Científicos de la University of Missouri descifran el código para la eliminación de nanoplásticos con un 98% de éxito

En los últimos años, la conciencia sobre los microplásticos ha aumentado drásticamente, lo que ha llevado a científicos e investigadores a investigar formas de eliminarlos. 

Los microplásticos están en todas partes, incluso en las profundidades del océano, donde se acumulan en gran medida sin ser detectados. Además de contaminar los ecosistemas marinos, polares y de agua dulce, los nanoplásticos también se están extendiendo y contaminando el suelo. Tanto las plantas como los sistemas acuáticos, componentes esenciales de la dieta humana, se ven afectados.

Clasificados como ‘contaminantes emergentes’, los microplásticos son contaminantes que solo se reconocieron como tales a partir de la década de 1990. Solo recientemente comenzamos a diferenciar entre microplásticos, que tienen un tamaño de 1 mm a 1 µm, y nanoplásticos, que son aún más pequeños que 1 µm.

Las nanopartículas son tan diminutas que no pueden verse a simple vista; en realidad son más pequeñas que el diámetro de un cabello humano promedio. Este tamaño minúsculo les otorga una capacidad excepcionalmente alta para permeabilizar membranas biológicas.

Estos nanoplásticos no se fabrican solo deliberadamente—generalmente para usar en materiales de relleno baratos y se encuentran en cosméticos, pasta de dientes y productos de cuidado de la piel—sino que también son el resultado de los desechos plásticos que se descomponen en diminutas partículas. En el contexto del volumen de desechos plásticos en el medio ambiente, que se proyecta alcance los 12 mil millones de toneladas para 2050, esto es motivo de preocupación.

Sin mencionar que la estructura molecular de los plásticos los hace altamente persistentes, lo que los convierte en un ingrediente atractivo para varios productos. Sin embargo, esto también significa que los desechos plásticos permanecen en el medio ambiente durante mucho tiempo. El plástico no se descompone; más bien, se desintegra.

Esta desintegración ocurre de varias maneras, incluyendo fragmentación, procesos celulares, radiación ultravioleta y la fuerza del agua. En consecuencia, el plástico ha continuado persistiendo y descomponiéndose en piezas más pequeñas durante décadas. Por ejemplo, un pequeño fragmento de polietileno puede desintegrarse en aproximadamente 1.500 micropartículas o 150.000 partículas nanoplásticas con el tiempo.

Cuanto más pequeñas son las partículas, mayor es el problema. Esto se debe a que las nanopartículas pueden penetrar fácilmente las células de nuestro cuerpo. Las estimaciones sugieren que consumimos hasta 5 gramos de microplásticos cada semana. Mientras tanto, un estudio dirigido por un estudiante de posgrado en química de la Universidad de Columbia utilizó microscopía de dispersión Raman estimulada para descubrir que el 90 % de las partículas en marcas de agua populares en EE. UU. son nanoplásticos, compuestos predominantemente de tereftalato de polietileno (PET) y poliamida.

Además, estas partículas nanoplásticas poseen propiedades como flexibilidad y resistencia a la temperatura y la corrosión, lo que las hace más peligrosas para el medio ambiente de lo que se pensaba anteriormente.

Como hemos informado previamente, su pequeño tamaño también facilita que se ingieran por la fauna silvestre y entren en la cadena alimentaria. Este movimiento ambiental de nanoplásticos a través de la cadena alimentaria genera una toxicidad sustancial en los seres vivos.

En las plantas, estas diminutas partículas pueden penetrar la pared celular y quedar incrustadas dentro del tejido, lo que puede acarrear consecuencias negativas para la seguridad alimentaria y la función ecológica.

En los humanos, los nanoplásticos están vinculados a enfermedades cardiovasculares y respiratorias. Un estudio informó el descubrimiento de polietileno en la placa de la arteria carótida en 150 pacientes. Además, a los pacientes que tenían microplásticos y nanoplásticos en su ateroma (placa) se encontró que tenían un mayor riesgo de presentar una combinación de infarto de miocardio, accidente cerebrovascular o muerte por cualquier causa.

