Contaminantes de origen farmacéutico en cursos de agua, un nuevo enfoque para un problema sin fronteras

Uno de los grandes desafíos que afronta nuestra generación es el desarrollo sostenible. El panorama actual de cambio climático global asociado a una profunda degradación ambiental es el resultado de una sociedad orientada a producir, consumir y descartar, sin tener en cuenta otros factores que no sean los económicos. Esta situación de explotación de los recursos naturales hace acuciante la necesidad de introducir un cambio en el modelo económico, basado en criterios de producción y consumo sostenibles, que limite la utilización de recursos no renovables y privilegie el aprovechamiento, la reutilización y el reciclado de los recursos disponibles.

En este sentido el acceso al agua potable, recurso vital para el desarrollo de la vida, se convierte en un problema de escala mundial. El último informe de las Naciones Unidas estima que alrededor de 2.000 millones de personas no tienen acceso al agua potable y más del doble carecen de acceso a servicios de saneamiento y/o potabilización del agua (UNESCO, ONU-Agua, 2020: Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos).

Todo esto unido al rápido crecimiento de la población mundial y al actual patrón de consumo acelerado de la sociedad actual han provocado un deterioro importante de la calidad del agua y de los recursos hídricos. En la década de 1990, el desarrollo de técnicas analíticas de detección más sensible permitió constatar el deterioro de la calidad de los recursos hídricos a nivel mundial y alertar acerca de la aparición de nuevos contaminantes (contaminantes emergentes) en el agua. Se trata de sustancias cuya presencia en el medio acuático no es necesariamente nueva, o cuyo efecto nocivo al medio acuático no es reconocido como tal, pero sí la preocupación por las posibles consecuencias al ambiente.

Entre ellos se destacan los fármacos, productos de cuidado y de higiene personal, pesticidas, hormonas, compuestos perfluorados, microplásticos, etc. Estos compuestos plantean un doble reto ambiental, ya que en su mayoría son refractarios (no fácilmente degradables por los tratamientos convencionales de aguas residuales), se presentan en concentraciones bajas (aunque se introducen de manera continua en el ambiente), y al no estar incluidos en la lista de contaminantes prioritarios utilizados para definir índices de calidad del agua, su presencia en los recursos hídricos pasa inadvertida.

Uruguay no es ajeno a esta situación, en el año 2018 un estudio publicado en la revista especializada Environmental Pollution (Rojo et al., 2018) indicaba la presencia de productos de uso farmacéutico en tres especies comestibles del Río Uruguay, donde se detectaron 16 drogas entre las 17 testeadas. Si bien se aclara que las cantidades encontradas no revisten peligrosidad para su consumo, hace un llamado de atención sobre la necesidad de tomar medidas para evitar que se siga dando esta situación.

En un esfuerzo por revertir este escenario, Uruguay ha venido trabajando de forma exhaustiva, formando parte- entre otras acciones- de los países firmantes de la hoja de ruta de las Naciones Unidas para alcanzar un equilibrio entre sociedad, ambiente, economía y desarrollo tecnológico, la Agenda 2030 (un.org/sustainabledevelopment).

Uno de los puntos principales de los Objetivos de Desarrollo Sostenible es el 12 (ODS 12) que establece la necesidad de hacer un uso eficiente de los recursos naturales, mediante actividades de reciclado y reutilización que reduzcan asimismo el impacto de su transformación sobre el ambiente. Una de las posibles acciones para alcanzar este objetivo se centra en la revalorización de recursos naturales en productos de alto valor agregado, empleando procesos de producción más eficientes y respetuosos con el ambiente. El conocimiento y la gestión de los residuos locales se convierten por tanto en estrategias clave para impulsar y recorrer el camino de transición hacia una sociedad sostenible.

El sector ovino es uno de los impulsores del desarrollo económico de Uruguay, quinto país exportador de carne ovina del mundo y tercero en lana peinada, con un mercado de exportación de lana en 2018 superior a los 325 millones de dólares (sul.org.uy). La producción de residuos de lana de baja calidad es por tanto elevada, y su aprovechamiento y reciclado en productos de alto valor añadido se convierte en una estrategia clave para impulsar la económica circular del país. Se plantea así su empleo como precursor natural para la fabricación de fibras de carbon activado (FCA) y su posterior uso en adsorción de contaminantes de origen farmacéutico.

