Una nueva fórmula química «cazadora-asesina» captura y destruye para siempre las sustancias químicas persistentes
Una nueva membrana catalítica se centra en el enlace más fuerte de la química orgánica
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Pueden encontrarse en una sartén antiadherente, en una chaqueta impermeable, en el envoltorio de la comida para llevar o en la espuma que se utiliza para combatir incendios. Conocidas como «sustancias químicas eternas», estas sustancias están omnipresentes en la sociedad moderna y son muy apreciadas por su extrema durabilidad y versatilidad. Sin embargo, su atractivo conlleva una desventaja: son tan duraderas que resisten la degradación, lo que supone una amenaza para la salud humana y el medio ambiente.
Una membrana recubierta de paladio utiliza hidrógeno para ayudar a descomponer los PFAS, conocidos como «sustancias químicas eternas».
Graphic by Jason Drees
Las sustancias per- y polifluoroalquílicas, o PFAS, se generalizaron desde el principio en productos como el teflón, un recubrimiento resistente al aceite, al calor, a las manchas, a la grasa y al agua. Hoy en día, están por todas partes, desde pinturas y adhesivos hasta muebles, alfombras, cosméticos, semiconductores y tejidos impermeables. Por desgracia, también se encuentran en el agua, el suelo, los alimentos e incluso en nuestro propio cuerpo.
Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas internacionales están abordando el problema de una forma novedosa. En lugar de filtrar estas sustancias químicas nocivas del agua contaminada, han desarrollado una técnica para destruirlas.
La mayoría de los tratamientos convencionales para los PFAS separan estas sustancias químicas del agua. El carbón activado, el intercambio iónico y la filtración por membrana pueden capturar los PFAS, pero los contaminantes permanecen en los filtros usados, las salmueras o los residuos concentrados, que aún deben gestionarse o eliminarse. El nuevo enfoque está diseñado para ir un paso más allá, descomponiendo las sustancias químicas en lugar de simplemente trasladarlas a otro lugar.
«Los PFAS son difíciles de descomponer, y los procesos habituales que utilizamos no funcionan», afirmó Bruce Rittmann, director del Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, quien dirigió el estudio.
A él se suman colaboradores de la Universidad Rice, en Texas; la Universidad de Tongji, en China; la Universidad Nacional de Singapur; y la Universidad de Nanjing, en China.
La investigación aparece en el último número de la revista *Proceedings of the National Academy of Sciences*.
Por qué perduran los «químicos eternos»
Los PFAS deben su notoria persistencia al enlace carbono-flúor. En muchos de estos compuestos, una cadena de átomos de carbono está rodeada casi por completo de átomos de flúor, lo que crea una estructura química excepcionalmente resistente.
«Se considera el enlace más fuerte de la química orgánica», afirmó Rittmann.
Dado que el flúor protege eficazmente la cadena principal de carbono, los procesos biológicos y químicos convencionales tienen dificultades para encontrar un punto por donde empezar a descomponer la molécula.
«Realmente no hay ningún punto por donde empezar a descomponerla», señaló Rittmann.
La descomposición es difícil, pero no imposible. El hidrógeno puede proporcionar la energía necesaria para atacar los enlaces carbono-flúor, pero primero debe activarse. Los investigadores utilizan nanopartículas de paladio como catalizadores para convertir el hidrógeno gaseoso en una forma altamente reactiva capaz de separar el flúor de la molécula de PFAS. Para suministrar el hidrógeno de manera eficiente, los investigadores recubrieron diminutas fibras de membrana con nanopartículas de paladio y hicieron pasar hidrógeno gaseoso a través de ellas.
Una tecnología de membranas relacionada, desarrollada por Rittmann y sus colegas, suministra hidrógeno a bacterias que degradan contaminantes. En la investigación actual, los microbios se sustituyen por paladio, que utiliza el hidrógeno para atacar a los PFAS.
El nuevo estudio probó el método con seis PFAS que suscitan preocupación desde el punto de vista normativo. «Demostramos que este mecanismo funcionaba con los seis», afirmó Rittmann. «Es un mecanismo universal».
