“L'aigua és la força motriu de tota la naturalesa”, va escriure Leonardo da Vinci. Obrir l'aixeta i que isca aigua neta sembla senzill, però darrere hi ha un sistema complex que va des de la captació i distribució fins a la depuració i, cada vegada més, la reutilització.

Hui eixe equilibri es complica: el canvi climàtic, l'escassetat de recursos, la contaminació i l'elevat consum energètic del tractament fan cada vegada més difícil garantir un subministrament segur i sostenible. Afrontar estes amenaces exigix avançar cap a una economia circular de l'aigua, amb decisions estratègiques basades en dades i més orientades a l'eficiència i la resiliència.

La revolució dels biosensores bioelectroquímicos

Fins ara, controlar la qualitat de l'aigua en cada etapa del seu cicle significava arreplegar mostres i analitzar-les en el laboratori. El mètode és fiable, però lent i costós, i no sempre reflectix el que ocorre en temps real. Per això, disposar de tecnologies que permeten controlar a l'instant i amb fiabilitat la qualitat de l'aigua és essencial per a optimitzar la seua gestió al llarg de tot el cicle, des de la captació fins al seu ús, tractament i reutilització.

En este context, els biosensores bioelectroquímicos destaquen per la seua versatilitat i capacitat d'adaptació a les diferents fases del cicle de l'aigua. Estos dispositius empren microorganismes capaços de “alimentar-se” dels contaminants presents en l'aigua, utilitzant eixes substàncies com a font d'energia.

Durant este procés metabòlic, els bacteris alliberen electrons –partícules atòmiques carregades negativament–, que són captats pel sensor i transformats en un senyal elèctric mesurable. D'esta manera, el nivell de corrent generat reflectix directament l'activitat biològica i el grau de contaminació de l'aigua en temps real.

Col·locats en diferents punts del cicle de l'aigua, estos dispositius permeten:

• Detectar la contaminació en origen, abans que arribe al consumidor.

• Optimitzar el tractament en les depuradores.

• Garantir la seguretat de la reutilització.

Abans de la depuració: funció preventiva

El cicle comença en brolladors, rius i aqüífers, fonts cada vegada més exposades a contaminants químics, abocaments il·legals o infiltracions d'aigües residuals.

Ací, els biosensores instal·lats en aigües subterrànies o superficials permeten detectar en continu la presència de contaminants. La seua funció és preventiva: ajuden a evitar intoxicacions i a garantir que l'aigua arribe en condicions segures a les plantes de potabilització.

Per exemple, s'ha demostrat que els biosensores bioelectroquímicos poden detectar la presència de hidrocarburs derivats del petroli, un avanç fonamental, ja que estos compostos es troben entre els contaminants més comuns de les aigües subterrànies.

Durant: tractaments més eficients

Després del seu ús, l'aigua arriba a les estacions depuradores, on s'eliminen els contaminants abans de retornar-la al medi natural. En esta fase, els biosensores bioelectroquímicos exercixen un doble paper.

D'una banda, permeten monitorar la càrrega total de contaminants orgànics d'entrada: com més gran és la càrrega orgànica, més electricitat generen els bacteris del sensor, i eixe corrent elèctric pot mesurar-se per a estimar la quantitat de matèria que ha de ser tractada.

En un estudi desenrotllat per científics d'Espanya i el Regne Unit, vam demostrar que les comunitats bacterianes que creixen en el ànode (un dels elèctrodes) d'estos sensors són molt resistents, la qual cosa els permet funcionar fins i tot en aigües brutes o entorns adversos sense perdre eficàcia.

Esta informació és especialment útil perquè les depuradores, encara que són instal·lacions essencials, tenen un alt consum energètic: gran part de l'electricitat es destina a la ventilació dels reactors biològics necessària perquè els microorganismes degraden els contaminants orgànics.

