Un biosensor basado en una celda de combustible microbiana de doble cámara para monitorear el cobre y el arsénico en aguas residuales municipales Minh Hang Do a , Huu Hao Ngo a,b,⁎ , Wenshan Guo a , Soon Woong Chang c , Dinh Duc Nguyen c , Ashok Pandey d,e , Pooja Sharma d , Sunita Varjani f , Thi An Hang Nguyen g , Ngoc Bich Hoang b . PRESENTADO POR: Arohuanca Choquehuanca, Edison Jarita Ccama, Ariel Nolberto Orihuela Alva, Valeria DOCENTE: Soto Gonzales, Hebert Hernan Introducción. La contaminación por metales pesados es un problema crítico debido a su persistencia, toxicidad y bioacumulación. Metales como Cu²⁺, Cd²⁺, Cr⁶⁺, Pb²⁺ y As pueden acumularse en aguas residuales, afectando la salud humana y el ecosistema. La OMS destaca el arsénico como un contaminante crítico, y la EPA establece límites máximos de 0.25 mg/L para el cobre y 0.05 mg/L para el arsénico Los métodos convencionales para medir metales pesados, como HPLC, ICP-MS, FAAS e ICP-OES, son precisos pero costosos, complejos y no adecuados para mediciones en línea e in situ. Por ello, es esencial un sistema de detección de metales simple, rápido y preciso. En este estudio, se optimizó una MFC de doble cámara para monitorear cobre y arsénico en aguas residuales municipales, con los objetivos de: (i) determinar condiciones óptimas de funcionamiento; (ii) establecer la correlación entre concentraciones de metales y producción de voltaje; (iii) evaluar la relación de inhibición de metales con el voltaje; y (iv) investigar la recuperación del biosensor. 2. Detalles y métodos experimentales 2.1 . Configuración del sistema biosensor MFC La cámara doble MFC-B fue construida con plexiglás en forma rectangular, con volúmenes de trabajo de 300 ml para la cámara del ánodo y 400 ml para la del cátodo. Se utilizó Nafion 117 Dupont (5 cm × 5 cm) para separar ambos compartimentos. En la cámara del ánodo se colocó fieltro de carbono (3 cm de diámetro, 6 mm de espesor) y en la del cátodo, un cepillo de fibra de carbono (3 cm de largo y 4 cm de diámetro) como electrodo. Un alambre de titanio se usó para conectar los dos electrodos a través de una resistencia externa. 2.2 . Proceso de inoculación Se utilizó lodo anaeróbico como inóculo en la cámara del ánodo, tomado de la planta de tratamiento de aguas residuales de Cronulla, mientras que las aguas residuales artificiales se usaron como fuente de enriquecimiento. Se colocaron 100 ml de lodo anaeróbico y 200 ml de aguas residuales en el compartimento anódico. El compartimento del ánodo se mantuvo en estado anaeróbico lavándolo con nitrógeno durante 30 minutos para eliminar el oxígeno. Cuando el potencial entre los dos electrodos se estabilizó, se consideró que la biopelícula del ánodo estaba suficientemente madura para realizar el experimento de toxicidad. 2.3 . Proceso experimental El proceso de alimentación del combustible se preparó con agua residual artificial en una botella de 1 L, bombeada a 0.3 mL/min (TRH 24 h) en la cámara del ánodo. La solución de alimentación se purgó con nitrógeno durante 30 minutos antes de su uso para asegurar la ausencia de oxígeno. Se optimizaron parámetros operativos como pH, temperatura, resistencia externa, tasas de carga orgánica y solución de catolito para mejorar la sensibilidad del biosensor. Luego, se realizó una prueba de toxicidad con concentraciones variables de iones de metales pesados (2-10 mg/L de cobre y 0.05-5 mg/L de arsénico). Las soluciones tóxicas usadas fueron de 500 mg/L de Cu²⁺ y 100 mg/L de arsénico. Primero, se bombeó una solución de anolito sin tóxicos al compartimento del ánodo, cuando la salida de voltaje se estabilizó en 10-12 h, se añadió un medio con la concentración deseada de tóxicos y se operó durante 4-6 h. Luego, el anolito tóxico se drenó y reemplazó con agua residual artificial limpia para eliminar sustancias tóxicas residuales. 