Un nuevo método de descontaminación del agua aúna compuestos de bajo costo y energía solar

Investigadores de la Universidad de São Paulo y un colaborador nigeriano desarrollan una solución sencilla y barata que elimina incluso bacterias multirresistentes. Arcilla, semillas de papaya y cáscaras de bananas se encuentran entre las materias primas que el grupo utilizó

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las enfermedades asociadas a la contaminación del agua constituyen una de las mayores causas de morbilidad y mortalidad a escala global. Y el acceso al agua potable está disminuyendo debido al progresivo desechado de contaminantes domiciliarios, agrícolas, industriales y hospitalarios en el medio ambiente. Los microorganismos nocivos, nitratos, fosfatos, fluoruros, hidrocarburos policíclicos aromáticos y metales pesados –tales como cadmio, mercurio y plomo– se encuentran entre los principales agentes contaminantes.

De acuerdo con una estimación de la Organización Mundial de la Salud (OMS), alrededor de 2.000 millones de personas toman agua contaminada con materia fecal. Y peor aún es la contaminación del agua con cepas de bacterias resistentes a múltiples fármacos y metales, seleccionadas debido al desechado indiscriminado de antibióticos en el medio ambiente.

En ese marco, la investigación de formas seguras y baratas de descontaminación del agua se ha convertido en una necesidad perentoria, fundamentalmente en los países subdesarrollados o en desarrollo. Un estudio llevado a cabo en el Laboratorio de Espectroscopía de Materiales Funcionales (Lemaf), del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en Brasil, en colaboración con el African Centre of Excellence for Water and Environmental Research (Acewater), de Nigeria, arrojó resultados prometedores en tal sentido.

Este trabajo estuvo coordinado por Andréa de Camargo y Hellmut Eckert, docentes del IFSC-USP, como así también por Emmanuel Unuabonah, director del Acewater y docente de la Redeemer's University, de Nigeria. El grupo contó con el apoyo de la FAPESP mediante una Ayuda de Investigador Visitante, que hizo posible una visita científica de tres meses del profesor Unuabonah al IFSC-USP. Y también a través del Centro de Enseñanza, Investigación e Innovación en Vidrios (CeRTEV), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) apoyados por la FAPESP. Los aportes de otras instituciones permitieron que dos alumnos del profesor Unuabonah también realizasen pasantías en la USP de São Carlos.

“La fotocatálisis es la forma más eficiente de descontaminación del agua. Nosotros desarrollamos un método que utiliza nanocompuestos fotocatalíticos basados en precursores de bajo costo, abundantes en los países del África subsahariana y también en Brasil, y radiación solar, lo que brinda una solución sostenible para regiones en las cuales el abastecimiento de energía eléctrica estable constituye un problema extra. Al interactuar con la radiación solar, el material libera especies reactivas de oxígeno como el oxígeno singlete, que destruye microorganismos y degrada residuos de antibióticos y efluentes agrícolas”, le dice De Camargo a Agência FAPESP.

Para producir los nanocompuestos, los investigadores utilizaron como precursores arcilla (caolinita), semillas de papaya o cáscaras de banana (como fuentes de carbono) y sales de metales (cloruro de cobre o cloruro de zinc). La proporción en peso fue de uno en uno en dos (1:1:2) para los híbridos dopados con cobre o zinc individualmente. Y de uno en uno en uno en dos (1:1:1:2) para los híbridos dopados con cobre y zinc simultáneamente.

“Los nanocompuestos formados por caolinita, semillas de papaya, cobre y zinc se mostraron eficientes para la purificación del agua contaminada con Escherichia coli resistente a múltiples drogas y metales”, afirma De Camargo.

En la producción de los nanocompuestos se combinaron diversas técnicas de laboratorio: solución, agitación continua, secado, calcinación, esterilización, lavado y segundo secado. “El material resultante se empaquetó en columnas de vidrio previamente esterilizadas. El agua contaminada entra por un extremo de la columna, atraviesa el material en presencia de luz solar y sale descontaminada en el otro extremo”, resume la investigadora.

En el estudio se identificaron tres mecanismos de desinfección, dependiendo del compuesto estudiado: la interacción electrostática, identificada para el compuesto dopado con zinc, cuando las cargas superficiales positivas interactúan fuertemente con los grupos carboxílicos de las paredes celulares de las bacterias, llevándolas a adherirse a las superficies del compuesto; la toxicidad metálica, identificada en mayor o menor escala para los tres compuestos testeados, y la fotocatálisis, con la generación de oxígeno singlete a partir del oxígeno molecular en presencia de la luz solar y la oxidación de lípidos y proteínas alrededor de las membranas celulares de las bacterias, que lleva a su destrucción.

“Pese a que se identificaron los tres mecanismos, aún no está claro si suceden simultánea o secuencialmente. En todo caso, la prueba de concepto está dada: se utilizaron eficientemente materiales híbridos nanocompuestos basados en precursores de bajo costo para la desinfección de agua contaminada con bacterias multirresistentes”, subraya De Camargo.

La investigadora llama la atención al respecto del hecho de que los residuos de cobre y zinc presentes en el agua tratada no resultan perjudiciales para el consumo humano. “Al considerar el consumo diario promedio de los adultos sanos, que es de tres litros y medio, los residuos de cobre y zinc presentes en el agua tratada, de 0,8 miligramo y de 0,51 miligramo por litro respectivamente, se ubican por debajo del máximo recomendado por la Organización Mundial de Salud”, dice.

Además de la referida composición, el grupo analizó también otras composiciones posibles. “Nanocompuestos de caolinita, cáscaras de bananas, tungstato de sodio y dióxido de titanio fueron efectivos para la fotodegradación de los antibióticos ampicilina y sulfametoxazol y del fármaco antipalúdico arteméter. Compuestos heteroestructurados, tipo ZnO/grafeno o F₂O₃/grafeno, con soporte en arcilla con capas de carbono proveniente de semillas de papaya, promovieron la remoción de esteroides estrogénicos”, informa De Camargo.

Este estudio ya ha motivado la publicación de cuatro artículos en revistas especializadas: Visible-Light-Mediated Photodynamic Water Disinfection @ Bimetallic-Doped Hybrid Clay Nanocomposites; Solar-active clay-TiO₂ nanocomposites prepared via biomass assisted synthesis: Efficient removal of ampicillin, sulfamethoxazole and artemether from water; Tuning ZnO/GO p-n heterostructure with carbon interlayer supported on clay for visible-light catalysis: Removal of steroid estrogens from water, y Carbon-mediated visible-light clay-Fe₂O₃–graphene oxide catalytic nanocomposites for the removal of steroid estrogens from water.