Water is an essential resource for life, playing a crucial role in various human activities such as domestic use, agriculture, and industry. However, its capacity to transport physical, chemical, and biological contaminants, including viruses, poses significant public health risks. This thesis evaluates the presence of viral pathogens in different types of water and their stability in environmental waters. Waterborne pathogens can spread through contaminated water, impacting the water cycle and entering the food chain. Nevertheless, the contaminants in wastewater offer valuable insights through wastewater-based epidemiology (WBE), which can estimate the circulation of pathogens within populations. This approach enables rapid, cost-effective, and non-invasive assessments, complementing conventional epidemiology. In the context of WBE applied to virus surveillance, effective concentration methods are essential for virus detection and sequencing, driving the need for new approaches to enhance these analyses. Furthermore, wastewater reuse, a sustainable solution to water scarcity, demands rigorous controls to prevent the spread of pathogens and contaminants. The presence of human enteric viruses, along with respiratory and emerging viruses, at various points in the water cycle underscores the importance of studying their stability and viability in different water matrices. In this thesis, epidemiological studies, virus stability analyses, and methodological comparisons have been conducted to address the issues arising from the presence of pathogenic viruses throughout the water cycle. The results from a year-long epidemiological study for multi-pathogen surveillance (including human enteric viruses, SARS-CoV-2, influenza A virus, and respiratory syncytial virus) in wastewater revealed high levels of the analysed viruses. This demonstrated the effectiveness of molecular methods, such as RT-qPCR and massive sequencing, in studying the prevalence and dynamics of viral variants. Furthermore, respiratory viruses showed a positive correlation with reported clinical data when using physicochemical parameters to normalize data, and predictive models confirmed WBE as an early-warning and monitoring system. Additionally, these techniques, routinely applied for SARS-CoV-2 analysis at the national level, proved to be powerful tools for health crisis responses, enabling the detection of emergent viruses like the monkeypox in sewage during the outbreak in Spain in 2022. These methods were further improved in a comparative study that evaluated two concentration methods, showing that newly developed methods focused on viral nucleic acid capture enhanced the sensitivity of molecular methods to detect enteric, respiratory, and indicator viruses. These new methods were applied to analyse the presence of pathogenic viruses throughout the urban water cycle, in six wastewater treatment plants over the course of one year, demonstrating the presence of these viruses in reclaimed water and biosolids. This highlighted the low efficiency of the analysed wastewater treatment plants in removing pathogenic viruses and the bioaccumulation of these pathogens in biosolids. The evaluation of viral stability in water microcosms at different temperatures showed that viruses could persist in infectious forms depending on the virus type and water conditions. Moreover, results using viability PCR indicated that it is not appropriate for monitoring virus infectivity decay in waters. In conclusion, the presence of viruses in water and their potential to cause diseases underscore the importance of developing effective detection and treatment strategies. Enhancing water and biosolid treatment technologies is crucial to mitigate the risks associated with water reuse in agriculture and other applications. | El agua es un recurso esencial para la vida y desempeña un papel crucial en diversas actividades humanas como el uso doméstico, la agricultura y la industria. Sin embargo, su capacidad para transportar contaminantes físicos, químicos y biológicos, incluidos virus, plantea importantes riesgos para la salud pública. Esta tesis evalúa la presencia de patógenos virales en diferentes tipos de agua y su estabilidad en aguas ambientales. Los patógenos transmitidos por el agua pueden propagarse a través del agua contaminada, afectando el ciclo del agua, pudiendo incorporarse a la cadena alimentaria. No obstante, los contaminantes de las aguas residuales ofrecen información valiosa a través de la epidemiología basada en aguas residuales (WBE), que puede estimar la circulación de patógenos dentro de las poblaciones. Este enfoque permite evaluaciones rápidas, rentables y no invasivas, que complementan la epidemiología convencional. En el contexto de la WBE aplicada a la vigilancia de virus, el uso de métodos eficaces de concentración es fundamental para la detección y secuenciación de virus, lo que conlleva la necesidad de desarrollar