OPLITE: Desarrollo de sistemas de medida óptimos micro y/o nanoestructurados para la detección precoz de biofilms en redes de distribución de aguas

RTC-2016-5766-2

Participantes:

• EMPRESA MUNICIPAL MIXTA D'AIGÜES DE TARRAGONA (EMATSA)
• UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BARCELONA (UAB)
• AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC)

RESUMEN EJECUTIVO

Los microorganismos que ingresan en la red pueden adherirse a las tuberías y valvulería mediante sustancias poliméricas que ellos mismos generan y secretan (azucares, proteínas, etc.) y que usan como cimiento. Estas estructuras, también conocidas como biofilms, son responsables de un número de problemas en la red de distribución de aguas, tales como:

• Reducción de la capacidad hidráulica de las tuberías;
• Incremento del proceso de corrosión de la estructura;
• Deterioro de la calidad del agua (pueden cambiar las propiedades organolépticas del agua, sabor y olor, y/o incrementar la turbidez).

Además de los problemas anteriormente comentados, los biofilms se han identificado como un elemento indicador de riesgo sanitario. El motivo radica en varias de las propiedades que el biofilm proporciona a los microorganismos que lo integran. En primer lugar, los microrganismos adheridos a las superficies internas de las redes absorben nutrientes con mayor eficacia que los que nadan libremente y muestran una mayor resistencia a la presencia de desinfectantes (cloro, hipoclorito, dióxido de cloro, cloraminas, ozono o permanganato potásico) que los planctónicos. Así pues, los microorganismos presentes en los biofilms serán más resistentes a los procesos de desinfección. Por otro lado, microorganismos patógenos externos, incluso aquellos que no tengan capacidad de formar biofilms por si solos como Legionella spp., pueden encontrar en estas estructuras un refugio donde proliferar, minimizando el riesgo de ser eliminados por tratamientos desinfectantes. Para evitar este riesgo es por lo tanto imprescindible la determinación precoz y el control de la presencia de biofilms en las redes de distribución de aguas.

Tradicionalmente, la presencia de patógenos/biofilms no se determina, sino que se controla mediante la dosificación de biocidas. Los biocidas son altamente efectivos en la eliminación de patógenos en suspensión, pero su eficiencia, como se ha comentado anteriormente, se ve drásticamente reducida en el caso de los biofilms. Además, la mayoría de los biocidas actuales producen, como resultado del propio proceso de desinfección, productos secundarios tóxicos con efectos dañinos tanto para la salud humana como el ecosistema. Por este motivo, varias empresas se han interesado en el desarrollo de sistema de detección y monitorización de biofilms para ser implementados en tramos representativos de la red o con predisposición a la formación de este tipo de estructuras. Así pues, empresas como Biosentinel, HydroBio Advance, Onvida o Solenis han desarrollado dispositivos para la monitorización de biofilms. No obstante, ninguno de ellos ha sido capaz de copar las necesidades reales del mercado, proporcionando sistemas poco sensibles, susceptibles a la corrosión o sensibles a interferentes como depósitos salinos, la conductividad del medio o la presencia de agentes biocidas. Además, todos ellos presentan un elevado coste y son difíciles de implementar en las tuberías del sistema de distribución de aguas, requiriendo la adaptación del sistema al dispositivo. Por este motivo, los sistemas actuales difícilmente se emplean en la monitorización de biofilms.

En este proyecto se propone el diseño, fabricación y validación en escenarios reales de una nueva tecnología basada en medidas ópticas para la formación de biofilms. Las medidas ópticas representan una ventaja respecto a los métodos anteriores por ser (i) no invasivas, (ii) ser menos sensibles a la influencia de factores ambientales como la conductividad del medio o la presencia de desinfectantes, (iii) ser económicas (si se basan en materiales poliméricos), (iv) presentar una elevada sensibilidad, (v) ser selectivas y (vi) ser fácilmente miniaturizables e integrables.

La tecnología propuesta permite varios métodos de detección, reflectometría, guías de luz poliméricas, guías acopladas y/o guías segmentadas. En todas estas situaciones, la adhesión bacteriana produce un cambio de índice de refracción que se traduce en un incremento de las pérdidas ópticas del sistema. Las pérdidas se prevén proporcionales al espesor del biofilm, por lo que se podría monitorizar con facilidad.

Para mejorar la sensibilidad del sistema, la superficie sensora será modificada con un patrón micro-nanométrico (nanoestructura) que favorecerá la adhesión de biofilms sin modificar la capacidad de medida del sistema. Dichos sistemas, integrados y distribuidos en los puntos críticos de las redes de distribución, constituirán mecanismos de alerta temprana, permitiendo actuaciones focalizadas de desinfección o sustitución de tramos de la red afectados por las acumulaciones bacterianas facilitando así el control del riesgo sanitario.

El consorcio propuesto para llevar a cabo el proyecto se compone de dos empresas del sector de tratamiento y distribución de aguas, Aguas de Sabadell (CASSA) y Aguas de Tarragona (EMATSA) y dos centros públicos con dilatada experiencia en el desarrollo de dispositivos para la monitorización en aguas, el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). CASSA tiene amplia experiencia en actividades relacionadas con el ciclo integral del agua, tanto de consumo como agua regenerada para parques u otras infraestructuras. EMATSA. por otro lado, es una empresa de distribución de agua con una gran orientación a las nuevas tecnologías y dispone de un laboratorio de análisis acreditado. El Grupo de Transductores Químicos (GTQ) del IMB-CNM tiene una dilatada experiencia en el diseño y fabricación de dispositivos ópticos y electroquímicos para determinación de parámetros de interés en aguas de consumo. Finalmente, el Grupo de Microbiología Ambiental (GMA) lleva más de 20 años en el estudio y caracterización de la formación de biofilms en conducciones de aguas, lo que lo convierte en uno de los grupos más reputados y reconocidos en este ámbito a nivel estatal. Por lo tanto, la combinación de las cuatro instituciones y su experiencia en cada uno de los ámbitos es esencial para la consecución de los objetivos propuestos en el proyecto ya que, en conjunto, abarcan todo el conocimiento necesario para el correcto desarrollo del mismo.

RESULTADOS OBTENIDOS

En el marco del proyecto se ha desarrollado y validado en ambientes reales una rosca sensora fotónica que permite monitorizar biofilms desde sus estadios iniciales de formación.

MEDIO EMPLEADOS

Para obtener los resultados presentados se han empleado las siguientes infraestructuras:

• CASSA: planta piloto en el riu Ripoll.
• IMB-CNM: Sala Blanca del IMB-CNM; laboratorio de óptica integrada; laboratorio de prototipado; laboratorio de transductores químicos.
• EMATSA: laboratorio de análisis; planta piloto laboratorio de EMATSA.
• UAB: laboratorio de microbiología.

Además, gracias a una colaboración con CETAQUA y AGBAR se ha podido usar la Planta de Sensores de AGBAR.

Este proyecto ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, Agencia Estatal de Investigación, y cofinaciado con fondos FEDER.