Biosensores electroquímicos miniaturizados para la detección de acetato en aguas residuales

Biosensores electroquímicos miniaturizados para la detección de acetato en aguas residuales


18/05/2016

I+D+i
Biosensores electroquímicos miniaturizados para la detección de acetato en aguas residuales
  • Marta Estévez Canales, Área de Ingeniería Química, UAH
     
La presencia de acetato durante el tratamiento de aguas residuales está relacionada con la formación de biogás en la digestión anaerobia, por lo que su cuantificación es determinante para establecer el tratamiento más adecuado. La aparición de nuevas líneas de investigación basadas en el desarrollo de biosensores electroquímicos miniaturizados abre nuevas posibilidades de análisis sin necesidad de recurrir a equipos costosos. El uso de este tipo de biosensores permitirá en un futuro analizar muestras in situ y a largo plazo en lugares de difícil acceso como los fondos marítimos y fluviales o en plantas de tratamiento de aguas residuales.
 
 
Los sistemas electroquímicos microbianos son aquellos en los que los microorganismos actúan, en combinación con electrodos, como catalizadores de reacciones redox. Estos sistemas permiten transformar la energía química en energía eléctrica mediante la acción de microorganismos electrogénicos (e.g. Geobacter sulfurreducens) que tienen la capacidad de oxidar compuestos orgánicos, acoplando dicha reacción a la reducción de un aceptor de electrones extracelular (e.g. electrodos).
 
Dicha tecnología puede resultar de especial interés en el contexto del tratamiento de aguas residuales, no solo para depurar las aguas y producir electricidad simultáneamente, sino también para detectar la presencia de sustancias de interés (e.g. materia orgánica, sustancias tóxicas…). En este caso, tratándose de una aplicación analítica, es de vital importancia obtener resultados fiables y rápidos. La miniaturización de los dispositivos electroquímicos reúne ambos requisitos, ya que al disminuir las dimensiones de los electrodos aumenta la relación superficie/volumen, obteniendo así respuestas más rápidas y un uso más eficiente de los sustratos.

 

Sistemas electroquímicos miniaturizado

 
Un ejemplo de sistema electroquímico microbiano miniaturizado, que se ha aplicado recientemente en aguas residuales, son los electrodos serigrafiados en combinación con la bacteria G. sulfurrreducens (Fig1).
 
Los electrodos serigrafiados consisten en un número variable de electrodos y todos los componentes necesarios para completar el circuito eléctrico, colocados sobre un material de soporte de pequeño tamaño (3.4 x 1.0 x 0.05 cm). Tradicionalmente, los electrodos serigrafiados se han empleado para diversas aplicaciones en el contexto de la química analítica para la detección de analitos electroactivos. Sin embargo, su funcionalización con la bacteria electrogénica G. sulfurreducens resulta en una herramienta poderosa y versátil, capaz de detectar compuestos que por sí solos no producirían ninguna señal eléctrica, utilizando volúmenes de muestra muy reducidos (75 µL).
 
 
Fig 1. Imagen obtenida por microscopía electrónica de barrido
G. sulfurreducens inmovilizada sobre electrodos serigrafiados
 
De este modo, ha sido posible desarrollar un biosensor para la cuantificación de acetato, producto final de la fase acetogénica en los tratamientos anaeróbicos de aguas residuales. La presencia de acetato se relacionada con la formación de biogás en la digestión anaerobia, por lo que su cuantificación es determinante para establecer el tratamiento más adecuado. El biosensor desarrollado permite obtener una respuesta fiable en minutos, para concentraciones de acetato a escala milimolar, y sin necesidad de analizar la muestra mediante técnicas clásicas como cromatografía, que implican costes considerables y personal especializado (Fig 2).
 
 
Fig 2. Representación esquemática del biosensor de acetato basado en
G. sulfurreducens y electrodos serigrafiados
 
Como trabajo futuro, se espera desarrollar biosensores optimizados por medio de la biología sintética, obteniendo así microorganismos más robustos y con características metabólicas mejoradas o incluso adquiridas, capaces de actuar en condiciones in situ y a largo plazo.
 
Agradecimientos: El trabajo de Marta Estévez ha sido financiado a través de una beca del programa FPU de la Universidad de Alcalá.
 

Bibliografía
 
Estévez-Canales M, Berná A, Borjas Z, Esteve-Núñez A.
Screen-Printed Electrodes: New Tools for Developing Microbial Electrochemistry at Microscale Level. 2015. Energies 8:13211–13221. doi: 10.3390/en81112366

 


Fuente www.madrimasd.org


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