nuevos enfoques para mejorar estos análisis. Además, la reutilización de aguas residuales, una solución sostenible para mitigar la escasez hídrica, requiere controles rigurosos para prevenir la propagación de patógenos y contaminantes. La presencia de virus entéricos humanos, así como de virus respiratorios y emergentes, en varios puntos del ciclo del agua, subraya la importancia de estudiar su estabilidad y viabilidad en diferentes matrices de agua. En esta tesis se han llevado a cabo estudios epidemiológicos, investigaciones sobre la estabilidad de virus y comparaciones metodológicas para abordar los problemas derivados de la presencia de virus patógenos a lo largo del ciclo urbano del agua. Los resultados de un estudio epidemiológico realizado durante un año para la vigilancia de múltiples patógenos (incluyendo virus entéricos humanos, SARS-CoV-2, virus de la influenza A y virus respiratorio sincitial) en aguas residuales revelaron niveles elevados de los virus analizados. Esto demostró la eficacia de los métodos moleculares, como la RT-qPCR y la secuenciación masiva, para estudiar la prevalencia y la dinámica de las variantes virales. Además, los virus respiratorios mostraron una correlación positiva con los datos clínicos cuando se utilizaron parámetros fisicoquímicos para normalizar los datos, y los modelos predictivos confirmaron que la WBE es un sistema de alerta temprana y monitoreo. Además, esta aproximación, aplicada de forma rutinaria en el análisis del SARS-CoV-2 a nivel nacional, demostró ser una herramienta muy útil para dar una respuesta rápida a situaciones de riesgo para la salud, permitiendo la detección del virus de la viruela del mono en aguas residuales durante el brote en España en 2022. En el marco de esta tesis, se mejoraron metodologías mediante estudios comparativos donde se evaluaron dos métodos de concentración, mostrando que los métodos recientemente desarrollados, centrados en la captura de ácido nucleico viral, mejoran la sensibilidad de los métodos moleculares para detectar virus entéricos, respiratorios e indicadores. Estos nuevos métodos se aplicaron para analizar la presencia de virus patógenos a lo largo del ciclo urbano del agua, en seis plantas de tratamiento de aguas residuales durante un año, demostrando la presencia de estos virus en el agua regenerada y los biosólidos. Esto destacó la baja eficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales analizadas con relación a la eliminación de virus patógenos y la bioacumulación de estos en biosólidos. La evaluación de la estabilidad viral en microcosmos acuáticos a diferentes temperaturas mostró que los virus podrían persistir en formas infecciosas dependiendo del tipo de virus y las condiciones del agua. Además, los resultados de la PCR de viabilidad indicaron que esta técnica no es apropiada para monitorizar la caída de la infectividad del virus en las aguas. En conclusión, la presencia de virus en el agua y su potencial para causar enfermedades subraya la importancia de desarrollar estrategias efectivas de detección y tratamiento. Mejorar las tecnologías de tratamiento de agua y biosólidos es crucial para mitigar los riesgos asociados con la reutilización del agua en la agricultura y otras aplicaciones.

[ES] Los virus transmitidos por alimentos y por agua presentan un grave riesgo para la salud pública. En este trabajo se resumen las características generales de los virus transmitidos por alimentos y por aguas, así como los diferentes grupos de alimentos. Además, se define el ciclo reproductivo de los virus, llegando a hablar de los virus entéricos y la zoonosis. Gracias a las medidas de control vírico en aguas y a las medidas de seguridad alimentarias se evita la propagación de estas enfermedades. Las técnicas utilizadas para la detección vírica en alimentos y agua, evita la enfermedad siga propagándose, pudiendo detectar el virus causante de la enfermedad para establecer un tratamiento, en el caso de que lo hubiese, o las precauciones necesarias para frenar el avance de la enfermedad. Todo esto, nos permite evaluar la situación mundial y nacional de las enfermedades como la hepatitis A y la hepatitis E. | [EN] Foodborne and waterborne viruses present a serious risk to public health. This paper summarizes the general characteristics of foodborne and waterborne viruses, as well as the different food groups. In addition, the reproductive cycle of viruses is defined, including enteric viruses and zoonosis. Thanks to viral control measures in water and food safety measures, the spread of these diseases is prevented. The techniques used for viral detection in food and water, prevents the disease from continuing to spread, being able to detect the virus causing the disease to establish a treatment, if any, or the necessary precautions to stop the progression of the disease. All this allows us to evaluate the global and national situation of diseases such as hepatitis A and hepatitis E.

