“El agua es la fuerza motriz de toda la naturaleza”, escribió Leonardo Da Vinci. Abrir el grifo y que salga agua limpia parece sencillo, pero detrás hay un sistema complejo que va desde la captación y distribución hasta la depuración y, cada vez más, la reutilización.
Hoy ese equilibrio se complica: 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. Afrontar estas amenazas exige avanzar hacia una economía circular del agua, con decisiones estratégicas basadas en datos y más orientadas a la eficiencia y la resiliencia.
La revolución de los biosensores bioelectroquímicos
Hasta ahora, controlar la calidad del agua en cada etapa de su ciclo significaba recoger muestras y analizarlas en el laboratorio. El método es fiable, pero lento y costoso, y no siempre refleja lo que ocurre en tiempo real. Por eso, disponer de tecnologías que permitan controlar al instante y con fiabilidad la calidad del agua es esencial para optimizar su gestión a lo largo de todo el ciclo, desde la captación hasta su uso, tratamiento y reutilización.
En este contexto, los biosensores bioelectroquímicos destacan por su versatilidad y capacidad de adaptación a las distintas fases del ciclo del agua. Estos dispositivos emplean microorganismos capaces de “alimentarse” de los contaminantes presentes en el agua, utilizando esas sustancias como fuente de energía.
Durante este proceso metabólico, las bacterias liberan electrones –partículas atómicas cargadas negativamente–, que son captados por el sensor y transformados en una señal eléctrica medible. De esta manera, el nivel de corriente generado 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 origen, antes de que llegue al consumidor.
Optimizar el tratamiento en las depuradoras.
Garantizar la seguridad de la reutilización.
Antes de la depuración: función preventiva
El ciclo comienza en manantiales, ríos y acuíferos, fuentes cada vez más expuestas a contaminantes químicos, vertidos ilegales o infiltraciones de aguas residuales.
Aquí, los biosensores instalados en aguas subterráneas o superficiales permiten detectar en continuo la presencia de contaminantes. Su función es preventiva: ayudan a evitar intoxicaciones y a garantizar que el agua llegue en condiciones seguras a las plantas de potabilización.
Por ejemplo, se ha demostrado que los biosensores bioelectroquímicos pueden detectar la presencia de hidrocarburos derivados del petróleo, un avance fundamental, ya que estos compuestos se encuentran entre los contaminantes más comunes de las aguas subterráneas.
Durante: tratamientos más eficientes
Tras su uso, el agua llega a las estaciones depuradoras, donde se eliminan los contaminantes antes de devolverla al medio natural. En esta fase, los biosensores bioelectroquímicos desempeñan un doble papel.
Por un lado, permiten monitorizar la carga total de contaminantes orgánicos de entrada: cuanto mayor es la carga orgánica, más electricidad generan las bacterias del sensor, y esa corriente eléctrica puede medirse para estimar la cantidad de materia que debe ser tratada.
En un estudio desarrollado 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 aguas sucias o entornos adversos sin perder eficacia.
Esta información es especialmente útil porque las depuradoras, aunque son instalaciones esenciales, tienen un alto consumo energético: gran parte de la electricidad se destina a la aireación de los reactores biológicos necesaria para que los microorganismos degraden los contaminantes orgánicos.
Al medir en tiempo real la demanda de oxígeno de los microorganismos para la degradación o la carga contaminante, los operadores pueden ajustar la aireación de forma dinámica. De esta forma, reducen el consumo eléctrico, disminuyen las emisiones de gases de efecto invernadero y mantienen la calidad del agua tratada. Una ventaja doble: económica y ambiental.
Por otro lado, estos sensores también pueden detectar la presencia de sustancias tóxicas que alteran la actividad de las bacterias encargadas de depurar el agua. Dado que el tratamiento biológico depende de la salud de estos microorganismos, es crucial asegurarse de que no estén expuestos a compuestos que los dañen.
En este contexto, se han desarrollado biosensores bioelectroquímicos capaces de identificar cambios en la actividad metabólica microbiana provocados por floculantes –sustancias empleadas en procesos industriales o en las depuradoras para aglomerar partículas– o sus residuos tóxicos, metales pesados y biocidas, como los pesticidas. Este sistema ofrece una señal temprana de toxicidad, permitiendo actuar de inmediato y proteger el equilibrio biológico del proceso de depuración.
Después: agua segura para su reutilización
Cada vez más, el ciclo del agua se cierra con la reutilización. En un contexto de sequías, el agua regenerada se destina al riego agrícola, la limpieza urbana o incluso a procesos industriales.
Pero para reutilizar el agua se necesita garantizar su buena calidad. Los biosensores permiten vigilar en tiempo real el agua depurada, asegurando que cumple 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 sensores no se limita al agua. También pueden aplicarse al estudio del suelo, especialmente en terrenos regados con agua depurada. Es posible monitorizar cómo evoluciona la actividad microbiana y las condiciones del suelo para garantizar que la reutilización del agua no altere su equilibrio biológico.
Esa información es muy valiosa porque la vida microbiana del suelo está directamente ligada a 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.
Del control al futuro predictivo
La gran ventaja de los biosensores es que permiten pasar de un sistema reactivo a un sistema predictivo. Ya no se trata solo de comprobar la calidad del agua cuando el problema ya ha ocurrido, sino de anticiparse, gestionar mejor los recursos y responder en tiempo real.
Estos modelos predictivos son posibles gracias a la recopilación de grandes volúmenes de datos (big data) y al uso de herramientas de aprendizaje automático (machine learning) y aprendizaje profundo (deep learning). Todo ello permite analizar patrones y predecir el comportamiento futuro con gran precisión.
Un grupo de investigación en Estados Unidos ya ha aplicado estas técnicas a biosensores bioelectroquímicos, logrando identificar las variables que influyen en la generación de corriente eléctrica del sensor y predecir la eliminación de carbono y nitrógeno durante el proceso de depuración.
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 protege la salud pública, mejora la eficiencia energética y reduce 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 % a los recursos disponibles en 2030, apostar por la innovación tecnológica es imprescindible. Los biosensores se perfilan como aliados clave para garantizar un agua limpia, segura y 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 protegerla: biosensores que la vigilan gota a gota, en tiempo real.
Anna Salvian, Investigadora posdoctoral del Grupo BioE, IMDEA AGUA
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