Los efectos negativos de los nanoplásticos incluyen además inflamación, inmunotoxicidad, inhibición del crecimiento, daño oxidativo y cambios en la capacidad conductual. De hecho, los microplásticos están detectados incluso en la placenta humana. Esto muestra cuán omnipresente es esta contaminación artificial y cuán perjudicial es para nuestra salud. 

Dado sus efectos tanto a corto como a largo plazo en los seres vivos, las partículas nanoplásticas se han convertido en una gran preocupación. Sin embargo, el diminuto tamaño de los nanoplásticos significa que los métodos comunes de eliminación como la oxidación o la filtración no son adecuados para abordarlos.

Una solución novedosa para eliminar nanoplásticos del agua

Recientemente, científicos de la University of Missouri lograron la eliminación de nanoplásticos del agua con más del 98 % de eficiencia.

El estudio publicado en ACS Applied Engineering Materials este mes tiene como objetivo desarrollar una solución rentable para eliminar estas diminutas partículas y así poder disponer de agua limpia, lo cual sigue siendo un desafío. Para lograr este resultado, investigadores de la Mizzou University crearon una solución líquida que puede eliminar la gran mayoría de estas partículas plásticas microscópicas del agua. Según la líder del estudio, Piyuni Ishtaweera, una exalumna que realizó este estudio mientras obtenía su doctorado en química nano y de materiales en Mizzou:

Los nanoplásticos pueden alterar los ecosistemas acuáticos e ingresar a la cadena alimentaria, representando riesgos tanto para la vida silvestre como para los humanos.

Actualmente trabaja en la US Food and Drug Administration (FDA) en St. Louis. Añadió:

En términos simples, estamos desarrollando mejores formas de eliminar contaminantes como los nanoplásticos del agua.

Este nuevo método implica el uso de solventes repelentes al agua, que están hechos a partir de ingredientes naturales, seguros y no tóxicos. Además, su capacidad para repeler el agua, lo que ayuda a prevenir cualquier contaminación adicional de las fuentes de agua, los convierte en una “solución altamente sostenible”.

Esto funciona permitiendo que el solvente se asiente en la superficie del agua, como el aceite. Sin embargo, una vez que el solvente se mezcla con el agua y se deja volver a separarse, flota de nuevo a la superficie y transporta nanoplásticos dentro de su estructura molecular.

El equipo de investigadores probó su método innovador para cinco diferentes mediciones de nanoplásticos basadas en poliestireno, un polímero usado para fabricar varios productos de consumo, incluidos los vasos de Styrofoam, que representan 25-35% del total de residuos de vertedero. El mundo produce más de 14 millones de toneladas de Styrofoam al año, y solo en EE. UU. se desechan alrededor de 25 mil millones de vasos de Styrofoam cada año.

Los resultados del estudio de Mizzou superaron los estudios anteriores, que se centraron principalmente en un solo tamaño de partículas plásticas.

Ahora, para eliminar el solvente cargado con nanoplásticos, los investigadores usaron una pipeta en el laboratorio, lo que dejó agua limpia y libre de plástico. Esto se realizó a pequeña escala, pero en el futuro, la idea es ampliar todo el proceso para que el método pueda aplicarse a grandes cuerpos de agua, comenzando con lagos y eventualmente pasando a los océanos. El nuevo método es eficaz no solo en agua dulce sino también en agua salada.

Según el autor correspondiente del estudio, Gary Baker, quien es profesor asociado en el Departamento de Química de Mizzou:

Nuestra estrategia utiliza una pequeña cantidad de solvente diseñado para absorber partículas plásticas de un gran volumen de agua.

Sin embargo, la capacidad de los solventes aún no se comprende bien, señaló Baker, quien añadió que en sus investigaciones futuras, buscarán determinar exactamente esto — la capacidad máxima del solvente. Además, explorarán formas de reciclar los solventes para que puedan ser utilizados una y otra vez “varias veces si es necesario”.

En general, esta solución innovadora ofrece una solución práctica a un problema crítico mientras allana el camino para una mayor investigación y desarrollo en tecnologías avanzadas de purificación de agua.

Desde una perspectiva científica, crear métodos de eliminación eficaces fomenta la innovación en tecnologías de filtración, brinda información sobre el comportamiento de los nanomateriales y respalda el desarrollo de políticas ambientales informadas.

