matéria orgânica biodegradável (nutrientes) presente na água. Para tal, foram realizados diversos ensaios de formação de biofilme num sistema de células de fluxo testando simultaneamente duas superfícies de adesão, aço inoxidável 316 e PVC, em regime de escoamento turbulento e laminar e com e sem a adição de nutrientes à água. A quantificação das bactérias cultiváveis foi efectuada em dois meios de cultura diferentes, R2A e TSA, com o intuito de estudar o efeito do meio de cultura na contagem de bactérias heterotróficas em placa. Foram também utilizadas várias técnicas microscópicas com o objectivo de estudar a influência dos diferentes factores na arquitectura de biofilmes “maduros”. - Identificação das bactérias presentes na água que alimenta o sistema de células de fluxo, responsáveis pela formação de biofilme, pelo sistema de identificação Programa API (ID32GN), assim como caracterização das bactérias e das superfícies de adesão usadas para o crescimento do biofilme, no que respeita às propriedades superficiais, nomeadamente as tensões superficiais e a hidrofobicidade, através da técnica de medição de ângulos de contacto. Efectuou-se ainda uma previsão teórica da adesão bacteriana das várias espécies encontradas na água às superfícies de adesão em estudo neste trabalho por aplicação da teoria termodinâmica da adesão. Da realização do trabalho proposto para esta dissertação pode-se concluir que: - A acumulação de biofilme na superfície das condutas da rede de distribuição de água potável é influenciada pelos vários factores em estudo neste trabalho e pela variação da qualidade da água que entra no sistema. Contudo, embora a variabilidade das características da água potável à entrada do sistema, tal como o perfil microbiológico, influencie as cinéticas de formação de biofilme, o impacte sobre o potencial de crescimento do biofilme é muito limitado permitindo obter conclusões sobre a importância relativa de cada um dos outros factores em estudo neste trabalho. Assim, do factor mais importante para o menos importante, a acumulação de biofilme nas superfícies aumenta devido à adição de nutrientes à água, ao uso de condições turbulentas em vez de laminares e ao uso de PVC em vez de aço inoxidável como material suporte. O tipo do meio de cultura usado para a quantificação de bactérias cultiváveis influenciou os valores obtidos, concluindo-se que, de entre os estudados, o R2A é o melhor meio para a quantificação de bactérias em água potável. A utilização de várias técnicas microscópicas para a visualização do biofilme “maduro” permitiu verificar que as bactérias não são os únicos constituintes dos biofilmes, pois também se podem encontrar fungos, leveduras e protozoários. No entanto, devido ao número limitado de observações que foi possível realizar, não se podem tirar conclusões sobre a influência dos vários factores em estudo na arquitectura do biofilme. - Foi possível identificar 14 diferentes espécies bacterianas na água potável que alimenta o sistema de células de fluxo. Da caracterização das diferentes espécies bacterianas isoladas da água segundo as propriedades superficiais pode-se concluir que a única espécie bacteriana considerada hidrofóbica foi a Brevundimonas diminuta SP1, sendo todas as restantes espécies identificadas hidrofílicas. No entanto, destas, as consideradas como mais hidrofílicas são a Comamonas acidivorans SP1 e SP3 e como menos hidrofílicas a Acinetobacter lwoffi SP1 e Aeromonas salmonicida spp. salmonicida SP1. As superfícies de adesão usadas neste trabalho, aço 316 e PVC, foram caracterizadas de acordo com as suas propriedades superficiais como hidrofóbicas, sendo, no entanto, o aço 316 ligeiramente mais hidrofóbico que o PVC. Do estudo da previsão teórica da adesão bacteriana a superfícies por aplicação da teoria termodinâmica da adesão pode-se concluir que, para qualquer das espécies bacterianas isoladas da água potável, a adesão é termodinamicamente mais favorável para o aço do que para o PVC; a espécie Brevundimonas diminuta SP1 considerada como mais hidrofóbica é aquela que possui uma adesão mais favorável de acordo com as leis da termodinâmica, para qualquer das superfícies de adesão. Pelo contrário, a Comamonas acidovorans SP1, considerada como a espécie mais hidrofílica, apresenta uma adesão termodinamicamente desfavorável.One of the main goals for water companies, all over the world, is to supply to the consumer drinking water with quality. Nevertheless, the increase in the diagnostic of infections related with water consumption, in order to ensure that the consumers have potable water that does not constitute a public health risk, the control of water quality became a dominant concern for the entities that run the systems of water supply. The water that runs in the distribution networks is far from constitute a pure and stable product since, the existent microorganism density increases with residence time and with the distance from the water station to the consumer. The microbial growth in the distribution system as biofilms is the main cause for quality deterioration of the supplied water since, it allows the maintenance of microorganisms in viable conditions and are a privileged environment for the survival of pathogenic microorganisms. However, the control of biofilm formation in drinking water distribution systems is not an easy task because, there are multiple factors that influence biofilm formation and structure. With the perspective to study the biofilm formation kinetics in drinking water distribution systems, the present work had the following objectives: - To study the influence of different factors in biofilm formation by quantifying the number of total and culturable bacteria. The factors studied were the type of material that was in contact with the drinking water, the hydrodynamic conditions and the concentration