La descarga de efluentes orgánicos (materiales de desecho biodegradables de plantas y animales) en cuerpos de agua dulce es una preocupación ambiental importante que afecta la salud y la sostenibilidad de estos ecosistemas acuáticos. Sin embargo, los métodos disponibles actualmente para inspeccionar la calidad del agua son complejos y costosos.
Investigadores de la Universidad Ritsumeikan, Japón, han desarrollado recientemente un biosensor flotante, económico y autoalimentado para monitorear la calidad del agua en la entrada de lagos y ríos de agua dulce. El estudio fue publicado en el Biochemical Engineering Journal el 1 de noviembre de 2023.
"Desarrollamos un biosensor flotante independiente y autoalimentado basado en una celda de combustible microbiana (MFC) para la detección temprana de aguas residuales orgánicas. La carcasa del MFC fue fabricada con una impresora 3D y los electrodos se fabricaron con materiales de bajo costo a base de carbono. materiales", afirma el profesor Kozo Taguchi de la Facultad de Ciencias e Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Ritsumeikan, quien dirigió el estudio.
Los MFC generan electricidad con la ayuda de bacterias electrogénicas. Estos microorganismos producen una corriente eléctrica como resultado de su metabolismo biológico. La cantidad de electricidad generada por el MFC es proporcional a la concentración de residuos orgánicos que consumen los microorganismos electrogénicos. Por lo tanto, esta característica se utiliza para diseñar biosensores de residuos orgánicos alimentados por MFC.
Utilizando materiales económicos a base de carbono, el equipo de investigación japonés desarrolló un biosensor autoalimentado basado en un MFC flotante (FMFC) para rastrear continuamente el nivel de contaminación orgánica en lagos y ríos. Para conseguirlo, llenaron el ánodo (el electrodo donde se produce la oxidación y se desprenden electrones) del FMFC con tierra que contenía bacterias electrogénicas. Posteriormente, las bacterias anódicas descompusieron la materia orgánica presente en el agua y convirtieron la energía química almacenada en electricidad. La potencia eléctrica se utilizó luego como medida de los residuos orgánicos presentes en el agua contaminada.
Aunque los investigadores no caracterizaron las comunidades bacterianas presentes en la muestra de suelo, plantearon la hipótesis racional de que los microorganismos de los géneros Geobacter, Shewanella y Pseudomonas contribuyeron a la actividad eléctrica. Estudios previos indican que los suelos de arroz contienen naturalmente bacterias electrogénicas que pertenecen a estos géneros.
A continuación, el equipo añadió un diodo emisor de luz (LED) al conjunto del biosensor flotante. El LED pudo aprovechar la electricidad producida por las bacterias electrogénicas e indicar visualmente el nivel de contaminación orgánica en las muestras de agua investigadas. Comenzó a parpadear cuando la demanda química de oxígeno (DQO), un parámetro utilizado para medir el nivel de contaminantes orgánicos en el agua, superó el valor umbral de 60 mg/L. Además, el LED parpadeaba a un ritmo mayor cuando la DQO excedía significativamente el valor umbral.
El profesor Taguchi añade:"Dado que el biosensor FMFC produce su propia electricidad, no requiere suministro de energía externo. Además, puede usarse en sistemas de detección temprana que monitorean los flujos de aguas residuales orgánicas en cuerpos de agua dulce".
Más información: Trang Nakamoto et al, Biosensor flotante independiente basado en pilas de combustible microbianas para rastrear la afluencia de contaminación orgánica, Biochemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.bej.2023.109087
Proporcionado por la Universidad Ritsumeikan
