Design, fabrication and application of a microsystem for the electrochemical evaluation of confined bacteria

Abstract

Esta tesis presenta la prueba de concepto de un microsistema con un enfoque novedoso para evaluar las propiedades electroquímicas de bacterias espacialmente restringidas. La estrategia propuesta se basa en el proceso de colonización de un microsistema electroquímico no fluido; dicho proceso se rige por las interacciones mecánicas generadas durante el crecimiento bacteriano, relacionadas con el empuje de las nuevas generaciones entre sí, lo que genera el tránsito entre el crecimiento bacteriano bidimensional (capa única) a la formación de estructuras bacterianas tridimensionales, y Motilidad de las células relacionada con la superficie. El crecimiento controlado y dirigido de las bacterias obliga a la acumulación de una agregación de células densamente empaquetadas en contacto directo con una configuración de tres microelectrodos, embebida en el microsistema, que permite la transferencia bidireccional de electrones directa entre las bacterias confinadas y la superficie conductora. La implementación del enfoque presentado se realiza mediante una plataforma totalmente automatizada, que integra, en una sola configuración, el diseño del microsistema no fluídico con un control de temperatura preciso, monitoreo electroquímico y una capacidad de monitoreo óptico. Los resultados indican que la respuesta electroquímica del sistema está asociada a la presencia de la estructura bacteriana a través de los microelectrodos. Además, el desarrollo de un proceso faradaico en la interfaz bacteria-microelectrodo, medido en el microsistema, implica el potencial de esta estrategia para ser utilizada en la caracterización de microorganismos electroactivos, por lo tanto, proporciona una herramienta para la investigación y evaluación del proceso EET en MES

This thesis presents the proof of concept of a microsystem with a novel approach to evaluate the electrochemical properties of spatially constrained bacteria. The proposed strategy relies in the colonization process of a non-fluidic electrochemical microsystem; such process is governed by the mechanical interactions generated during bacterial growth, related to the pushing of new generations towards each other, which endures the transit between two-dimensional bacterial growth (single layer) to the formation of three-dimensional bacterial structures, and the surface-related motility of cells. The controlled, directed growth of bacteria, obligate the accumulation of a densely packed aggregation of cells in direct contact with a three-microelectrode setup, embedded in the microsystem, which enables the direct bidirectional electron transfer between the confined bacteria and the conductive surface. The implementation of the introduced approach is performed by means of a fully automated platform, which integrates, in a single setup, the non-fluidic microsystem design with precise temperature control, electrochemical monitoring and an optical imaging capability. The results indicate that the electrochemical response of the system is associated to the presence of the bacterial structure across the microelectrodes. Furthermore, the development of a faradaic process at the bacteria-microelectrode interface, measured in the microsystem, implies the potential of this strategy to be used in the characterization of electroactive microorganisms, consequently, providing a tool for the research and assessment of the EET process in MES.