Electrochemical stripping analysis and nanoparticles for affinity biosensors

En una primera parte de esta tesis fue desarrollado un nuevo electrodo a base de pasta de grafito-epoxi composite (GECE) conteniendo nitrato de bismuto [Bi(NO3)3] como precursor de bismuto incorporado [Bi(NO3)3-GECE)], como una posible alternativa para el análisis electroquímico por redisolución de metales pesados en cantidades traza. Los resultados claramente muestran las ventajas del Bi(NO3)3-GECE en combinación con la técnica de voltamperometría de redisolución anódica de onda cuadrada (SWASV) para la detección de metales pesados. Se llevaron a cabo medidas individuales y simultáneas de Pb y Cd y los resultados mostraron claramente las ventajas del Bi(NO3)3-GECE en combinación con la técnica SWASV para la detección de metales pesados. Con el uso del Bi(NO3)3-GECE construido se pueden realizar análisis rápidos y eficaces de iones de metal en cantidades traza como Pb y Cd entre otros en muestras ambientales de suelo, aguas naturales y aguas residuales. La ventaja inherente de la no necesidad de mercurio elimina muchas de las objeciones para el uso de métodos electroquímicos en la detección de tales especies en estos medios. Comparando el Bi(NO3)3-GECE con el electrodo de película de mercurio comúnmente usado y electrodo de película de bismuto desarrollado antes por nuestro grupo, el nuevo electrodo propuesto ofrece un notable funcionamiento en el análisis de metales pesados en cantidades traza, que puede ser de gran ventaja en electroquímica, contribuyendo a una aplicabilidad más amplia de técnicas electroquímicas por redisolución relacionadas con electrodos "sin mercurio". Además de aplicaciones ambientales el electrodo desarrollado basado en bismuto tendría interés especial para la aplicación en la detección de puntos cuánticos (QDs) basados en metales pesados. Tales aplicaciones están actualmente en proceso de estudio en nuestro grupo de investigación para la detección de ADN. Las otras partes de la tesis se dedican al desarrollo de nuevos sensores de ADN y proteínas basados en la misma técnica electroquímica de redisolución y el uso de nanopartículas de oro como marcas. Actualmente la detección electroquímica de secuencias de ADN específicas vía el evento de hibridación es una cuestión importante por lo cual diversas estrategias han sido propuestas. Genosensores electroquímicos de afinidad basados en el marcaje con nanopartículas de oro (AuNPs) y el uso de partículas paramagnéticas (MB) como plataforma para la inmovilización de la sonda de ADN de captura también han sido desarrollados en esta tesis a fin de demostrar la inducción magnética eficaz de un nuevo electrodo de grafito-epoxi composite-magnético (M-GECE) el cual fue construido también con pasta de grafito-epoxi composite con un pequeño imán de neodimio integrado.Todos los ensayos para la detección electroquímica de la hibridación del ADN desarrollados en esta tesis fueron basados en la detección directa de las marcas de AuNPs por medio de la técnica de voltametría de pulso diferencial (DPV) usando el M-GECE donde la intensidad de la corriente de la señal generada es directamente proporcional a la cantidad de ADN en la muestra. Como también ha sido demostrado, con el sensor de ADN asistido magnéticamente, el ADN analito condujo a una muy bien definida señal mientras que esencialmente ninguna señal fue observada para el ADN no complementario. Un nuevo inmunoensayo electroquímico sensible ha sido desarrollado, también basado en AuNPs como marca y MB como plataforma. El método fue evaluado para un inmunoensayo heterogéneo no competitivo de una IgG humana como proteína modelo. La detección electroquímica fue llevada a cabo en la misma forma que lo fue para ADN. La detección electroquímica de marcas de AuNPs en biosensores de afinidad usando métodos de redisolución permite el estudio detallado de la hibridación de ADN así como también inmuno-reacciones con interés en aplicaciones relacionadas con genosensores o inmunosensores. Los métodos electroquímicos usados para la detección de AuNPs como marca pueden ser muy prometedores tomando en cuenta su sensibilidad alta, límite de detección bajo, selectividad, simplicidad, bajo coste, y disponibilidad de instrumentos portátiles. Como conclusión final, las estrategias de análisis electroquímico de ADN y proteínas fueron demostradas con éxito y debido a los resultados prometedores su uso en muestras reales es viable. Tales biosensores de ADN e inmunosensores dan lugar a un enorme potencial de aplicación principalmente para diagnóstico clínico y monitoreo ambiental entre otros campos.In the first part of this thesis a new graphite-epoxy composite electrode containing bismuth nitrate [Bi(NO3)3-GECE)], as built-in bismuth precursor as a possible alternative for electrochemical stripping analysis of trace heavy metals has been developed. Individual and simultaneous measurements of Pb and Cd were carried out and the results clearly showed the advantages of the Bi(NO3)3-GECE in combination with square wave anodic stripping voltammetry (SWASV) technique for heavy metals detection. Fast and effective analyses of trace metal ions such as Pb and Cd among others in environmental samples of soil, natural waters and effluents can be carried out by using the new Bi(NO3)3-GECE constructed. The inherent advantage of no necessity of mercury removes many of the objections for the use of the developed sensor. When comparing the Bi(NO3)3-GECE with the commonly used mercury film electrode and previously developed bismuth film electrode, the newly proposed electrode offers a remarkable performance in analysis of trace heavy metals, which can be advantageous in electrochemical, hence contributing to the wider applicability of electrochemical stripping techniques in connection with "mercury-free" electrodes. Beside environmental applications the developed bismuth based electrode would have special interest for application to heavy metal based quantum dots. Such applications are currently in the studying process at our research group for DNA detection. The other parts of the thesis are dedicated to the application of electrochemical stripping analysis in connection to gold nanoparticles for DNA and protein detection. Currently the electrochemical detection of specific DNA sequences via hybridization event is an important issue by which diverse strategies have been proposed. Affinity electrochemical genosensors based on labelling with gold nanoparticles (AuNPs) and the use of paramagnetic beads (MB) as platform for the immobilization of capture DNA probe have been also developed in this thesis in order to demonstrate the effective magnetic triggering of a new magnetic-graphite epoxy composite electrode (M-GECE) which was constructed with graphite-epoxy composite paste, with a small neodymium magnet integrated. All the assays for the DNA hybridization electrochemical detection developed in this thesis were based on the direct detection of AuNPs labels (anchored onto the M-GECE) by means of differential pulse voltammetry (DPV). The intensity of the generated current is directly proportional to the amount of DNA at the sample. As also has been demonstrated, with this magnetically assisted DNA sensor, target DNA leaded to very well defined signal whereas essentially no signal was observed for non-complementary DNA. By the other side a novel, sensitive electrochemical immunoassay has been also developed based in AuNPs as label and MB as platform. The method was studied and evaluated for a noncompetitive heterogeneous immunoassay of a human IgG as a model protein. The electrochemical detection was carried out in the same way that as for DNA. The electrochemical detection of AuNPs labels in affinity biosensors using stripping methods allows the detailed study of DNA hybridization as well as immunoreactions with interest in genosensor or immunosensor applications. The developed detection methodologies may be very promising taking into account their high sensitivity, low detection limit, selectivity, simplicity, low cost, and availability of portable instruments. As final conclusion, the DNA and protein electrochemical analysis strategies were successfully demonstrated and according to the promising results obtained its use for real samples is viable. Such DNA biosensors and immunosensors hold an enormous application potential principally for clinical diagnostic and environmental monitoring among other fields

