Techno-economic design requirements for integrating biosensors in environmental monitoring of aquatic ecosystems

Abstract

The aim of this work was to design and develop biosensors for monitoring aquatic ecosystems with built-in environmental specifications based on techno-economic criteria. The objectives of the work included (i) the design and development of a methodological framework for modelling aquatic ecosystems, with a view to identifying both, critical quality parameters (target analytes) that should be monitored and environmental constraints that should be considered when designing the biosensors, (ii) the design, development, validation and evaluation (by means of computational and physical simulation) of target- and environment-specific field biosensors, and (iii) the study of the technological frame, including the cost and the marketability aspects for these devices.Modelling of aquatic systems utilised an ontological platform in order to identify critical interactions within the ecosystem at different scales. Biosensors have been developed on a lipid membrane platform coupled to an electrochemical transducer for detecting peroxide, phenols, and nitrates in the water and sediment samples (from the zone and/or the benthos). The development of such systems on the basis of their intended use and their evaluation under real environmental conditions and samples has not been reported before in the literature. The replacement of the lipid platform with polymerized membranes and the conversion of the transducer to zink oxide nanowalls or graphene nanosheet electrodes yielded nanosensors with improved analytical characteristics, as indicated with a cholesterol-cholesterol oxidase system.The up-to-date technological frame of biosensors is also discussed on the basis of technology adsorption and process capability, including the identification of critical barriers to industrial production and competitiveness.

Σκοπός της διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη βιοαισθητήρων βάσει περιβαλλοντικών προδιαγραφών και τεχνο-οικονομικών κριτηρίων για την παρακολούθηση της ποιότητας υδάτινων οικοσυστημάτων. Οι στόχοι της διατριβής περιλάμβαναν (i) το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός μεθοδολογικού πλαισίου για τη διαμόρφωση υποδειγμάτων των υδάτινων οικοσυστημάτων, κατάλληλων για τον προσδιορισμό των κρίσιμων παραμέτρων ποιότητας (προσδιοριστέοι παράγοντες) που πρέπει να παρακολουθούνται καθώς και των περιορισμών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό των βιοαισθητήρων λόγω της λειτουργίας τους στο περιβαλλοντικό πεδίο, (ii) το σχεδιασμό, την ανάπτυξη, τη διερεύνηση της αξιοπιστίας και την αξιολόγηση (μέσω υπολογιστικής και φυσικής προσομοίωσης) βιοαισθητήρων πεδίου εξειδικευμένων για το περιβάλλον λειτουργίας και τις παραμέτρους παρακολούθησης και (iii) τη μελέτη της εμπορευσιμότητας των βιοαισθητήρων που αναπτύχθηκαν με βάση το υπάρχον τεχνολογικό πλαίσιο, τις ευκαιρίες εφαρμογής, της ικανότητας υιοθέτησης νέας τεχνολογίας και των προβλημάτων στη βιομηχανική παραγωγή.Η μοντελοποίηση των υδάτινων συστημάτων βασίσθηκε σε μια οντολογική πλατφόρμα προκειμένου να καθίσταται δυνατός ο εντοπισμός των κρίσιμων αλληλεπιδράσεων εντός του οικοσυστήματος σε διαφορετικές κλίμακες. Οι βιοαισθητήρες αναπτύχθηκαν σε μια πλατφόρμα λιπιδικών μεμβρανών που συνδέεται με έναν ηλεκτροχημικό μεταλλάκτη για τον προσδιορισμό υπεροξειδίου, φαινολών και νιτρικών σε δείγματα νερού και ιζημάτων (από την παράκτια ζώνη ή/και τον βυθό). Η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων βάσει της προβλεπόμενης χρήσης τους και η αξιολόγησή τους υπό πραγματικές περιβαλλοντικές συνθήκες και με πραγματικά δείγματα δεν έχει αναφερθεί προηγουμένως στη βιβλιογραφία. Η αντικατάσταση της λιπιδικής πλατφόρμας με πολυμερισμένες μεμβράνες και η μετατροπή του μεταλλάκτη σε ηλεκτρόδια νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου ή γραφενίου οδήγησαν σε νανοαισθητήρες με βελτιωμένα αναλυτικά χαρακτηριστικά, όπως διαπιστώθηκε στο σύστημα χοληστερόλης - οξειδάσης της χοληστερόλης. Το σύγχρονο τεχνολογικό πλαίσιο των βιοαισθητήρων διερευνήθηκε, επίσης, με βάση την ικανότητα υιοθέτησης της τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένου του εντοπισμού κρίσιμων εμποδίων στη βιομηχανική παραγωγή και την ανταγωνιστικότητα.