La escasez de agua se ha convertido en un gran desafío durante las últimas décadas como resultado de la creciente demanda causada por el crecimiento de la población y el desarrollo industrial.

Además del crecimiento de la población, la invasión del hábitat, los viajes internacionales y la globalización han provocado la aparición de nuevos patógenos que podrían representar una amenaza para la salud general.

La contaminación del agua lleva consigo un aumento de metales pesados, material orgánico y microorganismos. Los protocolos de monitoreo y detección son necesarios para seleccionar los procesos de tratamiento apropiados antes de que el agua se reutilice o se vierta al medio ambiente.

Los métodos de detección convencionales generalmente identifican patógenos en base a componentes específicos y, a menudo, se utilizan para proporcionar datos a nivel individual. Cada uno pertenece a una de las tres categorías: reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR), métodos basados en cultivo y métodos basados en inmunología. Se sabe que estas herramientas analíticas convencionales tienen alta sensibilidad, selectividad y estabilidad; sin embargo, su alto coste y los requisitos de laboratorio podrían limitar sus aplicaciones, especialmente en áreas con recursos limitados.

La integración de biosensores en los sistemas de aguas residuales podría proporcionar pruebas masivas y garantizar un aislamiento y tratamiento adecuados, en un grado mucho mayor que los métodos de detección convencionales. Se trata de dispositivos rápidos, fáciles de usar y portátiles.

La instalación de biosensores patógenos en tuberías de aguas residuales podría proporcionar datos en tiempo real y detección en línea de patógenos. A su vez, se pueden obtener alertas tempranas de brotes de enfermedades infecciosas para proteger a la población de futuras amenazas a la salud pública. Simultáneamente, el uso de biosensores dentro de las plantas de tratamiento de aguas residuales podría automatizar la modificación de ciertos parámetros de control. Por ejemplo, si se detecta una alta concentración de un determinado patógeno en una corriente de efluentes, el proceso podría diseñarse para ajustar automáticamente la dosis de desinfectante necesaria.

Biosensores para la detección de Patógenos

Los biosensores se definen como sensores químicos que utilizan reacciones bioquímicas como elemento de reconocimiento. A menudo se componen de dos componentes principales, el elemento de biorreconocimiento y el transductor. El elemento de biorreconocimiento es el receptor biológico, que puede ser anticuerpos, enzimas, microorganismos, material genético (ADN, ARN) o células, mientras que el transductor detecta cambios en la respuesta del sensor (óptico, térmico o electroquímico) después de la unión de elementos biológicos a receptores y los convierte en una señal eléctrica.

Los biosensores fueron introducidos por primera vez por Clark y Lyons para medir los niveles de glucosa en 1962. Luego ganaron el interés de los investigadores y se desarrollaron para convertirse en dispositivos analíticos rápidos, sensibles, de bajo coste y portátiles. Como resultado, se ha demostrado que cuantifican con éxito las concentraciones de ciertos fármacos, biomoléculas y microorganismos en las aguas residuales.

 

1.1. BIOSENSORES BACTERIANOS

Los entornos de aguas residuales contienen una amplia gama de patógenos, siendo las bacterias las más dominantes en masa. Si bien la mayoría de las bacterias son inofensivas, se ha demostrado que algunas causan infecciones como diarrea, disentería e infecciones de la piel y los tejidos. Según Stevik et al. las bacterias patógenas más importantes son Salmonella sp., Shigella sp., Vibrio cholerae, Yersinia enterocolitica, Y. pseudotuberculosis, Leptospira sp., Francisella tularensis, Dypepsia coli, Escherichia coli productora de enterotoxinas y Pseudomonas.

Por ello, se han diseñado y propuesto varios mecanismos de tratamiento y detección para mejorar la eficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) existentes. Si bien la qPCR, el cultivo celular y el recuento de colonias y los métodos basados en la inmunología son confiables y precisos, a menudo son costosos y consumen mucho tiempo. Por lo tanto, se han propuesto biosensores para la detección temprana de bacterias.

 

1.2. BIOSENSORES DE VIRUS

Los virus transmitidos por el agua juegan un papel vital en la transmisión y propagación de enfermedades. Una de las fuentes principales es la materia fecal humana, ya que cada persona infectada arroja entre 105 y 1012 partículas virales por gramo.

El surgimiento de enfermedades altamente infecciosas, como la COVID-19, exige la necesidad de centrarse en tecnologías de detección viral rápida. Por lo tanto, el desarrollo de biosensores ha ganado el interés de los investigadores. Podría permitir la detección temprana de virus potencialmente mortales preexistentes además de los nuevos emergentes.

 

1.3. BIOSENSORES SARS-CoV-2

Dado que la mayoría de los métodos convencionales, incluida la RT-PCR, requerían que el diagnóstico se realizara en laboratorios bien equipados, y además, los patógenos emergentes conllevan un alto riesgo de ser infecciosos, las pruebas en el punto de atención y sin riesgos están ganando el interés de los investigadores.

Se están realizando más estudios para encontrar métodos de detección alternativos rápidos y fáciles con menores riesgos de transmisión viral. Se han testado varios biosensores para la detección de coronavirus, algunos con valores de sensibilidad mucho más altos que las pruebas estándar de qPCR.

 

Desafíos futuros

La presencia de algunos patógenos en las aguas residuales podría ser una amenaza y, por lo tanto, es importante tratar las aguas residuales de manera adecuada.

Se han realizado esfuerzos para evaluar el éxito de los procesos de desinfección de aguas residuales, incluida la cloración, la ozonización y la irradiación ultravioleta (UV).

En el caso del SARS-CoV-2, se descubrió que la radiación ultravioleta era eficaz para eliminar el virus de las aguas residuales tratadas. El SARS-CoV-2 tiene una estructura genómica específica que aumenta su degradabilidad bajo la radiación UV, lo que puede no ser el caso de otros virus o microorganismos patógenos. Por lo que los programas de vigilancia siguen siendo muy valiosos para reconocer los componentes patógenos en las aguas residuales a pesar del uso de procesos de desinfección.

El monitoreo continuo de las enfermedades que causan patógenos proporcionado por los programas de vigilancia podría mejorarse en gran medida con el uso de biosensores, en lugar de métodos convencionales.

En principio, los biosensores pueden funcionar a nanoescala, de ahí su potencial de miniaturización, lo que minimiza los materiales necesarios para la fabricación sin afectar el rendimiento.

Además, el uso de nanomateriales se correlaciona con un aumento en el rendimiento del biosensor, así como con un aumento en la sensibilidad.