Las microalgas son una fuente prometedora de biomasa y compuestos valiosos para la acuicultura, alimentación, cosmética y bioenergía. Compuestos como los exopolisacáridos (EPS), que las microalgas secretan para protegerse, tienen un gran interés biotecnológico.
Sin embargo, optimizar su producción requiere un seguimiento preciso de las fases de crecimiento del cultivo, algo que los métodos actuales no siempre facilitan. El muestreo periódico, la necesidad de personal cualificado y los procesos de laboratorio (como centrifugación o floculación) son a menudo lentos, costosos y no ofrecen datos en tiempo real.
¿Y si pudiéramos «ver» el crecimiento de las microalgas y la producción de EPS de forma continua, sensible y económica directamente en el cultivo? Un estudio reciente liderado por científicos de la University of Coimbra y de la University of Bath, publicado en la prestigiosa revista Biosensors and Bioelectronics, presenta una solución innovadora para el monitoreo preciso en tiempo real del crecimiento de microalgas y los metabolitos que producen, con diversas aplicaciones industriales. Esta nueva tecnología combina la Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS) con electrodos porosos tridimensionales (3D), permitiendo desarrollar una sonda capaz de monitorizar el crecimiento de microalgas y su producción de EPS en tiempo real.
El Desafío: Monitorear Organismos Pequeños y de Crecimiento Lento
Monitorizar el crecimiento microbiano con técnicas electroquímicas no es nuevo, especialmente para bacterias. Sin embargo, las microalgas presentan retos particulares: son considerablemente más grandes que las bacterias (a menudo >20 µm) y su tiempo de duplicación puede ser mucho más lento, llegando hasta varios días.
Esto significa que se necesitan electrodos con una superficie mucho mayor que los convencionales y que sean electroquímicamente estables durante semanas para capturar la dinámica completa del crecimiento.
La Innovación: Electrodos Porosos 3D de Gran Superficie
Para superar estos desafíos, los investigadores desarrollaron un electrodo novedoso con una estructura tridimensional y porosa. Utilizaron espumas de poliuretano (PU) como base, un material común y económico. Estas espumas fueron cuidadosamente limpiadas e hidrolizadas (tratadas para atraer agua) mediante plasma de oxígeno.
Luego, las sumergieron en una solución de un polímero conductor llamado PEDOT:PSS (poli(3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato), modificado para mejorar su adherencia y conductividad. Este proceso de recubrimiento se repitió dos veces y se finalizó con un tratamiento térmico (annealing) para fijar el recubrimiento y asegurar una buena conductividad eléctrica.
El resultado es un electrodo con una estructura interna de poros interconectados (similar a una esponja) recubierta por el polímero conductor. Este diseño ofrece una superficie efectiva enormemente mayor (estimada en 240 cm²) comparada con los electrodos planos tradicionales (del orden de 10 mm² en este estudio).
Crucialmente, el proceso de recubrimiento no obstruyó significativamente los poros, manteniendo la estructura abierta (la porosidad solo varió un 2% tras dos capas de recubrimiento) pero aumentando la conductividad eléctrica. La estabilidad de estos electrodos se confirmó mediante pruebas a largo plazo (14 días) en el medio de cultivo (BG11) sin células, donde no se observaron variaciones significativas en la impedancia.
¿Cómo Funciona la Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS)?
La EIS es una técnica que mide la resistencia de un sistema al paso de una corriente eléctrica alterna a diferentes frecuencias. Cuando las células microalgales se adhieren y crecen sobre la superficie del electrodo poroso 3D sumergido en el medio de cultivo, alteran las propiedades eléctricas en la interfaz electrodo-líquido.
Imaginen que las células y los EPS que producen actúan como una capa aislante que dificulta ligeramente el paso de la corriente, especialmente a bajas frecuencias. La EIS detecta estos sutiles cambios en la impedancia (una medida compleja de la resistencia y la capacitancia). Al medir la impedancia a lo largo del tiempo, se puede seguir la dinámica del crecimiento celular y la acumulación de productos como los EPS.
Resultados Clave del Estudio con Lobochlamys segnis
Los investigadores utilizaron la microalga Lobochlamys segnis (antes conocida como Chlamydomonas segnis), un modelo conocido por su producción de EPS, para probar el sistema. Cultivaron esta microalga directamente sobre los electrodos porosos 3D durante 14 días y realizaron mediciones continuas de EIS.
- Monitoreo en Tiempo Real y Alta Sensibilidad: El sistema EIS pudo seguir el crecimiento de L. segnis de forma continua durante los 14 días del experimento. Notablemente, funcionó incluso con densidades celulares iniciales muy bajas (10⁵ células/mL), que corresponden a una cobertura inicial mínima del electrodo (~0.012%). Esto demuestra la alta sensibilidad del método.