2.4 . Método de análisis La corriente se calcula según la ley de Ohm: La salida de voltaje del biosensor se registró automáticamente cada 5 minutos a través de un registrador de datos de voltaje 101A (MadgeTech) conectado a una computadora. Las siguientes dos ecuaciones calculan la densidad de potencia y la densidad de corriente: La siguiente fórmula permite documentar la tasa de inhibición de toxicidad (I): V nor, V tox : la salida de voltaje del biosensor con y sin el tóxico, respectivamente (V). RESULTADOS Y DISCUCION Eficiencia de enriquecimiento La generación de voltaje del MFC Alcanzando un pico de 0.48 mV Optimización de las condiciones operativas del MFC-B PH Temperatura Catholyte solution Resistencia externa Resistencia externa Efecto del pH y la temperatura El voltaje máximo del biosensor fue de 456.5 mV, se determinó que un pH neutro (7.0-8.0) son óptimos para la generación de voltaje La salida de voltaje del biosensor aumentó con el aumento de la temperatura de 20 °C a 25 °C, obteniendo 445.5 mV Efecto de la resistencia externa R La salida de voltaje máxima fue de 456.6 mV a 1000 Ω La densidad de potencia alcanza su valor máximo de 82.9 mW m^-2 a 1000 Ω EFECTO DE LA SOLUCION CATOLITICA e probaron distintas soluciones catolíticas, incluyendo agua destilada (DI), NaCl 100 mM, PBS 100 mM, y K3Fe(CN)6 en concentraciones de 50 mM y 100 mM, para evaluar su influencia en el rendimiento del DC-MFC-B. La solución K3Fe(CN)6 a 50 mM mostró la mayor salida de voltaje (456,7 mV) y densidad de potencia (82,5 mW·m−2). Las otras soluciones resultaron en menor rendimiento. Esto sugiere que el K3Fe(CN)6 es el catolito óptimo para el sistema DC-MFC-B, ya que facilita una eficiente transferencia de electrones. Efecto de la concentración de sustrato orgánico. Se evaluaron diferentes concentraciones de DQO (100, 200, 300, y 400 mg L−1) para determinar su efecto en el rendimiento del DC-MFC-B. La concentración de 300 mg L−1 resultó en la mayor salida de voltaje (457,4 mV) y densidad de potencia (83,2 mW·m−2). A concentraciones superiores, el rendimiento disminuyó. Esto indica que una DQO de 300 mg L−1 es ideal para optimizar la actividad microbiana y la generación de energía en el biosensor. Metales Pesados: Prueba de inhibición de toxicidad El DC-MFC-B se utilizó para evaluar la toxicidad del cobre y el arsénico en aguas residuales. La inhibición de la actividad bacteriana se midió mediante la disminución en la salida de voltaje al añadir estos metales. Se observó una relación lineal entre la concentración de metales y la inhibición de voltaje, indicando que el biosensor puede detectar cambios en las concentraciones de cobre y arsénico de manera eficiente. Respuesta del biosensor MFC al cobre Respuesta de voltaje del biosensor MFC al arsénico Respuesta del biosensor MFC al cobre El biosensor mostró una disminución significativa en la salida de voltaje al aumentar la concentración de cobre de 1 a 10 mg L−1. La relación lineal entre el voltaje y la concentración de cobre (R² = 0,989) indica una alta sensibilidad del DC-MFC-B para detectar cobre en aguas residuales. Respuesta de voltaje del biosensor MFC al arsénico De manera similar, el DC-MFC-B mostró una disminución en el voltaje al aumentar la concentración de arsénico de 0.05 a 5 mg L−1. La relación lineal entre el voltaje y la concentración de arsénico (R² = 0,982) confirma que el biosensor es eficaz para la detección de arsénico. CONCLUSION Este estudio demostró que el biosensor basado en DC-MFC-B es efectivo para monitorear cobre y arsénico en aguas residuales. Las condiciones óptimas incluyen una resistencia externa de 1000 Ω, DQO de 300 mg L−1 y una solución catolítica de 50 mM de K3Fe(CN)6. La respuesta del biosensor al aumento de las concentraciones de metales pesados mostró una relación lineal significativa, lo que subraya su potencial para aplicaciones prácticas en la gestión de calidad del agua.