ESCUELA DE DOCTORADO

 
Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá
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PLASTICS AS VECTORS OF MICROORGANISMS IN THE AQUATIC ENVIRONMENT
Autor/aMartínez-Campos Gutiérrez, Sergio
DepartamentoQuímica Analítica, Química Física e Ingeniería Química
Director/aRosal García, Roberto
Codirector/aLeganés Nieto, Francisco
Fecha de defensa09-09-2022
CalificaciónSobresaliente cum laude
ProgramaHidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011)
Mención internacional
ResumenEl desarrollo de los plásticos ha sido uno de los mayores avances tecnológicos de la historia de la humanidad. Desde mediados del siglo XX, la producción de plásticos ha ido en aumento, a la vez que se multiplicaban sus usos. Los plásticos, una vez desechados, generan un enorme volumen de residuos acaban en el medio ambiente. La elevada persistencia de los plásticos dificulta enormemente su eliminación natural, por lo que los plásticos tienden a acumularse en los distintos ecosistemas. Este problema es motivo de preocupación para la comunidad, que muestra un creciente interés por los posibles efectos negativos que los plásticos puedan tener en los ecosistemas acuáticos. Uno de los impactos más desconocidos en este ámbito es la capacidad de los microorganismos para adherirse a los plásticos, empleándolos como soporte para su desarrollo. Con el tiempo, las comunidades fijadas al plástico se vuelven más complejas según se van uniendo microorganismos más variados, llegando a constituir un nuevo ecosistema. Este nuevo tipo de ecosistema ha sido denominado como “plastisfera”. Son muchos los factores que limitan las comunidades fijadas en la plastisfera como la situación geográfica, el tipo de plástico o el tiempo de exposición al medio ambiente. Además, muchos de los materiales plásticos han sido ya colonizados durante su uso, como las membranas de osmosis inversa o los plásticos de invernadero y se desconoce cómo pueden afectar estos microorganismos a los ecosistemas una vez que son abandonados en el medio ambiente al final de su vida útil. Además, la movilidad de los plásticos, especialmente de las fracciones más pequeñas, comúnmente conocidas como microplásticos (MPs), puede provocar la movilización de microorganismos patógenos, bacterias con genes de resistencia a los antibióticos (GRA) y organismos invasores con capacidad para alterar las comunidades de los ecosistemas receptores. En los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo al estudio de la presencia y efectos de los plásticos en los ecosistemas marinos. Sin embargo, existe una importante falta de conocimiento sobre su desarrollo los ecosistemas de agua dulce. Esto resulta llamativo ya que se ha comprobado que una de las principales vías de entrada de plásticos en los océanos son los ríos o los cursos de agua intermitentes. Además, las plantas de tratamiento de aguas residuales son una vía de entrada importante para los MP, los antibióticos y los ARG. Es importante considerar la interacción entre estos factores ya que es posible que los MPs actúen como un reservorio de resistencia a los antibióticos representando potencialmente un riesgo para el medio ambiente y también para la salud humana. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es caracterizar el potencial de los plásticos como vectores de microorganismos en ambientes acuáticos, especialmente en ecosistemas de agua dulce. En base a este objetivo, la tesis se organiza en una serie de capítulos para lograr satisfacer este objetivo. El Capítulo 1 presenta las últimas investigaciones sobre el impacto de los plásticos en el medio ambiente. Destaca la importancia del plástico para nuestra sociedad, su uso masivo y el enorme volumen de residuos que genera. Posteriormente, se introduce el ciclo del plástico, incluyendo la forma en que llega al medio ambiente y se mueve a través de él, alcanzando finalmente cualquier lugar del planeta. Después, se discute el impacto de los plásticos en función de su tamaño. Por último, la introducción se centra en la plastisfera, cómo está constituida, los factores que determinan su composición y los diferentes tipos de microorganismos asociados a ella. Además, se analiza el riesgo que supone la plastisfera para el ser humano y el medio ambiente debido al posible transporte de organismos patógenos, GRAs y especies invasoras. Los Objetivos Generales definen la hipótesis en la que se basa el desarrollo de esta tesis doctoral y especifica los objetivos que se persiguen de forma más detallada. El Capítulo 2 analiza las comunidades bacterianas y fúngicas que se forman en las membranas de ósmosis