Las aguas residuales son una de las mejores herramientas para predecir brotes de COVID-19

La pandemia hizo que se volviera a prestar atención al valor de la vigilancia de las aguas residuales para el seguimiento de los agentes patógenos y la mitigación de las enfermedades.

Por Priyanka Runwal
Publicado 4 jul 2022, 11:20 CEST
Un químico analítico sostiene un tubo con una muestra de agua residual.

Un químico analítico sostiene un tubo con una muestra de agua residual.

Fotografía de M. Scott Brauer, Redux

CICERO, ILLINOIS (ESTADOS UNIDOS) - Un olor nocivo me golpea en cuanto entro en el edificio de cribado del lado oeste de la Planta de Recuperación de Agua de Stickney, una de las mayores instalaciones de tratamiento de aguas residuales del mundo, situada en las afueras de Chicago. En este edificio de ladrillo de aspecto industrial, con tuberías expuestas, cintas transportadoras y maquinaria tosca, hay cámaras que transportan aguas residuales sin depurar (en su mayoría procedentes de los hogares) que serán cribadas para eliminar plásticos, trapos, metales y otros residuos.

A mi lado, el director de operaciones Joe Cummings, escucha un zumbido. "Vas a oír la bomba en marcha", me dice, ya que cada cinco minutos, un fino tubo de aspiración extrae cinco cucharadas de aguas residuales turbias y de color gris oscuro sin tratar. Durante 24 horas al día, este muestreador automático vaciará las aguas residuales sin tratar en un tarro de plástico de 18 litros y los biólogos del personal analizarán el contenido del tarro en busca de minerales o compuestos tóxicos que puedan dañar a los microbios necesarios para limpiar y procesar las aguas residuales antes de su vertido en el Canal Sanitario y Marítimo de Chicago.

Desde marzo de 2020, cuando comenzó la pandemia de COVID-19, los científicos también han estado utilizando estas muestras de aguas residuales no tratadas para buscar fragmentos del virus del SARS-CoV-2 que se desprenden de las heces de los pacientes infectados, lo que les permite proporcionar alertas tempranas sobre los brotes virales. Los niveles del virus suelen aumentar durante unos cuatro a seis días en las aguas residuales antes de que una zona vea un aumento de los casos clínicos. Las comunidades y los proveedores de servicios médicos pueden, por tanto, utilizar los datos de las aguas residuales para predecir los incrementos locales y aumentar las pruebas y los esfuerzos de vacunación.

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Los primeros trabajos tuvieron tanto éxito que en septiembre de 2020 los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de EE.UU. establecieron un Sistema Nacional de Vigilancia de Aguas Residuales, asociándose con docenas de plantas de tratamiento de todo el país y financiando la vigilancia de las aguas residuales para el SARS-CoV-2. En febrero de 2022, los fondos de los CDC apoyaban programas en más de 400 lugares de 37 estados, cuatro ciudades y dos territorios, aunque la cobertura sigue siendo irregular. Con la financiación garantizada hasta 2025, el objetivo es llegar a los 50 estados, dice la directora del proyecto de los CDC, Amy Kirby, y ampliar la recopilación de datos para incluir otros virus como el de la gripe y el norovirus, la bacteria Escherichia coli transmitida por los alimentos, las bacterias que se han vuelto resistentes a los antibióticos y el hongo patógeno Candida auris.

Al principio, los funcionarios de salud pública se mostraron escépticos ante los esfuerzos por vigilar las aguas residuales en busca del SARS-CoV-2, señala Rachel Poretsky, ecologista microbiana de la Universidad de Illinois Chicago. A algunos les preocupaba que las sustancias químicas presentes en las aguas residuales pudieran degradar el material genético del virus, mientras que otros dudaban de que fuera posible secuenciar material vírico distinto procedente de las aguas residuales.

Poretsky y otros científicos demostraron que estaban equivocados. Con una subvención independiente, ella y sus colegas trabajaron con el Departamento de Salud Pública de Chicago para detectar y cuantificar el SARS-CoV-2 en Stickney y en algunas otras plantas de tratamiento de aguas residuales de la región. "Cuando pudimos demostrar que los datos [de las aguas residuales] reflejaban lo que se observaba en los entornos clínicos o llenaban agujeros en nuestra infraestructura de salud pública, la gente empezó a apoyarse un poco más en ellos", afirma.

La viróloga Heléne Norder, de la Universidad de Gotemburgo (Suecia), es una de las científicas que lleva años impulsando la investigación sobre el control de las aguas residuales. Gracias a las mejoras en las herramientas de secuenciación molecular, los científicos ya habían identificado el virus de la gripe A, el rotavirus, el adenovirus, el virus de Aichi y el astrovirus en las aguas residuales. Pero Norder afirma que a menudo le resultaba difícil que se tomara en serio su trabajo o le costaba conseguir fondos. Hasta ahora.

"Por desgracia, ha sido necesaria una pandemia para darse cuenta de lo importante y apasionante que es este campo de investigación", afirma el químico medioambiental Arjun Venkatesan, de la Universidad Stony Brook de Nueva York.