El Área de Fisicoquímica de la Facultad de Química de la Universidad de la República, a través de su grupo de investigación especializado en el desarrollo de materiales porosos con aplicación en remediación ambiental, ha venido trabajando desde hace años diseñando materiales funcionales a partir de residuos agroindustriales, específicamente carbones activados en diferentes presentaciones. Una de sus líneas de trabajo más recientes se enfoca en el uso de materiales fibrosos por la alta versatilidad que presentan a la hora de su utilización, siendo la lana de oveja uno de los precursores más estudiados (Pina et al., 2021) generando varios proyectos de investigación con diversas aplicaciones y varias colaboraciones con institutos extranjeros (INPE, CNRS).

Puesto que la presencia de contaminantes emergentes en cursos de agua es un problema ya instaurado en nuestro medio, los últimos estudios se centraron en el uso de FCA en adsorción de drogas en medio acuoso. Los carbones activados, son estructuras carbonosas y porosas con la capacidad de retener contaminantes en su interior cuando entran en contacto con estos, haciéndolos materiales muy utilizados en procesos de remediación medioambiental.

Las FCA se obtienen sometiendo la lana a un tratamiento térmico de varias etapas y diferentes atmósferas (estabilización en aire, carbonización en N2 y activación en CO2); el material final conserva la morfología fibrosa en la forma de fibras huecas. Esto último favorece los procesos de adsorción porque permite una rápida difusión de las moléculas resultando en un fácil acceso a los sitios activos del material, lugar donde efectivamente se lleva a cabo el proceso de adsorción. Son altamente microporosas (Ø < 2 nm) con poros del tipo de rendija, y con elevadas áreas superficiales (~ 1400 m2g-1). Su superficie presenta un pH del punto de carga cero en el entorno de 8, detalle particularmente importante cuando se adsorben moléculas cargadas.

El criterio de selección de las drogas a testear se basó en lo masivo de su consumo, y en la persistencia en el medio acuático en el que actúan magnificando los efectos adversos por bioacumulación y biomagnificación. Se seleccionaron dos analgésicos de consumo masivo – paracetamol y cafeína- esta última muy utilizada como indicador de actividades antropogénicas, y dos antibióticos persistentes en medios acuáticos – sulfametoxazol y metronidazol-, el primero agregado en el 2020 al European Surface Watch List (https://eur-lex.europa.eu).

Para los cuatro compuestos se realizaron estudios cinéticos y termodinámicos de adsorción para diferentes pH – dentro del rango habilitado por la normativa nacional (Decreto Nro. 253/979) y fuerza iónica (FI) del medio. Los experimentos se realizaron en batch, a temperatura ambiente y sin corrección de pH. En todos los casos se utilizaron 50 mL de la solución problema, con 20 mg del material adsorbente y se dejó agitando el tiempo establecido por los estudios cinéticos.

Los experimentos realizados demostraron versatilidad en las capacidades de adsorción dependiendo de la droga utilizada, siguiendo en todos los casos un comportamiento termodinámico de adsorción de tipo Langmuir, según el cual se formaría una monocapa de adsorbato y no existirían sitios de adsorción preferenciales. La adsorción de sulfametoxasol varía con el pH, ya que es una molécula compleja con dos pKa, por lo que su carga es positiva, negativa o neutra según el pH del medio. El pH siempre fue superior a 5,5; a ese valor la molécula está desprotonada (carga negativa), mientras que las FCA tienen su superficie cargada positivamente, favoreciendo el proceso de adsorción. Se observó que un aumento en la FI del medio anula la adsorción de la droga. El metronidasol no se vio afectado por variaciones de pH, pero sí por un aumento de la fuerza iónica del medio (partículas cargadas disueltas en solución), disminuyendo sensiblemente la cantidad adsorbida.

Los analgésicos presentaron buenas capacidades de adsorción, viéndose afectada su adsorción por la variación de la FI del medio, pero no tanto por la variación de pH. Los estudios en competencia demostraron que la presencia de una segunda droga en el medio afecta la adsorción debido a la introducción de un factor de interacción del tipo electrostático.

Si bien todavía queda mucho por hacer y aprender, los resultados obtenidos hasta el momento demuestran que el material seleccionado es una buena opción a la hora de pensar en desarrollar un adsorbente para esta clase de contaminantes emergentes. No se descartan otros materiales también disponibles en el ámbito nacional y la aplicación de funcionalizaciones específicas, siempre con el objetivo último de la aplicación en el mejoramiento de la calidad de nuestras aguas.

“Cualquier cosa en la que estés interesado no va a suceder si no puedes respirar buen aire y tomar agua limpia”.
Carl Sagan