Characterization of microbial populations in a wastewater treatment plant focusing on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Wastewater treatment plants (WWTP) have been regarded as favorable sites for the development and dissemination of antibiotic resistant bacteria (ARB). These bacteria are able to contact with human beings, either directly or indirectly, possibly leading to infections with dire consequences. The main goal of this study was the evaluation of the efficacy of a WWTP disinfection system (through ultraviolet radiation) at reducing the bacterial load present at the final effluent. Two common pathogenic bacteria - Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa – were used as indicators of the removal ability of the treatment system. Different colonies of both bacteria were subsequently isolated in order to inspect their antibiotic susceptibility and capacity of biofilm formation. Four samples were collected during March and June from three different WWTP sites (raw effluent and effluents before and after disinfection). The isolation of P. aeruginosa and S. aureus was accomplished through the use selective growth media and biochemical confirmation tests. The susceptibility of the selected bacteria to antibiotics was determined through the modified Kirby-Bauer disk diffusion method. Lastly, the ability of the isolated bacteria to form biofilm was investigated using the crystal violet assay, and the number of viable and cultivable biofilm cells through colony counting. The efficacy of the disinfection treatment in the reduction of bacterial load in the final effluent was effective for S. aureus, but not for the removal of P. aeruginosa. Twenty-four P. aeruginosa and thirty-six S. aureus isolate were obtained. The majority of the colonies of both species were susceptible to the tested antibiotics, with the exception of two: ciprofloxacine, with eight P. aeruginosa resistant bacteria, and rifampicine, with thirteen isolates of S. aureus showing resistance. For both bacteria, the resistant isolates were found mainly in the samples collected before and after the disinfection (BD and AD). The ability of the isolated bacteria to form biofilm was variable, but generally, P. aeruginosa isolates achieved a greater biofilm mass. In conclusion, the efficacy of the WWTP, and namely of the disinfection step, was clearly low if one takes as indicator of its performance the removal ability of P. aeruginosa. Besides that, the presence of resistant isolates in BD and AD samples shows that the disinfection is not effective in elimination of ARB, allowing their survival and release to the environment. Due to the great variation of formed biofilm, in both bacteria, it was not possible to establish a relationship between the amount of biofilm formation and the sites of WWTP where the isolates bacteria were collected. No relation was found between a level of resistance to antibiotics and a high capacity of biofilm formation.

As Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) têm sido consideradas como locais favoráveis para o desenvolvimento e disseminação de bactérias resistentes aos antibióticos (ARB) para o ambiente.Estas bactérias são capazes de entrar em contacto com o ser humano, directa ou indirectamente, podendo levar a uma infeção com consequências graves. Este estudo teve como principal objectivo a avaliação da eficiência de uma ETAR com um sistema de desinfecção ( através da radiação ultravioleta) na redução da carga bateriana presente no efluente final. Duas bactérias patogénicas comuns - Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa - foram usadas como indicadores da capacidade de remoção do sistema de tratamento. Posteriormente, diferentes colónias de ambas as bactérias foram isoladas de forma a inspecionar as suas capacidades de formação de biofilme e suceptibilidade aos antibióticos. Quatro amostras foram recolhidas durante Março e Junho de três localizações diferentes da ETAR (efluente bruto e os efluentes antes e depois da desinfecção). O isolamento P. aeruginosa e S. aureus foram realizadas através do uso de meios selectivos de crescimento e de testes bioquímicos para confirmação. A susceptibilidade da bactéria aos antibióticos foi determinada através do método de difusão em disco Kirby-Bauer modificado. Por fim, a capacidade de formação de biofilme das bactérias isoladas foi analisada usando o método cristal violeta, e o número de células de biofilmes viáveis e cultiváveis através da contagem de colónias. A eficácia do tratamento de desinfecção na redução da carga bacteriana do efluente final foi eficaz na remoção S. aureus mas não na remoção P. aeruginosa. Foram isolados com sucesso vinte e quatro P. aeruginosa e trinta e seis S. aureus. A maioria das colónias de ambas as espécies foram susceptíveis aos antibióticos testados, à exceção de dois antibióticos: ciprofloxacina, com oito isolados P. aeruginosa resistentes, e rifampicina, com treze isolados de S. aureus resistentes. Em ambas as bactérias, a localização dos isolados resistentes, mostraram uma presença significativa nas amostras antes e depois da desinfecticção (AD e BD). A capacidade de formação de biofilme dos isolados de ambas as bactérias variou mas, na gobalidade, os isolados P. aeruginosa obtiveram uma maior formação de biofilme. Em conclusão, a eficácia da ETAR, e nomeadamente a etapa da desinfecção foi claramente reduzida se se tiver em conta, como indicador do seu desempenho, a capacidade de remoção P. aeruginosa. Além disso, a presença de isolados resistentes nas amostras BD e AD mostrou que a desinfecção não é eficaz na eliminação de ARB, permitindo a sua sobrevivência e libertação para o meio ambiente. Devido à grande variação de biofilme formado, em ambas as bactérias, não foi possível estabelecer uma relação entre quantidade de biofilme formado e os locais da ETAR em que as bactérias isoladas foram recolhidas. Nenhuma relação foi observada entre o nível de resistência aos antibióticos e a elevada capacidade de formação de biofilme.