of biodegradable organic matter (nutrients) presented in water. For that, several biofilm formation assays were made in a flow cell system by testing two different adhesion surfaces, stainless steel 316 (SS) and PVC, under turbulent and laminar flow and with and without nutrient addition to the water. The quantification of culturable bacteria was assessed with two different culture media, R2A and TSA, with the aim to investigate the effect of the culture media in the number of heterotrophic bacteria with the ability to growth in solid media. Several microscopic techniques were also used with the objective to investigate the influence of different factors in the architecture of mature biofilms. - The identification of bacteria presente in the water that feed the flow cells system, responsible for biofilm formation, was performed by the identification system API (ID32GN). To characterize the bacteria and the adhesion surfaces used for biofilm growth, concerning surface properties, namely surface tension and hidrophobicity, by the contact angles measurement. To achieve a theoretical prevision for bacteria adhesion, of the several species found in the water, to the surfaces under study by the application of the thermodynamic a dhesion theory. From the results of the work carried out for this dissertation, the following conclusions can be drawn: - The biofilm accumulation on the surface pipes of the drinking water distribution network is affected by the several factors studied in this work and by the variation in the concentration of bacteria in the water that feed the system. Nevertheless, albeit the variability in the drinking water characteristics that feed the system, as the microbiological profile, had influence in the biofilm kinetics, the impact for biofilm growth potential is limited allowing to obtain other conclusions about the relative importance of each one of the factors studied in this work. From the most relevant to the least relevant factor, the biofilm accumulation on the surfaces increased due to the addition of nutrients to water, the use of turbulent instead of laminar flow conditions and the use of PVC instead of SS as support material. The type of culture media used to quantify the culturable bacteria affected the number obtained, allowing to conclude that R2A is the best media to quantify the bacteria in drinking water.The utilization of several microscopic techniques for the visualization of mature biofilms allowed to verify that bacteria are not the sole constituents of biofilms: fungi, yeasts and protozoa can also be found in the biofilm. However, due to the limited number of microscopic observations, no conclusions can be drawn concerning the influence of the several factors under study in the biofilm architecture. - It was possible to identify 14 different bacterial species in the drinking water that feed the flow cell system. From the different species characterization, according to the surface properties, it was concluded that the only bacteria specie considered hydrophobic was Brevundimonas diminuta SP1, being all the other species hydrophilic. Nevertheless, the ones considered as more hydrophilic were Comomonas acidovorans SP1 and SP3 and as less hydrophylic Acinetobacter lwoffi SP1 and Aeromonas salmonicida spp. salmonicida SP1. The adhesion surfaces, used in this work, SS and PVC, were characterized in accordance with their surface properties as hydrophobic, being SS more hydrophilic than PVC. From the theory prevision for bacteria adhesion to surfaces, by the application of the thermodynamic adhesion theory, it was possible to conclude that for every bacterial species isolated from drinking water, the adhesion is thermodynamically more favourable for SS than for PVC; Brevundimonas diminuta SP1, considered as the most hydrophobic, is the one that had a more favourable adhesion according to the thermodynamic theory, for both adhesion surfaces. Conversely, Comomonas acidovorans SP1, considered as the most hydrophilic, had a thermodynamically unfavourable adhesion

The effects of chemical and mechanical stresses on the removal of biofilms formed by drinking waterisolated bacteria

The presence of biofilms in drinking water distribution systems (DWDS) is a global concern. Those are responsible for aesthetic problems in drinking water (DW) such as taste, odor and color, and can also be responsible for public health problems when pathogens are biofilm colonizers. Therefore, it is of utmost importance to use effective control strategies. The aim of this work was to understand the effects of the combination of chemical (sodium hypochlorite NaOCl) and mechanical (pipe flushing) treatments on the removal of single and dual species biofilms of two bacteria isolated from drinking water, Acinectobacter calcoaceticus and Stenotrophomonas maltophilia. Those are common strategies used in DWDS. A rotating cylinder reactor was used for the first time as DWDS model for biofilm formation and control. The combination of chemical and mechanical treatments was not able to completely remove biofilms from polyvinyl chloride (PVC) surface. Chemical treatment did not improve the flushing efficiency of A. calcoaceticus biofilms and increased the recalcitrance of S. maltophilia biofilms to mechanical treatment, even when high shear stress was applied. Nevertheless, NaOCl improved the mechanical removal of dual species biofilm. The dual species biofilm remaining after treatment with NaOCl at 0.5 mg.l-1 was 78%, while after being treated with the NaOCl at the minimum inhibitory concentration 12% of biofilm remained on PVC surface. The overall results demonstrate that chemical and mechanical treatments commonly used in DWDS are not effective in biofilm control. The colonizer strain strongly influences the biofilm phenotype and its susceptibility to control strategies