Microbiología aplicada : manual de laboratorio

1 archivo PDF (223 páginas) : incluye ilustracionesLa Microbiología es una ciencia que se encarga del estudio de los microorganismos, y ha logrado grandes avances como resultado de años de investigación, la cual está basada fundamentalmente en la observación y la experimentación. Por lo anterior, considero que, para tener un mejor conocimiento y comprensión de la Microbiología, es absolutamente necesario contar con el apoyo del laboratorio. La Microbiología tiene gran aplicación en diversas áreas tales como las siguientes: Médica, Agrícola, Industrial, Biotecnológica y Ambiental. Para la elaboración de este manual se seleccionaron técnicas de diferentes textos y manuales de Microbiología, las cuales se organizaron y adecuaron al programa de la Unidad de Enseñanza Aprendizaje (UEA) de Microbiología Aplicada que forma parte del Plan de Estudios de la Licenciatura de Ingeniería Ambiental de la UAM-A, por lo que este manual está dirigido a los alumnos de la UEA de Laboratorio de Microbiología Aplicada de dicha licenciatura. Se incluyen prácticas de Microbiología Básica y Microbiología Aplicada, haciendo énfasis en el análisis microbiológico del agua

Caracterización fenotípica y filogenética de un arreglo de reactores UASB en dos etapas