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Historia profunda de la vigilancia de las aguas residuales 

Uno de los primeros éxitos en la detección de patógenos en las aguas residuales se produjo en Belfast (Irlanda), donde se produjeron devastadores brotes de fiebre tifoidea en el siglo XIX. La enfermedad se propagaba cuando la gente consumía alimentos o agua contaminados con la bacteria Salmonella typhi, presente en las heces de los individuos infectados. Incluso después de que los brotes remitieran, los portadores crónicos asintomáticos seguían excretando bacterias en sus heces durante años. Pero en aquellos primeros tiempos, los científicos tuvieron problemas para demostrar que la contaminación por aguas residuales era la culpable de los brotes de la enfermedad.

Entonces, en 1928, William James Wilson, profesor de higiene y salud pública de la Universidad de Queen (Irlanda), utilizó una nueva técnica de cultivo en muestras de aguas residuales que iban a parar a los depósitos de sedimentación de Belfast. Consiguió aislar 21 cepas de S. typhi de las muestras, lo que supuso una prueba directa de que las aguas residuales eran portadoras del patógeno.

James Allan Gray, de la Universidad escocesa de Edimburgo, confirmó igualmente la presencia de Salmonella paratyphi (bacteria causante de una fiebre tifoidea menos grave llamada fiebre paratifoidea) en siete de las 20 muestras de aguas residuales recogidas en Edimburgo en 1929. Y en Estados Unidos, el virólogo John Paul, de la Facultad de Medicina de Yale, y sus colegas verificaron la presencia del virus de la polio infectando a monos con muestras de aguas residuales recogidas en 1939 en Charleston (Carolina del Sur), donde se había registrado un número inusualmente elevado de casos de polio.

En los años siguientes, los científicos exploraron el control de las aguas residuales como herramienta de vigilancia de la salud pública. Israel, por ejemplo, había estado libre de polio durante seis años cuando un brote en 1988 dejó a 15 personas paralizadas. El muestreo de aguas residuales mostró que las alcantarillas abiertas eran una fuente potencial de exposición al virus. Desde entonces, entre 25 y 30 lugares de Israel y los territorios palestinos adyacentes recogen mensualmente muestras de aguas residuales para detectar el poliovirus antes de que aparezcan casos sintomáticos en la comunidad. Esta vigilancia permitió a las autoridades israelíes detectar la "circulación silenciosa" del poliovirus salvaje en las alcantarillas del país en 2013, lo que impulsó los esfuerzos de vacunación masiva. En las últimas dos décadas, más de 20 países han adoptado el mismo enfoque

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Los científicos también han podido utilizar las aguas residuales no tratadas para detectar otros brotes virales antes de que la gente enfermara. En Suecia, Norder y sus colegas registraron en 2013 un pico de norovirus, apodado el bicho de los vómitos de invierno, en muestras de aguas residuales al menos dos semanas antes de que se diagnosticara a la mayoría de los pacientes infectados en hospitales y centros de atención a la tercera edad de Gotemburgo. También se han detectado ciertas cepas del virus de la hepatitis A en las aguas residuales unas semanas antes de los casos clínicos notificados.

En España, el Gobierno central puso en marcha un programa de vigilancia de las aguas residuales y de baño en mayo de 2020. "El estudio de la concentración de material genético del virus SARS-CoV-2 en las aguas residuales se ha revelado como una de las herramientas más importantes de estudio de evolución de la pandemia y el uso de los resultados obtenidos sirve de apoyo a las autoridades sanitarias para la gestión de la misma", asegura en su página web el Ministerio de Transición Ecológica. Según los datos del Ministerio, en la Fase II del proyecto se monitorizan hasta 55 depuradoras de aguas residuales de todo el país en busca de rastros de SARS-CoV-2.

Sin embargo, en muchos países y regiones hace tiempo que no se realiza un seguimiento sistemático de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Esto puede cambiar gracias a COVID-19.

Buscando en las alcantarillas el SARS-CoV-2

A principios de 2020, científicos chinos confirmaron la presencia de material genético del SRAS-CoV-2 en muestras de heces de un paciente infectado. Poco después, investigadores de los Países Bajos informaron de la presencia de ARN viral en las aguas residuales de su país.

En la planta de tratamiento de aguas residuales de Amersfoort, en el centro de los Países Bajos, encontraron fragmentos de ARN del SRAS-CoV-2 en agua no tratada seis días antes de que se notificaran los primeros casos del país en marzo de 2020. A medida que más personas se contagiaban de COVID-19, esos fragmentos eran más abundantes. Los investigadores propusieron, por tanto, que la vigilancia de las aguas residuales proporcionara pruebas de la presencia y circulación del SARS-CoV-2 en la comunidad. Esto es especialmente valioso cuando muchas infecciones pueden ser leves o asintomáticas o las pruebas pueden no ser fácilmente accesibles.