inversa durante su vida útil. Las membranas de ósmosis inversa están formadas por diferentes capas de polímeros. La externa muestra una tendencia a recubrirse con diferentes tipos de microorganismos en una biopelícula, comúnmente denotada como bioensuciamiento que reduce la vida útil de la membrana. Cabe destacar que la viabilidad de estos microorganismos, una vez desechadas las membranas, es esencialmente desconocida. El capítulo se centra en determinar si existen microorganismos comunes en las membranas de ósmosis inversa de diferentes orígenes, así como en la viabilidad microbiana y el grado de formación de la biopelícula. Se seleccionaron tres membranas de ósmosis inversa, dos de ellas procedentes de un sistema de tratamiento de acuíferos salinos y una de una planta desalinizadora de agua de mar. Los resultados mostraron que el origen del agua tratada afecta en gran medida a la comunidad microbiana, pero también la existencia de géneros comunes entre las distintas membranas, que podrían desempeñar un papel común en la formación de biopelículas en las membranas de ósmosis inversa y en otros sustratos plásticos. El Capítulo 3 se centra en la colonización bacteriana temprana de MPs en contacto con el efluente de dos plantas de tratamiento de aguas residuales, haciendo hincapié en la presencia de dos ARG (sulI y tetM). Las plantas de tratamiento de aguas residuales se consideran uno de los principales puntos de entrada de MPs y GRAs en el medio acuático. A pesar de este hecho, existe un notable grado de desconocimiento sobre la capacidad de las MP para actuar como reservorio de ARGs. Los resultados mostraron que la ubicación (lugar de muestreo) y las propiedades del plástico (hidrofobicidad y rugosidad) desempeñaron un papel importante en la fase temprana de la colonización bacteriana. Además, se detectaron géneros específicos para cada tipo de polímero, lo que sugiere que el tipo de polímero determina la adhesión temprana de las bacterias. Aunque las aguas de los efluentes analizados contenían ambos GRAs (se detectaron sulI y tetM), los MPs concentraban sólo el gen sulI. El Capítulo 4 estudia la comunidad procariota y eucariota desarrollada en cuatro plásticos de uso habitual que se dejaron colonizar de forma natural en dos secciones del mismo río. Ambas localizaciones se caracterizaban por unas condiciones ambientales muy diferentes, una situada en un tramo con uso natural del suelo y la otra agua abajo de una planta de tratamiento de aguas residuales. El objetivo fue estudiar el proceso natural de colonización de residuos plásticos, que pueden quedar atrapados en una misma zona durante mucho tiempo. Se estudió la influencia del tipo de sustrato plástico y las condiciones específicas de la ubicación del río en la comunidad microbiana adherida. En concreto, uno de los lugares de muestreo se situó cerca del vertido de una EDAR con el fin de evaluar la influencia de sus efluentes sobre la capacidad de los plásticos para actuar como reservorio de GRAs. Los resultados confirmaron que la ubicación y el tipo de sustrato condicionaron fuertemente la comunidad procariota y eucariota desarrollada sobre ellos. El tiempo de contacto desempeñó un papel menos significativo. Los resultados mostraron una correlación entre la abundancia de los genes y la concentración de sus respectivos antibióticos. El Capítulo 5 explora la capacidad de los plásticos de invernadero para actuar como vectores de bacterias una vez que son abandonados en el medio ambiente al final de su vida útil. Los plásticos agrícolas se desechan a menudo de forma incontrolada, creando un problema medioambiental en las zonas agrícolas y en los cauces de los ríos y mares cercanos. En esta investigación se recogieron plásticos de invernadero, abandonados cerca de los mismos, en los cauces secos de los ríos, en el río y en el mar, siguiendo todo el recorrido que seguirían en un proceso normal de diseminación. Los resultados mostraron una diferencia significativa en las comunidades microbianas adheridas a los plásticos tomados del río y del mar en comparación con los tomados del suelo, lo que indica una evolución en la comunidad microbiana adherida a los plásticos. No obstante, la presencia de varios generos comunes adheridos al plástico independientemente del lugar de muestreo confirmó que los plásticos actúan como vectores de microorganismos. El Capítulo 6 es una Discusión General que resume los resultados de la Tesis Doctoral, discutiendo la relación entre los diferentes capítulos y con los objetivos fijados en este documento. Por último, las Conclusiones Generales exponen las conclusiones obtenidas en la Tesis Doctoral.