El objetivo de esta investigación fue la identificación bacteriana presente en dos reactores anaerobios de flujo ascendente con manto de modos (UASB, del inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket), que se encontraban trabajando en serie (fase acidogénica - fase metanogénica), mediante caracteres fenotípicos y filogenéticos. La caracterización fenotípica reportó la presencia de los géneros Clostridium, Bacteroides y Staphylococcus en el medio acidogénico, y de Bacillus y Syntrophobacter en el acetogénico; así mismo, se encontró la presencia de Methanobacetrium en los aisaldos del reactor metanogénico. La caracterización filogenética se realizó con un secuenciador de tercera generación que utiliza tecnología de nanoporos y los resultados reportaron la presencia de los filos Proteobacterias, Bacteroidetes, Chloroflexi, Spirochaetes, Planctomycetes, Elusimicrobiales, Acidobacterias, Thermotogae, Synergistetes, Firmicutes, y el taxón OD1 en el reactor acidogénico; y de los filos Fusobacterias, Actinobacterias, Chloroflexi, Bacteroidetes, Firmicutes, Nanoarchaeota, Euryarchaeota, Metazoa y Proteobacteria en el reactor metanogénico.The objective of this research was the bacterial identification present in two UASB anaerobic reactors that were working in series (acidic phase - metanogenic phase), using phenotypic and phylogenetic characteristics. Phenotypic characterization reported the presence of the genera Clostridium, Bacteroides and Staphylococcus in the acidogenic medium, and Bacillus and Syntrophobacter in the acetogenic; Also, the presence of Methanobacetrium was found in the isolatedness of the metanogenic reactor. The phylogenetic characterization was performed with a third generation sequencer that uses nanopore technology and the results reported the presence of the phyla Proteobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Spirochaetes, Planctomycetes, Elusimicrobiales, Acidobacteria, Thermotogae, Synergistetes, Firmicutes, and the OD1 taxon in the acidic reactor; and the Fusobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes, Firmicutes, Nanoarchaeota, Euryarchaeota, Metazoa and Proteobacteria phyla in the metanogenic reactor

Efecto de los pretratamientos por prehidrólisis térmica y electrooxidación sobre la solubilización y biodegradabilidad anaeróbica de lodos residuales para la producción de metano

El objetivo de esta investigación fue comparar dos pretratamientos en lodos residuales para disminuir su tamaño de partícula y aumentar el grado de solubilización y la producción específica de metano en una posterior digestión anaerobia. El primer pretratamiento empleado fue la prehidrólisis térmica del lodo a diferentes temperaturas durante diferentes tiempos de operación. El otro pretratamiento fue la electrooxidación utilizando electrodos de grafito y acero inoxidable a diferentes intensidades de corriente variando los tiempos de operación. Las eficiencias obtenidas con las condiciones óptimas para el pretratamiento térmico (90 °C durante 90 minutos) fueron 65.5% para DQO, 39.4% para SV y se alcanzó el valor máximo teórico del PBM de 92 CH₄/g SV. Así mismo, el pretratamiento por electrooxidación mostró eficiencias del 48% en la DQO, 28% en SV y un valor de 75 CH₄/g SV en las condiciones óptimas (31.74 mA/cm2. 45 minutos).The objective of this research was to compare two pretreatments in residual sludge to decrease their particle size and increase the degree of solubilization and the specific production of methane in a subsequent anaerobic digestion. The first pretreatment used was the thermal prehydrolysis of the sludge at different temperatures during different operating times. The other pretreatment was electrooxidation using graphite electrodes and stainless steel at different current intensities varying the operating times. The efficiencies obtained with the optimal conditions for thermal pretreatment (90 °C for 90 minutes) were 65.5% for COD, 39.4% for SV and the theoretical maximum PBM value of 92 CH₄ / g SV was reached. Likewise, electro-oxidation pretreatment showed efficiencies of 48% in COD, 28% in SV and a value of 75 CH₄ / g SV in optimal conditions (31.74 mA / cm2. 45 minutes)

Evaluación del efecto de inhibición bacteriana de micropartículas core@shell en agua natural

