Markers prospection for fecal contamination source tracking on superficial waters in São Paulo State, Brazil

Orientadores: Laura Maria Mariscal Ottoboni, Tatiana Teixeira TorresTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: A contaminação fecal dos corpos hídricos é uma das principais causas de doenças entéricas veiculadas pela água no mundo, sendo importante efetuar a vigilância da água, a qual é feita utilizando-se micro-organismos indicadores de contaminação fecal. No entanto, os métodos tradicionais de detecção não são capazes de identificar a fonte de contaminação fecal. Este trabalho teve como objetivo a prospecção de marcadores moleculares nos hospedeiros e sua detecção em amostras de água de modo a permitir sua utilização na identificação de fontes de contaminação fecal em águas superficiais no Estado de São Paulo. Duas abordagens dependentes de biblioteca e cultivo, a classificação por meio de grupos filogenéticos e a técnica de MALDI-TOF/MS, foram utilizadas com linhagens de E. coli isoladas de diferentes hospedeiros e rios e reservatórios. O sequenciamento da região V3 do gene 16S ribossomal foi selecionado como o método independente de biblioteca e cultivo em DNA extraído de amostras de fezes humanas e bovinas e amostras de água. Os grupos filogenéticos foram utilizados na classificação dos hospedeiros utilizando análise de correspondência, onde foram observados agrupamentos por hábitos alimentares. A classificação das linhagens de E. coli isoladas de rios e reservatórios, sugere que a prevalência do subgrupo A1, seguido do subgrupo B23 está associada com contaminação de origem humana, enquanto o grupo B1 com contaminação de origem animal e os subgrupos D1 e D2 mais relacionados com ambientes prístinos. Na utilização de uma métrica de análise de rede social, w-clique, na distribuição dos grupos filogenéticos foi observado o agrupamento dos locais de amostragem associados ao grau de poluição, sugerindo seu uso como uma ferramenta complementar na avaliação da qualidade da água. Foram analisados os perfis proteicos de linhagens de E. coli de hospedeiros e amostras ambientais pela técnica de MALDI-TOF/MS. Foram identificados biomarcadores hospedeiro-específicos e sugerem sua utilização como potencial ferramenta na identificação da origem do hospedeiro. Os resultados da validação desses marcadores com perfis proteicos de linhagens de E. coli isoladas de rios e reservatórios mostraram que as amostras de água apresentaram marcadores de diferentes hospedeiros, sugerindo que esses rios possuam fontes de contaminação fecal mistas. No sequenciamento da região V3 do gene 16S ribossomal de amostras de fezes (humanas e bovinas) e águas foram identificadas 4.296 unidades taxonômicas operacionais (OTUs) . A maior diversidade foi observada nas amostras de fezes bovinas e a menor na amostra de água de ambiente prístino. Firmicutes foi o grupo predominante nas amostras de fezes humanas, enquanto que nas fezes bovinas foram os Firmicutes e Bacteroidetes. Nas amostras de água, o filo mais abundante foi Proteobacteria. A rede de interação entre as OTUs encontradas nas amostras também mostrou que as amostras de fezes apresentaram maior diversidade e entre as amostras de água, aquela com poluição de origem humana foi a que apresentou maior diversidade. Houve identificação de biomarcadores pelo método LEfSe para humanos (Actinobacteria, Betaproteobacteria e Firmicutes) e bovinos: (Bacteroidetes, Tenericutes e Spirochaetes). Marcadores hospedeiro-específicos foram identificados, mas esses não foram encontrados nas amostras de água sugerindo que as ferramentas utilizadas não apresentam a resolução para identificar os marcadores nas amostras ambientais ou que a contaminação nos corpos hídricos é mista. Adicionalmente, como os marcadores hospedeiro-específicos são oriundos de micro-organismos não autóctones, estes poderiam sofrer os efeitos adversos do ambiente, como fatores físico-químicos e competição com os organismos nativosAbstract: The fecal contamination of water resources is the main cause of enteric waterborne diseases all over the world. Traditional indicator methods used in the water microbiological quality assessment are not able to identify fecal contamination source. This work intended to prospect molecular markers in hosts and track them in water samples to identify pollution sources in surface waters in the São Paulo State, Brazil. Two library-dependent methods with E. coli strains isolated from different hosts and water samples were used, a genotypic typing method (E. coli phylogenetic groups) and a phenotypic typing method (MALDI-TOF/MS). A library-independent method using 454 pyrosequencing of hypervariable16S rRNA gene V3 region was used in DNA from feces and water samples. Phylogenetic groups were used as a tool in host classification and correspondence analysis showed feeding habits clusters. The classification of environmental samples revealed higher frequencies of subgroups A1 and B23 in rivers impacted by human pollution sources, while subgroups D1 and D2 were associated with pristine sites, and subgroup B1 with domestic animal sources, indicating their use as a first screening for pollution source identification. A simple classification is proposed based on phylogenetic subgroup distribution using the w-clique metric, enabling differentiation of polluted and unpolluted sites. Protein profiles of E. coli strains isolated from host and water samples were analyzed by MALDI-TOF/MS. Specific host biomarkers were identified and their use was indicated as a potential tool for the source tracking. Validation with E. coli strains isolated from rivers and reservoirs showed that water samples presented markers from different hosts, suggesting these rivers have mixed sources of fecal contamination. Sequencing of the 16S rRNA V3 region in stool samples (human and bovine) and water showed 4296 operational taxonomic units (OTUs). The greatest diversity was observed in samples of cattle feces and the smallest one in the pristine water sample. Firmicutes was the predominant group in samples of human feces, while in the most common bovine feces are the Firmicutes and Bacteroidetes. The interaction network showed that the stool samples had the greatest diversity and, among them, the water sample with human pollution source showed the highest diversity. The LEfSe method was used to identify host biomarkers. As human biomarkers, Actinobacteria, Betaproteobacteria and Firmicutes were identified and for cattle the potential markers are Bacteroidetes, Tenericutes and Spirochaetes. Host-specific markers were identified, but they were not found in water samples suggesting that the used tools either do not have the resolution to identify markers in environmental samples or contamination in water bodies is mixed. Additionally, as the host-specific markers were isolated from non-autochthonous micro-organisms, they could be affected by the environmental adverse effects such as physical-chemical factors and competition with native organismsDoutoradoMicrobiologiaDoutora em Genética e Biologia Molecula