Inactivan bacterias en agua con nanotecnología

Un grupo de investigación del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) desarrolló el prototipo de un sensor que define los niveles de concentración de iones de hidrógeno (pH) en el agua. Este parámetro —complementado con otros como turbidez, conductividad, densidad de bacterias y metales pesados— proporciona información útil para conocer su calidad.

En una segunda fase del proyecto, esa tecnología para detectar pH se complementó con tratamientos basados en nanopartículas de óxido de titanio (TiO₂) que inactiva un alto número de bacterias —Escherichia coli— utilizando su propio ADN para programar su muerte.

De acuerdo con el doctor Joel Molina Reyes, investigador titular adscrito a la Coordinación de Electrónica del INAOE, el proyecto inició en 2012 al formar un grupo multidisciplinario con la intención de probar nanopartículas útiles para eliminar bacterias en muestras de agua contaminada.

Con base en esa experiencia previa, el doctor Molina Reyes se integró a una iniciativa del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés), organización que propuso en 2015 generar una estrategia de monitoreo de la calidad del agua y aire en la región de Latinoamérica empleando sensores, procesamiento e instrumentación electrónica sencilla y de bajo costo.

“El primer paso consistió en adaptar dispositivos electrónicos comerciales con plataformas móviles de procesamiento y transmisión de datos basados en Arduino —prototipo electrónico de código abierto—para probar y comparar sensores comerciales de pH y así obtener mediciones confiables de este parámetro y relacionarlas con la calidad del agua. Realizamos múltiples mediciones y procesamos la información con miras a generar una plataforma sencilla, portátil y replicable en varias regiones de Latinoamérica”.

La tecnología del INAOE al servicio de los nuevos sensores

A partir de ese trabajo inicial, el doctor Molina Reyes identificó la necesidad de construir sus propios sensores que le permitieran medir la cantidad de iones de hidrógeno en muestras de agua destinadas al consumo humano.

“Fue así como en la siguiente etapa nos dimos a la tarea de construir esos sensores, pero involucrando los procesos, materiales y dispositivos electrónicos que desarrollamos usualmente en nuestro instituto”.

A decir del investigador, el objetivo de construir sus propios sensores atendió la necesidad de perfeccionar el desempeño de los mismos, pero también hacer mucho más simples los procesos requeridos para su fabricación, de tal forma que las universidades y centros de investigación puedan desarrollarlos con su propia infraestructura y así reducir los costos de operación.

“Logramos un prototipo muy práctico que contabiliza los iones de hidrógeno a partir de dispositivos que desarrollamos en el año 2000 y que fueron los primeros en su tipo en México. Estos son llamados ISFET, es decir, transistores de efecto de campo sensibles a iones, un desarrollo que hemos venido mejorando y simplificando a través del tiempo en el INAOE”.

Para las siguientes fases del proyecto, el investigador contó con la colaboración y apoyo financiero de empresas de la industria electrónica, como Freescale (antes Motorola) que dio acceso a procesos de fabricación de transistores avanzados —tecnología CMOS submicrométrica—, lo que le permitió concretar un prototipo funcional en un periodo más corto de tiempo y que fue destinado hacia aplicaciones biomédicas al utilizar membranas sensibles y selectivas a otros iones específicos.

Posteriormente, gracias a una colaboración con la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), unidad Iztapalapa, se optimizó el sensor de pH a una versión inalámbrica y con un consumo bajo de potencia, la cual fue aplicada para la medición de pH y otros parámetros importantes en muestras de agua de algunas zonas de la Ciudad de México.

Nanopartículas que atacan la membrana bacterial

Una vez que se concluyó la construcción de los sensores y se obtuvieron los primeros parámetros de calidad del agua a nivel laboratorio, el siguiente paso en la participación del doctor Molina Reyes consistió en generar una alternativa de tratamiento —eliminación de bacterias— para el agua contaminada.

Definido ese nuevo objetivo, trabajó junto a sus estudiantes de licenciatura y posgrado en el desarrollo de nanoestructuras basadas en materiales fotocatalíticos que, al ser expuestos a la luz solar, generan elementos que ayudan a la descontaminación bacterial y que son más efectivos en comparación con otras alternativas de tratamiento.

Estas nanoestructuras están pensadas para entrar en contacto con una gran parte de la superficie de la membrana de cada bacteria presente en el agua y así acelerar su inactivación, así como para retirar fácilmente el nanomaterial que trata el líquido una vez que lo descontaminó.

“Estamos hablando de materiales nanoestructurados en forma de nanotubos, nanopartículas o nanopelículas de óxidos metálicos, en este caso óxido de titanio con fase cristalina específica, un material que al ser expuesto a la componente ultravioleta de la radiación solar natural, genera suficiente carga electrónica que llamamos ‘pares electrón hueco’, los que a su vez generan radicales OH (hidroxilo) y otras especies altamente oxidantes, que combinados comienzan a afectar inicialmente la membrana celular de las bacterias y después el código genético de su ADN intracelular para, finalmente, programar su muerte”.

Al referir el grado de avance para esta etapa del proyecto, el investigador dijo que básicamente han logrado comprender en gran medida el mecanismo que hace posible que las bacterias sean eliminadas de manera más eficiente por estas nanoestructuras.

“Para nosotros esta etapa es muy importante, pues conecta una investigación de ciencia básica con ciencia aplicada, pero no se queda ahí, ya que tendrá un impacto social importante una vez que comience a aplicarse esta tecnología para resolver los problemas de contaminación del agua”.

Entre las principales ventajas de esta tecnología, de acuerdo con el investigador, se encuentra la posibilidad de retirar fácilmente nanomateriales tras el proceso de tratamiento.

“Existen muchas nanopartículas con altos niveles de eficiencia para tratar el agua contaminada con bacterias, incluso algunas que permiten purificarla en periodos menores a los 10 minutos; no obstante, ese proceso adicional de tener que retirar los nanomateriales usados en cuerpos de agua que serán destinados al consumo humano y que es necesario para evitar efectos nanotoxicológicos, ha creado costos adicionales”.

¿Cómo lo resolvieron?

“Usamos nanopartículas con actividad fotocatalítica mejorada pero ahora estando embebidas dentro de una matriz inorgánica que tampoco altera la calidad del agua que ya ha sido tratada y que, en general, funciona como una película delgada con alta rugosidad superficial y, por lo tanto, una alta superficie de contacto con las bacterias presentes en el agua a tratar”.

El siguiente paso fue incrementar la eficiencia de desinfección relacionando el área de contacto que tiene una nanoestructura más compleja. Para ello, se obtuvieron películas formadas por nanotubos de TiO₂, las cuales tienen mayor área superficial de contacto para una mayor generación de especies oxidantes cuando son expuestas a la radiación solar.

“Estamos ahora en la etapa de entender los mecanismos asociados a la eliminación bacterial cuando usamos diferentes superficies efectivas de contacto entre nanoestructuras específicas y las bacterias, lo cual nos permitirá en un futuro diseñar y sintetizar la mejor nanoestructura y aplicarla en la eliminación de bacterias en tiempos mucho menores y usando la misma fuente natural y gratuita de radiación, el sol”.

Fuente: CONACYT.