- Correlación con Métodos Tradicionales: La curva de crecimiento obtenida a partir de las mediciones de impedancia (específicamente a baja frecuencia, 0.1 mHz) siguió de cerca la curva obtenida mediante el conteo celular tradicional bajo microscopio. Aplicando un modelo de crecimiento logístico, la tasa de crecimiento estimada por EIS (k_z=0.75 /día) fue muy similar a la obtenida por conteo celular (k_cells=0.85 /día). Esta concordancia valida la técnica EIS como un indicador fiable del crecimiento microalgal.
- Detección de la Producción de EPS: El estudio reveló que la producción de EPS por L. segnis tiene un impacto significativo en las mediciones de impedancia, especialmente en las fases iniciales del crecimiento (días 0-6). Las células y la capa de EPS que las rodea (bEPS) cubren la superficie del electrodo, aumentando la impedancia a baja frecuencia. La impedancia máxima coincidió aproximadamente con el momento de mayor producción de EPS visible alrededor de las células (día 8-10).
- Indicador de Liberación de EPS al Medio: Un hallazgo interesante fue que el parámetro R_sol (resistencia de la solución), extraído del análisis del circuito equivalente de EIS, mostró ser sensible al momento en que los EPS comienzan a liberarse masivamente desde las células al medio de cultivo (alrededor del día 12). La tasa de cambio de R_sol también se correlacionó con la densidad celular inicial, siendo mayor en cultivos más densos. Esto sugiere que la EIS podría usarse no solo para monitorear el crecimiento celular sino también para detectar picos de liberación de productos extracelulares.
- Ventaja sobre Electrodos Planos: Una comparación directa mostró que los electrodos porosos 3D, gracias a su mayor área superficial, permitieron seguir la curva de crecimiento completa, incluyendo la fase exponencial, mucho mejor que los electrodos PEDOT:PSS planos convencionales de área pequeña.
Paulo Rocha, profesor del Departamento de Ciencias de la Vida (DCV) e investigador del Centro de Ecología Funcional (CFE) de la Universidad de Coimbra, explica: «Empleamos Lobochlamys segnis como sistema modelo de microalga y demostramos que el crecimiento puede ser monitoreado continuamente durante al menos 14 días. Los resultados indican que la tasa de crecimiento logístico obtenida a través de EIS es similar al conteo celular convencional. Además, la resistencia óhmica demostró ser un indicador fiable para detectar el punto máximo de producción de EPS».
Implicaciones para la Acuicultura y la Biotecnología
Los resultados de este estudio son muy prometedores para el sector acuícola y la biotecnología de microalgas. Según los expertos involucrados, esta tecnología representa un avance significativo para la industria biotecnológica. La capacidad de monitorear el crecimiento y la producción de metabolitos como los EPS en tiempo real, de forma continua, sensible y potencialmente económica, abre nuevas vías:
- Optimización de Bioreactores: Permite ajustar las condiciones de cultivo (luz, nutrientes, etc.) en el momento óptimo para maximizar la producción de biomasa o de compuestos específicos como los EPS.
- Control de Calidad: Facilita un seguimiento más preciso de la salud y estado fisiológico del cultivo.
- Reducción de Costos: Podría disminuir la necesidad de muestreos manuales frecuentes y análisis de laboratorio complejos.
- Nuevas Aplicaciones: La alta sensibilidad, incluso a bajas densidades, sugiere potencial para una gestión más eficiente de los recursos hídricos, como la detección temprana de floraciones algales.
Conclusión: Hacia un Monitoreo Inteligente de Microalgas
La combinación de Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS) con electrodos porosos 3D a base de PU/PEDOT:PSS se presenta como una herramienta poderosa y sensible para el monitoreo en tiempo real del crecimiento de microalgas como Lobochlamys segnis y la dinámica de producción de exopolisacáridos (EPS).
Al proporcionar datos continuos y correlacionarse bien con los métodos estándar, esta tecnología ofrece una alternativa prometedora a las técnicas de monitoreo convencionales, con potencial para mejorar significativamente la eficiencia y el control en la producción de biomasa y bioproductos microalgales a gran escala en bioreactores y, posiblemente, en la monitorización ambiental. Asimismo, la tecnología desarrollada se suma al uso de la inteligencia artificial o al espectro de absorción para determinas el crecimiento o el contenido de pigmentos de las microalgas.
Este avance es fruto de la colaboración entre investigadores de la Universidad de Coimbra (los estudiantes de doctorado Francisco Cotta Jr y Felipe Bacellar, los investigadores del CFE Raquel Amaral y Diogo Correia, liderados por Paulo Rocha) y el profesor Kamal Asadi de la Universidad de Bath, Reino Unido.
Contacto
Paulo R.F. Rocha
Centre for Functional Ecology-Science for People & the Planet, Associate Laboratory TERRA, Department of Life Sciences, University of Coimbra
Coimbra, 3000–456, Portugal
Email: procha@uc.pt
Referencia (acceso abierto)
Cotta, F. C., Amaral, R., Bacellar, F. L., Correia, D., Asadi, K., & Rocha, P. R. (2025). A 3D porous electrode for real-time monitoring of microalgal growth and exopolysaccharides yields using Electrochemical Impedance Spectroscopy. Biosensors and Bioelectronics, 277, 117260. https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117260