En mesurar en temps real la demanda d'oxigen dels microorganismes per a la degradació o la càrrega contaminant, els operadors poden ajustar la ventilació de manera dinàmica. D'esta manera, reduïxen el consum elèctric, disminuïxen les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle i mantenen la qualitat de l'aigua tractada. Un avantatge doble: econòmica i ambiental.

D'altra banda, estos sensors també poden detectar la presència de substàncies tòxiques que alteren l'activitat dels bacteris encarregats de depurar l'aigua. Atés que el tractament biològic depén de la salut d'estos microorganismes, és crucial assegurar-se que no estiguen exposats a compostos que els danyen.

En este context, s'han desenrotllat biosensores bioelectroquímicos capaços d'identificar canvis en l'activitat metabòlica microbiana provocats per floculants –substàncies emprades en processos industrials o en les depuradores per a aglomerar partícules– o els seus residus tòxics, metalls pesants i biocides, com els pesticides. Este sistema oferix un senyal primerenc de toxicitat, permetent actuar immediatament i protegir l'equilibri biològic del procés de depuració.

Després: aigua segura per a la seua reutilització

Cada vegada més, el cicle de l'aigua es tanca amb la reutilització. En un context de sequeres, l'aigua regenerada es destina al reg agrícola, la neteja urbana o fins i tot a processos industrials.

Però per a reutilitzar l'aigua es necessita garantir la seua bona qualitat. Els biosensores permeten vigilar en temps real l'aigua depurada, assegurant que complix els estàndards de seguretat abans de donar-li un nou ús. Gràcies a això, s'enfortix la confiança en la reutilització i s'avança cap a un model d'economia circular.

A més, este tipus de sensors no es limita a l'aigua. També poden aplicar-se al estudi del sòl, especialment en terrenys regats amb aigua depurada. És possible monitorar com evoluciona l'activitat microbiana i les condicions del sòl per a garantir que la reutilització de l'aigua no altere el seu equilibri biològic.

Eixa informació és molt valuosa perquè la vida microbiana del sòl està directament lligada a la seua fertilitat: un sòl amb un microbioma equilibrat i actiu afavorix una millor disponibilitat de nutrients i, en conseqüència, una major productivitat dels cultius.

Del control al futur predictiu

El gran avantatge dels biosensores és que permeten passar d'un sistema reactiu a un sistema predictiu. Ja no es tracta només de comprovar la qualitat de l'aigua quan el problema ja ha ocorregut, sinó d'anticipar-se, gestionar millor els recursos i respondre en temps real.

Estos models predictius són possibles gràcies a la recopilació de grans volums de dades (big data) i a l'ús de ferramentes d'aprenentatge automàtic (machine learning) i aprenentatge profund (deep learning). Tot això permet analitzar patrons i predir el comportament futur amb gran precisió.

Un grup d'investigació als Estats Units ja ha aplicat estes tècniques a biosensores bioelectroquímicos, aconseguint identificar les variables que influïxen en la generació de corrent elèctric del sensor i predir l'eliminació de carboni i nitrogen durant el procés de depuració.

Integrats en la digitalització del cicle de l'aigua, estos avanços obrin la porta a un model de gestió més transparent, eficient i respectuós amb el medi ambient, que protegix la salut pública, millora l'eficiència energètica i reduïx la petjada de carboni de les infraestructures hídriques.

Un futur més segur i sostenible

En un món on la demanda d'aigua podria superar en un 40 % als recursos disponibles en 2030, apostar per la innovació tecnològica és imprescindible. Els biosensores es perfilen com a aliats clau per a garantir una aigua neta, segura i gestionada amb criteris de sostenibilitat.

L'aigua, com deia Da Vinci, és la força que mou la naturalesa. Hui, gràcies a la ciència, tenim nous guardians invisibles per a protegir-la: biosensores que la vigilen gota a gota, en temps real.

Anna Salvian, Investigadora postdoctoral del Grup BioE, IMDEA AIGUA

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.