La problemática de las enfermedades biológico-infecciosas causadas por el consumo de aguas contaminadas se encuentra en un estado alarmante, por lo que día a día se buscan nuevas técnicas para la erradicación de bacterias patógenas presentes en agua, una gran alternativa para la eliminación de dichos contaminantes es el uso de micromateriales metálicos de fácil recuperación. Por lo que, en este trabajo se presenta una metodología para obtener micropartículas de magnetita cubiertas con plata (core@shell) mediante síntesis verde, con la finalidad de evaluar su efecto inhibitorio sobre de Bacillus subtilis y Escherichia coli en presencia de dichas micropartículas. Los experimentos fueron evaluados en un lapso de 24 horas, donde se encontró que las core@shell inhiben en su totalidad el desarrollo bacteriano, demostrando tener un efecto bactericida. Debido al centro paramagnético de las core@shell su recuperación se lleva a cabo mediante un imán de forma rápida y eficiente.The problem of biological-infectious diseases caused by the consumption of contaminated water is in an alarming state, every day new techniques are sought for the eradication of pathogenic bacteria present in water, a great alternative for the elimination of these contaminants is the use of metallic micromaterials. This paper presents a methodology to obtain magnetite microparticles covered with silver (core@shell) by green synthesis, in order to evaluate the effect of inhibition of bacterial growth of Bacillus subtilis and Escherichia coli in the presence of the microparticles. The experiments were evaluated in a 24-hour period, where was found that core@shell completely inhibit bacterial development, proving to have a bactericidal effect. Due to the paramagnetic center of the core@shell, its recovery is carried out by means of a magnet, quickly and efficiently

Decoloración del colorante disperso Azul Navy contenido en un efluente textil

Se evaluó la capacidad de decoloración de dos hongos ligninolíticos; M1 y F sobre el colorante disperso Azul Navy presente en un efluente resultante del proceso de estampado y en una solución colorante. Previo al tratamiento, los hongos se desarrollaron en medio salino durante 15 días a temperatura ambiente. Los porcentajes de decoloración en la solución fueron de 75.7 ± 5.7 con M1 y 42.2 ± 2.2 con F. El tratamiento biológico del efluente se realizó en tres condiciones: estéril, no estéril y filtrado. Los mejores porcentajes de decoloración fueron en el efluente no estéril; 46.6 ± 1.9 con M1 y 35.0 ± 3.0 con F.The discoloration capacity of Navy Blue dye by two ligninolytic fungi was evaluated. An effluent with dye obtained of a stamped process and a colored solution were used. Previous to treatment, the fungi were growth in saline medium for 15 days at room temperature. The percentages of discoloration for the colored solution were 75.7 ± 5.7 with M1 and 42.2 ± 2.2 with F. The biological treatment of effluent was carried out for three conditions: sterile, no sterile and filtrated. The best percentages of discoloration were for no sterile effluent; 46.6 ± 1.9 with M1 and 35.0 ± 3.0 with F

Solubilidad, biodegradabilidad y capacidad de producción de metano de lodos residuales pretratados por prehidrólisis térmica, electrooxidación y bioaumentación

El objetivo de esta investigación fue comparar el efecto de tres pretratamientos en lodos residuales para aumentar el grado de solubilización y la producción específica de metano en una posterior digestión anaerobia. El primer pretratamiento empleado fue la prehidrólisis térmica (PT) del lodo a 90 °C durante 90 minutos. El segundo pretratamiento fue la electrooxidación (PEO) del lodo utilizando electrodos de platino con una intensidad de corriente de 400 mA durante 45 minutos. Y el tercero, el pretratamiento por bioaumentación (PB) fue la adición de 9 mL de cepas específicas de bacterias acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas. Se logró aumentar el grado de solubilización de los lodos en 34.7%, 28.4% y 0.9% con PT, PEO y PB respectivamente. Las eficiencias de metano para PT, PEO y PB fueron de 61.7% CH₄/g, 16.1% CH₄/g SV y 2.3% CH₄/g SV respectivamente.The objective of this research was to compare the effect of three pretreatments in sewage sludge to increase the degree of solubilization and the specific production of methane in a subsequent anaerobic digestion. The first pretreatment used was thermal prehydrolysis (PT) of the mud at 90°C for 90 minutes. The second pretreatment was electrooxidation (PEO) of the mud using platinum electrodes with a current intensity of 400 mA for 45 minutes. And the third, the pretreatment by bioaugmentation (PB) was the addition of 9 mL of specific strains of acidogenic, acetogenic and methanogenic bacteria. The degree of solubilization of the sludge was increased by 34.7%, 28.4% and 0.9% with PT, PEO and PB respectively. The methane efficiencies for PT, PEO, and PB were 61.7% CH₄/ g, 16.1% CH₄/g SV, and 2.3% CH₄/g SV respectively

Evaluación de un consorcio microbiano en la remoción de Cr (VI) en agua sintética