The use of the residual waters in agriculture is an alternative in facing the challenge of increasing agricultural production and in controlling environmental contamination, but it can constitute a sanitary problem due to the numerous pathogens that may be present in these waters. For many years, the fecal coliforms now denominated termotolerants (CTT), have been employed as indicators of contamination but today, it is well-known that there is little relation between the presence of these coliforms and the incidence of pathogens. For this reason, in this study was undertaken in the stabilization lagoons at the University of Zulia. Besides the traditional indicators, the following microorganisms: enterobacterias (EB), fecal estreptococcus (EF), enterococcus (EC), heterótrofos (Het), coliphages of E. coli C and fungi were determined, following standard techniques, for the purpose of evaluating the operation of the system and its use for agricultural purposes. In the final effluent, the geometric averages were: CT 1,2x10(4) MPN/100 ml, CTT 8,0x10³ MPN/100 ml, EF 8,1x10¹ MPN/100 ml, EC 5,3x10¹ MPN/100 ml, Het 1,1x10(4) CFU/ml, E. coli C 5,7x10² PFU/ml and fungi 6,2x10² CFU/ml. It was demonstrated that despite high removal levels, 90% of the samples did not fulfill the requirement established by the OMS/OPS for residual waters to be used for irrigation purposes. | El uso de aguas residuales en agricultura es una alternativa para incrementar la producción agrícola y controlar la contaminación ambiental, pero puede constituir un problema sanitario debido a los numerosos patógenos que pueden estar presentes en ellas. Los coliformes fecales han sido empleados como indicadores de contaminación pero hoy, es bien conocido la poca relación que existe entre su presencia y la de los patógenos. Por este motivo, en este trabajo se determinaron, en las lagunas de estabilización de la Universidad del Zulia, además de los indicadores tradicionales, los siguientes microorganismos: enterobacterias (EB), estreptococos fecales (EF), enterococos (EC), heterótrofos (Het), colifagos de E.coli C y hongos, siguiendo las técnicas descritas en el Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, con el fin de evaluar el funcionamiento del sistema para su uso con fines agrícolas. En el efluente final las medias geométricas determinadas fueron: CT 1,2x10(4) NMP/100 ml, CTT 8,0x10³ NMP/100 ml, EF 8,1x10¹ NMP/100 ml, EC 5,3x10¹ NMP/100 ml, Het 1,1x10(4) UFC/ml, E. coli C 5,7x10² UFP/ ml y Hongos 6,2x10² UFC/ml. Se demostró que el 90% de las muestras no cumplían con el requisito establecido por la Organización Mundial de la Salud (OMS), para aguas residuales a ser empleadas con fines de irrigación.

La presencia en el agua de virus entericos supone un riesgo para la salud, y los criterios bacteriologicos establecidos como indices de contaminacion fecal no protegen frente a infecciones de origen virico. Los metodos empleados para la deteccion de virus en aguas son costosos, laboriosos y lentos por lo que no es posible su uso rutinario. Para solventar estos problemas, se han propuesto a determinados bacteriofagos como organismos indicadores de la presencia de virus, aunque cada uno de ellos presenta diferentes ventajas e inconvenientes, no existiendo en la actualidad un organismo indicador universalmente aceptado para el control de virus en aguas. La aparicion de la reaccion en cadena de la polimerasa (PCR), y su aplicacion como metodo alternativo para la deteccion de microorganismos, ha revolucionado el diagnostico en microbiologia, ya que permite obtener excelentes resultados de sensibilidad y especificidad de un modo rapido. La aplicacion de esta tecnica al control de virus en aguas, resuelve totalmente los problemas derivados de los metodos tradicionales. Aunque quedan todavia muchos aspectos por desarrollar, la aparicion de innovaciones metodologicas en el campo de la PCR, el abaratamiento de su coste y el desarrollo de metodos de preparacion de las muestras que eliminen la presencia de inhibidores de la reaccion, permitiran en un futuro no muy lejano, emplearla rutinariamente en el control virologico del agua.