Rolf Halden, un ingeniero ambiental de la Universidad Estatal de Arizona, se dio cuenta rápidamente. Desde 2018, Halden y sus colegas habían estado utilizando el monitoreo de aguas residuales para rastrear el consumo de opioides en Tempe y compartir actualizaciones mensuales con la comunidad a través de un tablero de control en línea. La gripe era la siguiente en su lista, pero rápidamente giraron para buscar el SARS-CoV-2 cuando llegó la pandemia. En mayo de 2020, su equipo identificó un foco de infección en Guadalupe, una ciudad de mayoría hispana y nativa americana donde no se realizaban pruebas, lo que provocó una rápida respuesta de los trabajadores sanitarios de la comunidad.

El análisis de las aguas residuales para detectar el SARS-CoV-2 en las universidades tuvo un éxito similar. En agosto de 2020, un equipo de científicos de la Universidad de Arizona detectó material genético del SRAS-CoV-2 en las aguas residuales de una residencia universitaria, lo que provocó la realización inmediata de pruebas y la identificación de dos estudiantes asintomáticos, que fueron aislados.

Entre noviembre de 2020 y abril de 2021, un estudio realizado con datos de la ciudad de Nueva York encontró una tendencia similar en el aumento y la disminución de nuevos casos de COVID-19 y los niveles del virus en las 14 plantas de tratamiento de aguas residuales de la ciudad. Y en noviembre de 2021 la ciudad encontró pruebas de Ómicron en sus aguas residuales al menos unos días antes de que se identificara clínicamente el primer caso.

A medida que Ómicron superaba a la variante Delta en los Estados Unidos, los funcionarios de salud pública utilizaban los datos de las aguas residuales para tomar decisiones sobre cuándo suspender los tratamientos, como los dos anticuerpos monoclonales que no funcionaban contra la nueva variante, dice la ingeniera ambiental Colleen Naughton de la Universidad de California, Merced, que sigue los esfuerzos de monitoreo de las aguas residuales del SARS-CoV-2 en todo el mundo.

Los expertos señalan que el control de las aguas residuales no sustituye a los programas de pruebas adecuados. Por un lado, es difícil determinar la cantidad absoluta de ARN viral en una comunidad a partir de este tipo de muestras.

"Es demasiado complicado relacionar los recuentos de virus con el número de personas que podrían estar infectadas", afirma Poretsky. Para ello, necesitamos saber cuántas personas eliminan el virus y durante cuánto tiempo lo eliminan, y eso puede variar en función de la variante, la trayectoria de la infección y el estado de vacunación de las personas".

"Incluso con esas limitaciones, la vigilancia de las aguas residuales puede ser muy útil", afirma Kirby.

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El futuro de la vigilancia de las aguas residuales

Por eso muchos expertos en la materia están encantados con el compromiso de los CDC de ampliar la vigilancia de las aguas residuales más allá del SARS-CoV-2. Pero los detalles sobre el esfuerzo y la escala de la vigilancia todavía están por pulir.

Por ejemplo, muchas plantas de aguas residuales recogen muestras dos veces a la semana para analizar el SARS-CoV-2. Ese nivel de pruebas puede no ser necesario para patógenos que no cambian tan rápidamente. Además, algunas enfermedades pueden ser estacionales y no requerir pruebas durante todo el año, mientras que otras serán más relevantes en ciertas regiones que en otras.

Algunos científicos proponen un enfoque global que examine toda la diversidad de virus en las alcantarillas urbanas de todo el mundo. El proceso implicaría tomar muestras repetidas de las mismas alcantarillas durante años para identificar los virus típicos de esa región e intervenir cuando esa composición cambie.

"Dependiendo de la frecuencia de algunas mutaciones o virus en una muestra en comparación con la diversidad global, podríamos encontrar algo que destaque localmente", dice Marion Koopmans, viróloga del Centro Médico de la Universidad Erasmus de los Países Bajos. Pero las herramientas para identificar fácilmente cualquier virus desconocido en una muestra aún no están disponibles, afirma. Además, separar los virus humanos de los animales y los vegetales en muestras con nuevos microbios podría ser un reto.

Más allá de los obstáculos tecnológicos, la vigilancia de las aguas residuales plantea problemas éticos y de privacidad, sobre todo si el control se realiza a escala más local que comunitaria. "Es como desenterrar el cubo de basura de tu vecino", afirma Venkatesan.

Fuera de un brote grave, rastrear una enfermedad o el uso de ciertas drogas hasta un individuo o un vecindario podría llevar a la estigmatización. Además, realizar este tipo de trabajo sin comprometerse con la comunidad podría poner en peligro su confianza. "Conocemos las líneas éticas para las cuestiones clínicas", dice Kirby, "pero no hay directrices similares para las muestras ambientales".

Esta cuestión adquiere especial importancia si se tiene en cuenta el creciente interés por archivar dichas muestras en caso de que sea necesario rastrear los brotes hasta la llegada de determinados patógenos.

Mientras tanto, los esfuerzos de vigilancia siguen evolucionando. Con el reciente aumento de los casos de viruela del mono en Estados Unidos, Poretsky empezó a buscar pruebas del virus en las aguas residuales de la zona de Chicago. "No sabemos cuánta enfermedad hay, si se está extendiendo o cuánto tiempo ha estado presente antes de que empezáramos a buscar casos clínicos", dice. Pero las aguas residuales pueden dar pistas.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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