– Ishtaweera

Otros enfoques innovadores para la contaminación por nanoplásticos

Los nanoplásticos han llamado mucho la atención durante los últimos años y con buenas razones. Como detallamos arriba, su propensión a propagarse por el medio ambiente y representar una amenaza para todos los organismos debe convertirse en una prioridad. Esto es especialmente importante ya que estas nanopartículas evaden los procedimientos convencionales para eliminar partículas macro y microplásticas, lo que hace que continúen aumentando en el agua y afecten a la sociedad. 

A lo largo de los años, se han experimentado varios métodos para ofrecer soluciones efectivas que eliminen nanopartículas específicas. Estos incluyen fotocatálisis, separación por membrana con un reactor y degradación basada en microorganismos, además de procedimientos tradicionales como sedimentación por gravedad, floculación y centrifugación.

La filtración con coagulación realmente ha sidoencontrado para ofrecer una eficiencia superior al 99 % en la eliminación de nanoplásticos del agua potable. Pero, por supuesto, persisten limitaciones en cuanto a la escalabilidad de la solución, la gestión de residuos y la eficacia limitada para diferentes tipos de nanoplásticos.

Así que, examinar algunos enfoques introducidos a lo largo de los años para abordar este problema que amenaza la vida humana.

Un método de este tipo ha consistido en usar un marco metal-orgánico basado en cromo para eliminar nanoplásticos de poliestireno (PSNPs). Para ello, Cr-MOF se sintetizó mediante un método hidrotermal usando nitrato de cromo y ácido tereftálico, lo que ofreció a los investigadores una eliminación del 96 % de eficiencia.

Hace algunos años, investigadores de FAU usaron imanes para eliminar diversas tamaños y tipos de partículas plásticas. En la demostración, los investigadores usaron SPIONs, nanopartículas no tóxicas diseñadas para unirse a superficies plásticas y formar aglomerados. Estos fueron luego recogidos con imanes, gracias a su recubrimiento especial de óxido de hierro. Estos SPIONs tenían aproximadamente 30 nm de diámetro y actuaban como pegamento. Más importante aún, las funcionalidades superficiales de los SPIONs podían ajustarse para conectarse a tipos específicos de plásticos. 

Investigadores del Korea Institute of Science and Technology (KIST) por su parte usaron ‘azul de Prusia’ para lograr esta tarea. Curiosamente, la misma sustancia se usa para teñir los vaqueros de un color azul intenso. Así, al desarrollar un floculante sólido, el estudio pudo recolectar nanoplásticos eficazmente bajo irradiación de luz visible. Este método pudo eliminar el 99 % de los microplásticos y limpiar el cesio radiactivo sin requerir equipo adicional, solo con floculantes.

Hace unos meses, investigadores de la University of Waterloo también introdujeron una forma novedosa. Ellos usaron epoxi para eliminar nanoplásticos nocivos con una eficiencia del 94 %. Este polímero de desecho, que no puede ser reprocesado y tiende a infiltrarse en las redes de sistemas de agua, fue convertido en carbón activado por el equipo y luego usado para tratar el agua contaminada.

Tizazu Mekonnen, profesor de Ingeniería Química en Waterloo que lideró la investigación, dijo:

Para acabar con la crisis de residuos plásticos y reducir el impacto ambiental de la producción de plásticos, necesitamos implementar un enfoque de economía circular que considere cada etapa del ciclo del plástico.

También pretende aplicar el procedimiento a otros tipos de plásticos y contaminantes y escalarlo en instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales.

Incluso la inteligencia artificial (IA), que está transformando industrias, está siendo utilizada por investigadores para abordar el problema de las nanopartículas. Un equipo de investigadores de la University of Waterloo creó una herramienta de IA llamada PlasticNet que utiliza aprendizaje profundo y espectroscopía para identificar las “huellas” únicas de estas partículas. 

PlasticNet ha demostrado ser una herramienta exitosa en una planta local de tratamiento de aguas residuales, donde ha demostrado una detección y eliminación mejoradas de microplásticos.