En este proyecto se desarrolló un prototipo a escala de laboratorio, que, a través de la combinación de los métodos de desinfección por cloración y oxidación por peróxido, permiten la inactivación de bacterias y virus en muestras de agua cruda superficial. Esto, surge como una respuesta preventiva frente a la normativa vigente colombiana en agua potable y agua residual, la cual no considera requisitos específicos para el control y/o tratamiento de virus y algunas bacterias en el agua, lo que preocupa cuando en el mundo se comprueba la presencia del virus SARS-CoV-2 en muestras de aguas residuales representando un riesgo a la salud (Lodder & De Roda Husman, A. M., 2020). Para ello, se desarrollaron cuatro fases en las que se realizaron ensayos con las muestras obtenidas del punto de muestreo en el Río Bogotá ubicado entre el municipio de Cota en el departamento de Cundinamarca y la localidad de Suba en la ciudad de Bogotá en el sector de puente la virgen, estas fueron transportadas para el procedimiento de desinfección en el laboratorio de tratamiento de aguas de la Universidad Santo Tomás utilizando la metodología mencionada. Mediante estos ensayos se logró determinar las condiciones más adecuadas y la dosis óptima para la desinfección de las muestras. Una vez realizados los ensayos y teniendo claras las condiciones adecuadas y la dosis óptima, se desarrolló un prototipo de desinfección a escala de laboratorio que garantiza una alta eficiencia (>=99%) en inactivación de bacterias y virus. Por tal motivo, se utilizó como indicador el método del número más probable o más conocido “Ceros de Poisson”, el cual permitió cuantificar la densidad microbiana con un intervalo de confianza de un 95% para la determinación de coliformes totales, este método también permitió identificar las características fisicoquímicas del agua que más favorecen la desinfección. A fin de ratificar los resultados de la desinfección y de la dosis óptima se realizaron pruebas utilizando colitag como método de presencia-ausencia y detección. Por último, se realizó una única prueba de colifagos somáticos como indicadores de contaminación fecal y prueba de validación en un laboratorio externo. Con la ayuda de estos resultados se pretende contribuir en la reducción del riesgo a la salud de las personas, las cuales pueden tener contacto con diferentes fuentes de agua que contengan virus y bacterias. Del mismo modo, el desarrollo del prototipo pretende ser un insumo importante en materia de investigación, que podría a futuro servir como instrumento mejorando la calidad del agua durante su tratamiento. | In this project, a laboratory-scale prototype was developed, which, through the combination of disinfection methods by chlorination and oxidation by peroxide, allows the inactivation of bacteria and viruses in samples of raw surface water. This arises as a preventive response to the current Colombian regulations on drinking water and wastewater, which does not consider specific requirements for the control and / or treatment of viruses and some bacteria in water, which is of concern when the world checks for the presence of the SARS-CoV-2 virus in wastewater samples representing a health risk (Lodder & De Roda Husman, AM, 2020). For this, four phases were developed in which tests were carried out with the samples obtained from the sampling point in the Bogotá River located between the municipality of Cota in the department of Cundinamarca and the town of Suba in the city of Bogotá in the sector of Puente la Virgen, these were transported for the disinfection procedure in the water treatment laboratory of the Santo Tomás University using the aforementioned methodology. Through these tests it was possible to determine the most suitable conditions and the optimal dose for disinfection of the samples. Once the tests had been carried out and the appropriate conditions and optimal dose were clear, a laboratory-scale disinfection prototype was developed that guarantees high efficiency (> = 99%) in inactivating bacteria and viruses. For this reason, the method of the most probable or best-known number “Poisson's zeros” was used as an indicator, which allowed quantifying the microbial density with a 95% confidence interval for the determination of total coliforms. This method also allowed identify the physicochemical characteristics of the water that most favor disinfection. In order to confirm the disinfection results and the optimal dose, tests were carried out using colitag as the presence-absence and detection method. Finally, a single somatic coliphage test was performed as indicators of fecal contamination and a validation test in an external laboratory. With the help of these results, it is intended to contribute to reducing the risk to the health of people, who may have contact with different sources of water that contain viruses and bacteria. In the same way, the development of the prototype is intended to be an important input in the field of research, which in the future could serve as an instrument to improve the quality of water during its treatment. | Ingeniero Ambiental | http://unidadinvestigacion.usta.edu.co | Pregrado