Un legado medioambiental duradero
La contaminación por PFAS está muy extendida en las aguas subterráneas, las aguas residuales y el suelo. A menudo se encuentran concentraciones especialmente elevadas en torno a las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, los vertederos, los aeropuertos y las bases militares donde se han utilizado espumas contra incendios que contienen PFAS. Estas sustancias químicas también pueden penetrar en los cultivos y acumularse en los peces, el ganado y la fauna silvestre, creando vías adicionales de exposición para los seres humanos.
«Todos tenemos PFAS en nuestro organismo», señaló Rittmann. «Permanecen en el medio ambiente. Se acumulan a lo largo de la cadena alimentaria, por lo que constituyen un grave problema de legado». Esa persistencia significa que la contaminación por PFAS puede perdurar más allá de los usos que la generaron.
La exposición a algunos PFAS se ha relacionado con cánceres, enfermedades tiroideas, alteraciones del sistema inmunitario, disminución de la fertilidad, complicaciones en el embarazo, problemas de desarrollo, obesidad y niveles elevados de colesterol. Dos tipos de PFAS —el PFOS y el PFOA— han sido incluidos en el Convenio de Estocolmo sobre Contaminantes Orgánicos Persistentes. Sin embargo, los riesgos que plantea la familia más amplia de los PFAS siguen siendo difíciles de evaluar, ya que existen miles de compuestos y solo una pequeña fracción de ellos ha sido sometida a pruebas exhaustivas de toxicidad.
Emparejamiento molecular
La membrana catalítica funciona reuniendo las moléculas de PFAS y el hidrógeno altamente reactivo en la superficie del catalizador de paladio. El hidrógeno atraviesa la membrana y es atraído por el paladio, donde las moléculas de hidrógeno gaseoso se dividen en átomos de hidrógeno individuales. Las moléculas de PFAS que se acercan desde el agua circundante también se adhieren a la superficie del paladio.
«El paladio atrae a la molécula de PFAS, y el paladio atrae al hidrógeno y los une», explicó Rittmann.
Con el contaminante y el hidrógeno reactivo uno al lado del otro, el paladio actúa como catalizador, lo que permite una reacción rápida que rompe los resistentes enlaces carbono-flúor.
La forma en que se suministra el hidrógeno también es fundamental. En lugar de limitarse a mezclar hidrógeno con el agua, los investigadores lo introducen desde el interior de la membrana directamente en la base de la capa de paladio.
Este suministro «de dentro hacia fuera» es uno de los avances clave del estudio: la membrana no se limita a capturar los PFAS en su superficie, sino que también suministra el hidrógeno reactivo necesario para descomponer químicamente las moléculas una vez que llegan allí.
Durante casi dos meses, el sistema trató de forma continua agua que contenía una mezcla de seis PFAS. Eliminó más del 90 % de cada compuesto y eliminó aproximadamente el 83 % del flúor en total, lo que demuestra que los contaminantes se descomponían químicamente en lugar de ser simplemente filtrados.
Hacia su aplicación en el mundo real
La prueba de 58 días demostró que el sistema podía funcionar de forma continua, pero trasladar la tecnología a un tratamiento práctico del agua requerirá más trabajo de ingeniería. Un obstáculo práctico es el coste. Rittmann afirmó que reducir la cantidad de paladio necesaria es una de las principales prioridades de investigación del grupo.
«El paladio es caro», señaló. «Cuesta alrededor de 50 000 dólares el kilogramo».
Esta tecnología podría, con el tiempo, complementar los sistemas existentes de eliminación de PFAS. El tratamiento convencional podría concentrar primero los contaminantes de grandes volúmenes de agua en un flujo de residuos más pequeño, que luego podría tratarse para destruir los PFAS en lugar de simplemente almacenarlos o eliminarlos.
La misma plataforma de membranas también podría tener aplicaciones más amplias. El grupo de Rittmann está desarrollando versiones híbridas que combinan nanopartículas de paladio con bacterias que degradan los contaminantes. El paladio y los microbios atacan los contaminantes de diferentes maneras, lo que proporciona al sistema dos vías para descomponerlos. «Hemos demostrado que esto también funciona», afirmó Rittmann.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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