Dada la toxicidad de estas nanopartículas, la identificación precisa de sus tipos es esencial. Después de todo, no todos los plásticos son iguales; pueden ser polietileno, Teflón, poliestireno, cloruro de polivinilo y más. 

Las normas internacionales recomiendan la microscopía electrónica (EM) para la identificación. La EM produce imágenes de nanopartículas, permitiendo la identificación basada en el tamaño. Sin embargo, el análisis automático de imágenes se vuelve problemático cuando las partículas están presentes como agregados o tienen formas complejas.

Así que, un método mejorado ha sido creado para ayudar a la industria de nanomateriales así como a las agencias de protección ambiental y de salud. Al incorporar una función de aprendizaje automático de IA, la herramienta de software de POLLEN Metrology ahora puede “identificar con precisión miles de imágenes de NP en pocos segundos de manera automática y no subjetiva”. La suite de software Smart3 se espera que ayude a acelerar la identificación de nanopartículas potencialmente dañinas.

Además de toda la investigación, incluso organizaciones están intentando encontrar formas y desarrollar tecnologías para abordar el problema de los nanoplásticos. 

Por ejemplo, Polymateria es una empresa que está creando plásticos biodegradables innovadores para que no haya microplásticos ni nanoplásticos desde el principio. 

PureCycle Technologies (PCT ) ha adoptado un enfoque similar para reducir indirectamente la contaminación por nanoplásticos. La empresa, que cerró el segundo trimestre de 2024 con $10.9 millones en efectivo sin restricciones, se centra en reciclar plásticos creando polipropileno reciclado de alta pureza. 

Su revolucionaria tecnología de reciclaje de polipropileno consta de siete etapas de proceso, que incluyen fusión y filtrado (Extrusor de polímero y Filtro de polímero), extracción (Mezclador de polímero/solvente y Columna de extracción), mezcla y sedimentación (Mezclador de polímero y Sedimentador de partículas grandes), filtrado (Filtros de vela), purificación (Columnas), separación (Polipropileno/Solvente y Decantador de producto), y Extrusión y Pelletizado (Extrusor de polímero y Pelletizador de polímero).

También existen esfuerzos como Ocean CleanUp que eliminan plástico de los océanos y están investigando métodos para capturar pequeñas partículas plásticas de grandes cuerpos de agua. Mientras tanto, Anfiro está desarrollando membranas de filtración avanzadas para eliminar una amplia gama de contaminantes, incluidos microplásticos y nanoplásticos. 

Wasser3.0 es otro proyecto convertido en empresa que utiliza un remolino y un gel de sílice híbrido especialmente diseñado para eliminar nanopartículas. Este compuesto, Wasser 3.0 PE-X, funciona como un agente aglutinante para reunir microplásticos en grumos, que ascienden a la superficie y se recogen con un tamiz. 

Hay muchas más empresas y proyectos que están trabajando en crear soluciones mejores, rentables y más avanzadas para eliminar nanopartículas y erradicarlas completamente de nuestro ecosistema, con un enfoque en hacerlas escalables.

Conclusión

Con vertederos y playas oceánicas llenas de objetos plásticos, los nanoplásticos (más pequeños de 0,001 mm) se han vuelto omnipresentes y, como resultado, un peligro para plantas, aves, formas de vida oceánicas y humanos. La exposición a nanopartículas ha sido encontrada que tiene efectos negativos en los seres vivos, convirtiéndose en una preocupación para el medio ambiente y creando una necesidad urgente de resolver este enemigo emergente de la salud humana.

Como resultado, investigadores y organizaciones han estado explorando diversas formas no tradicionales de eliminar estas diminutas partículas, conocidas por su persistencia. Sin embargo, todos estos experimentos están limitados a laboratorios por ahora, y aún no hemos encontrado una solución escalable.

Sin embargo, estos nuevos métodos son un paso significativo en la dirección correcta, abordando el problema omnipresente de la contaminación por nanoplásticos. Además, dado la atención que está recibiendo el problema y el progreso que estamos viendo, nosotros podemos esperar obtener una solución en un futuro cercano que pueda aplicarse a gran escala y de manera eficaz para proporcionarnos agua limpia y ecosistemas más saludables.