Sensores basados ​​en bacterias, nuevos guardianes invisibles del agua

“El agua es el motor de toda la naturaleza”, escribió Leonardo da Vinci. Abrir un grifo y hacer correr agua limpia parece sencillo, pero detrás hay un complejo sistema que va desde la recogida y distribución hasta la depuración y, cada vez más, la reutilización.

Hoy, ese equilibrio es complicado: el cambio climático, la escasez de recursos, la contaminación y el elevado consumo energético del tratamiento hacen cada vez más difícil garantizar un suministro seguro y sostenible. Abordar estas amenazas requiere avanzar hacia una economía del agua circular, con decisiones estratégicas basadas en datos y más orientadas a la eficiencia y la resiliencia.

La revolución de los biosensores bioelectroquímicos

Hasta ahora, el control de la calidad del agua en cada etapa de su ciclo implicaba recoger muestras y analizarlas en laboratorio. El método es fiable, pero lento y caro, y no siempre refleja lo que sucede en tiempo real. Por ello, disponer de tecnologías que permitan un control inmediato y fiable de la calidad del agua es fundamental para optimizar la gestión durante todo el ciclo, desde la recogida hasta el uso, tratamiento y reutilización.

En este contexto, los biosensores bioelectroquímicos destacan por su versatilidad y capacidad de adaptación a diferentes fases del ciclo del agua. Estos dispositivos utilizan microorganismos que son capaces de “alimentarse” de los contaminantes presentes en el agua, utilizando estas sustancias como fuente de energía.

Durante este proceso metabólico, las bacterias liberan electrones (partículas atómicas cargadas negativamente) que el sensor capta y transforma en una señal eléctrica mensurable. De esta forma, el nivel de corriente generada refleja directamente la actividad biológica y el grado de contaminación del agua en tiempo real.

Colocados en diferentes puntos del ciclo del agua, estos dispositivos permiten:

Detectar la contaminación en el origen, antes de que llegue al consumidor.

Optimizar el tratamiento en las instalaciones de tratamiento.

Garantizar la seguridad de la reutilización.

Antes de la depuración: una función preventiva

El ciclo comienza en manantiales, ríos y acuíferos, manantiales cada vez más expuestos a contaminantes químicos, vertidos ilegales o infiltración de aguas residuales.

En este caso, los biosensores integrados en aguas subterráneas o superficiales permiten detectar continuamente la presencia de contaminantes. Su función es preventiva: ayudan a evitar intoxicaciones y garantizan que el agua llegue en condiciones seguras a la depuradora.

Por ejemplo, se ha demostrado que los biosensores bioelectroquímicos pueden detectar la presencia de hidrocarburos de petróleo, un avance fundamental ya que estos compuestos se encuentran entre los contaminantes más comunes en las aguas subterráneas.

Durante: tratamientos más efectivos

Tras su uso, el agua llega a estaciones de tratamiento, donde se eliminan los contaminantes antes de regresar al medio natural. En esta etapa, los biosensores bioelectroquímicos desempeñan un doble papel.

Por un lado, permiten controlar la carga total de contaminantes orgánicos entrantes: cuanto mayor es la carga orgánica, más electricidad generan las bacterias en el sensor, y esta electricidad se puede medir para estimar la cantidad de materia que debe tratarse.

En un estudio realizado por científicos de España y Reino Unido demostramos que las comunidades bacterianas que crecen en el ánodo (uno de los electrodos) de estos sensores son muy resistentes, lo que les permite funcionar incluso en agua sucia o ambientes adversos sin perder eficiencia.

Esta información es especialmente útil porque las plantas de tratamiento, aunque necesarias, tienen un elevado consumo energético: una gran parte de la electricidad se utiliza para la aireación de los reactores biológicos, necesaria para que los microorganismos descompongan los contaminantes orgánicos.

Al medir la necesidad de oxígeno de los microorganismos para descomponer o reponer los contaminantes en tiempo real, los operadores pueden ajustar dinámicamente la aireación. De esta forma, reducen el consumo de electricidad, reducen la emisión de gases de efecto invernadero y mantienen la calidad del agua depurada. Doble ventaja: económica y medioambiental.

Por otro lado, estos sensores también pueden detectar la presencia de sustancias tóxicas que alteran la actividad de las bacterias encargadas de la depuración del agua. Dado que el tratamiento biológico depende de la salud de estos microorganismos, es crucial asegurar que no estén expuestos a compuestos que los dañen.

En este contexto, se han desarrollado biosensores bioelectroquímicos que pueden identificar cambios en la actividad metabólica microbiana provocados por floculantes -sustancias utilizadas en procesos industriales o en plantas de tratamiento de aguas residuales para aglomerar partículas- o sus residuos tóxicos, metales pesados ​​y biocidas, como pesticidas. Este sistema ofrece una señal temprana de toxicidad, permitiendo una acción inmediata y protegiendo el equilibrio biológico del proceso de depuración.

Después: agua potable para su reutilización

El ciclo del agua se cierra cada vez más mediante la reutilización. En contexto de sequía, el agua regenerada se utiliza para riego agrícola, limpieza urbana o incluso procesos industriales.

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Pero para poder reutilizar el agua es necesario garantizar su buena calidad. Los biosensores permiten monitorear en tiempo real el agua purificada, asegurando que cumpla con los estándares de seguridad antes de darle un nuevo uso. Gracias a ello se fortalece la confianza en la reutilización y se avanza hacia un modelo de economía circular.

Además, este tipo de sensor no se limita al agua. También se pueden aplicar al estudio del suelo, especialmente en terrenos que se riegan con agua depurada. Es posible monitorear cómo se desarrolla la actividad microbiana y las condiciones del suelo para asegurar que la reutilización del agua no altere su equilibrio biológico.

Esta información es muy valiosa porque la vida microbiana en el suelo está directamente relacionada con su fertilidad: un suelo con un microbioma equilibrado y activo favorece una mejor disponibilidad de nutrientes y, en consecuencia, una mayor productividad de los cultivos.

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Del control a la predicción del futuro

La gran ventaja de los biosensores es que nos permiten pasar de un sistema reactivo a un sistema predictivo. Ya no se trata sólo de comprobar la calidad del agua cuando ya ha ocurrido un problema, sino de predicción, mejor gestión de los recursos y respuesta en tiempo real.

Estos modelos predictivos son posibles gracias a la recopilación de grandes cantidades de datos (big data) y al uso de herramientas de aprendizaje automático y aprendizaje profundo. Todo ello nos permite analizar patrones y predecir comportamientos futuros con gran precisión.

Un grupo de investigación de Estados Unidos ya ha aplicado estas técnicas a biosensores bioelectroquímicos, logrando identificar las variables que afectan la generación de corriente eléctrica en el sensor y predecir la eliminación de carbono y nitrógeno durante el proceso de purificación.

Integrados en la digitalización del ciclo del agua, estos avances abren la puerta a un modelo de gestión más transparente, eficiente y respetuoso con el medio ambiente que proteja la salud pública, mejore la eficiencia energética y reduzca la huella de carbono de las infraestructuras hídricas.

Un futuro más seguro y sostenible

En un mundo donde la demanda de agua podría superar en un 40% los recursos disponibles en 2030, apostar por la innovación tecnológica es fundamental. Los biosensores se perfilan como aliados clave para garantizar un agua limpia y segura gestionada con criterios de sostenibilidad.

El agua, como decía Da Vinci, es la fuerza que mueve la naturaleza. Hoy, gracias a la ciencia, tenemos nuevos guardianes invisibles para protegerlo: biosensores que lo monitorean gota a gota, en tiempo real.