La biorremediación es una técnica cada vez más utilizada para la remoción de metales pesados como el cromo hexavalente Cr (VI) en agua, este metal es de gran prioridad ya que principalmente se incorpora en el agua debido a la descarga de desechos industriales, es de gran persistencia y altamente tóxico. Debido a lo anterior en este trabajo se presentan los resultados de un proceso de biorremediación de Cr (VI) en agua sintética donde se compara la eficiencia de Pseudomonas putida contra Saccharomyces cerevisiae por separado mediante biosorción y bioacumulación, en donde las remociones más altas se obtuvieron con el proceso de bioacumulación, siendo de 39.03% y 75.17%, respectivamente. Por lo que posteriormente se utilizó esta técnica para la evaluación de los microorganismos en conjunto, donde se removió un 94.06% de Cr (VI). La cuantificación del metal se realizó mediante espectrofotometría de ultravioleta visible (UV-vis).Bioremediation is an increasingly adopted technique used in the removal of heavy metals, such as hexavalent chromium (Cr (VI)) in water, which is a high priority metal, since it is incorporated mainly in water due to the discharge of industrial waste. It is considerably persistent and highly toxic. Therefore, in this work the results of a bioremediation process of Cr (VI) in synthetic water are presented, where Pseudomonas putida against Saccharomyces cerevisiae through biosorption and bioaccumulation are compared separately. The highest removal was obtained with the bioaccumulation process, being 39.03% and 75.17%, respectively. Consequently, this technique was used for the evaluation of both microorganisms together, where 94.06% of the Cr (VI) was removed. The quantification of metal was done by using ultraviolet-visible spectrophotometry (UV-vis)

Biorremediación de suelo contaminado con hidrocarburos totales de petróleo (HTP´s)

En este trabajo se determinó la capacidad de seis cepas de hongos para degradar hidrocarburos totales de petróleo (HTP) de un suelo con 11,464 ppm de HTP proveniente de Coatzacoalcos, Veracruz. Las cepas fueron crecidas previamente en bagazo de caña sobre la superficie del suelo. Después de tres semanas de incubación se dio inicio al proceso de biorremediación mezclando el bagazo con el suelo. El tratamiento se llevó a cabo durante seis semanas a temperatura ambiente. Los mejores porcentajes de remoción alcanzados fueron: 38.6, 36.3, 32.6 y 31.1, con las cepas HBC7, M1H5, HBG y HBC9, respectivamente.The objective of this work was to determine the degradability of total petroleum hydrocarbons (TPH) by six fungal strains in an industrial soil from Coatzacoalcos, Veracruz that was contaminated, initially with 11.464 ppm. At the beginning the strains were grown on sugar cane bagasse over the soil surface and incubated during 3 weeks, then starts the bioremediation process, where the bagasse were mixed with the soil for another 6 weeks a standard temperature. The removal of TPH was obtained: HBC7 (38.6%), M1H5 (36.3%), HBG (32.65) and HBC9 (31.1%)

Evaluación de la actividad ligninolítica de cuatro cepas fúngicas desarrolladas en olote y madera

En este trabajo se evaluó la actividad ligninolítica de cuatro cepas fúngicas aisladas de un suelo contaminado con hidrocarburos. Se comparó su crecimiento usando dos soportes: madera y alote de maíz, para lo cual primero se determinó de forma cualitativa la actividad de las enzimas Lacasa (Lac), Manganeso Peroxidasa (MnP) y Lignina Peroxidasa (LiP). Después, cada cepa fue inoculada en reactores individuales utilizando alguno de los soportes e incubadas durante 4 semanas a temperatura ambiente. Durante el proceso de incubación, cada semana se determinó la actividad de las enzimas antes mencionadas. Con base en los resultados, el mejor desarrollo de las cuatro cepas se presentó en el alote de maíz. La cepa HBG presentó actividad de las enzimas Lac y MnP, mientras que la cepa M1H5 mostró actividad de LiP. Estas cepas presentaron los mejores resultados de actividad ligninolítica, por lo cual es factible que sean utilizadas en un proceso de biorremediación.In this work, the ligninolytic activity of four fungal strains isolated from a hydrocarbon contaminated soil was evaluated. Their growth was compared using two supports: wood and olote, for which the enzymatic activity of lacease (Lac), manganese peroxidase (MnP) and lignin peroxidase (LiP) were first determined qualitatively. Afterwards, each strain was inoculated in individual reactors using either support for 4 weeks at room temperature. During the incubation process, every week the activity of the previously mentioned enzymes was determined. Based on the results, the best development out of the four strains was presented in the o lote. The HBG strain hada positive response for Lac and MnP enzymes, the M1H5 strain showed a positive response for the LiP enzyme. These strains presented the best results of ligninolytic activity, which is why they are feasible to be used in a bioremediation process