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Un sencillo proceso logra que dos clases de compuestos de PFA se descompongan, dejando sólo productos finales benignos utilizando bajas temperaturas y reactivos baratos y comunes.
Los PFA, un grupo de productos químicos manufacturados de uso común desde la década de 1940, son considerados "productos químicos para siempre" porque las bacterias no pueden comerlos, el fuego no puede incinerarlos y el agua no puede diluirlos. Además, si estos productos químicos tóxicos se entierran, se filtran en el suelo circundante, convirtiéndose en un problema persistente para las generaciones venideras.
La nueva técnica, descrita en Science y con la que los investigadores han conseguido lo que parecía imposible, podría ser una potente solución para eliminar definitivamente estas sustancias químicas nocivas, que están relacionadas con muchos efectos peligrosos para la salud de los seres humanos, el ganado y el medio ambiente.
"Los PFA se han convertido en un problema social de primer orden --recuerda William Dichtel, profesor de química en la Universidad de Northwestern y director del estudio--. Incluso una cantidad ínfima provoca efectos negativos en la salud, y no se descompone. No podemos limitarnos a esperar este problema. Queríamos utilizar la química para abordar este problema y crear una solución que el mundo pueda utilizar. Es emocionante por lo sencilla -aunque desconocida- que es nuestra solución", destaca.
Los PFA, abreviatura de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoradas, se utilizan desde hace 70 años como agentes antiadherentes e impermeabilizantes. Se encuentran habitualmente en los utensilios de cocina antiadherentes, los cosméticos resistentes al agua, las espumas contra incendios, los tejidos repelentes al agua y los productos resistentes a la grasa y el aceite, pero, con el paso de los años, se han introducido en el agua potable e incluso en la sangre del 97% de la población estadounidense.
Aunque los efectos sobre la salud aún no se conocen del todo, la exposición a los PFA está fuertemente asociada a la disminución de la fertilidad, a los efectos sobre el desarrollo de los niños, al aumento del riesgo de varios tipos de cáncer, a la reducción de la inmunidad para combatir las infecciones y al aumento de los niveles de colesterol. Por ello, la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) de Estados Unidos ha declarado recientemente que varios PFAS no son seguros, ni siquiera a niveles mínimos.
Aunque los esfuerzos de las comunidades por filtrar los PFA del agua han tenido éxito, hay pocas soluciones sobre cómo deshacerse de ellos una vez eliminados. Las pocas opciones que están surgiendo ahora implican generalmente la destrucción de los PFA a altas temperaturas y presiones u otros métodos que requieren grandes aportes de energía.
"En el estado de Nueva York, se descubrió que una planta que pretendía incinerar PFA liberaba algunos de estos compuestos al aire --recuerda Dichtel en un comunicado--. Otra estrategia fallida ha sido enterrarlos en vertederos. Cuando se hace eso, básicamente se está garantizando que se tendrá un problema dentro de 30 años porque se va a filtrar lentamente, con lo que no se ha resuelto el problema".
El secreto de la indestructibilidad de los PFA reside en sus enlaces químicos. Los PFA contienen muchos enlaces de carbono-flúor, que son los enlaces más fuertes de la química orgánica. Al ser el elemento más electronegativo de la tabla periódica, el flúor quiere electrones, y mucho. El carbono, en cambio, está más dispuesto a ceder sus electrones.
"Cuando existe ese tipo de diferencia entre dos átomos -y son más o menos del mismo tamaño, como el carbono y el flúor- es la receta para un enlace realmente fuerte", explica Dichtel.
Pero, al estudiar los compuestos, el equipo de Dichtel encontró un punto débil. Los PFA contienen una larga cola de enlaces carbono-flúor que no ceden, pero en un extremo de la molécula hay un grupo cargado que suele contener átomos de oxígeno cargados. El equipo de Dichtel se centró en este grupo principal calentando los PFA en dimetilsulfóxido -un disolvente poco habitual para la destrucción de PFA- con hidróxido de sodio, un reactivo habitual. El proceso 'decapitó' el grupo principal, dejando una cola reactiva.
"Eso desencadenó todas estas reacciones, y empezó a escupir átomos de flúor de estos compuestos para formar fluoruro, que es la forma más segura de flúor --asegura Dichtel--. Aunque los enlaces carbono-flúor son súper fuertes, ese grupo de cabeza cargado es el talón de Aquiles".
En anteriores intentos de destruir los PFA, otros investigadores han utilizado altas temperaturas, de hasta 400 grados centígrados. A Dichtel le entusiasma que la nueva técnica se base en condiciones más suaves y en un reactivo sencillo y barato, lo que hace que la solución sea potencialmente más práctica para su uso generalizado.
Tras descubrir las condiciones de degradación de los PFAS, Dichtel y Brittany Trang, que llevó a cabo el proyecto como parte de su tesis doctoral en el laboratorio de Dichtel y coautora del artículo, también descubrieron que los contaminantes fluorados se descomponen mediante procesos diferentes a los que se suponen generalmente.
Utilizando potentes métodos computacionales, los colaboradores Ken Houk, de la UCLA, y Yuli Li, un estudiante de la Universidad de Tianjin (China) que visitó virtualmente el grupo de Houk, simularon la degradación de los PFA. Sus cálculos sugieren que los PFA se descomponen mediante procesos más complejos de lo esperado.
Aunque hasta ahora se suponía que los PFA debían desintegrarse a un carbono por vez, la simulación demostró que en realidad se desintegran de a dos o tres carbonos por vez, un descubrimiento que coincide con los experimentos de Dichtel y Trang. Al comprender estas vías, los investigadores pueden confirmar que sólo quedan productos benignos. Este nuevo conocimiento también podría ayudar a orientar nuevas mejoras del método.
"Se trata de una serie de cálculos muy complejos que han puesto a prueba los métodos de mecánica cuántica más modernos y los ordenadores más rápidos de los que disponemos", afirma Houk, catedrático de investigación en química orgánica.
"La mecánica cuántica es el método matemático que simula toda la química, pero sólo en la última década hemos sido capaces de enfrentarnos a grandes problemas mecanicistas como éste, evaluando todas las posibilidades y determinando cuál puede ocurrir a la velocidad observada --prosigue--. Yuli ha dominado estos métodos computacionales y ha trabajado con Brittany a larga distancia para resolver este problema fundamental, pero de gran importancia práctica".
A continuación, el equipo de Dichtel probará la eficacia de su nueva estrategia en otros tipos de PFA. En el estudio actual, degradaron con éxito 10 ácidos perfluoroalquilos carboxílicos (PFCA) y ácidos perfluoroalquilos carboxílicos (PFECA), incluido el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y uno de sus sustitutos comunes, conocido como GenX, dos de los compuestos PFAS más destacados. Sin embargo, la EPA de Estados Unidos ha identificado más de 12.000 compuestos PFA.
Aunque esto pueda parecer desalentador, Dichtel mantiene la esperanza. "Nuestro trabajo aborda una de las mayores clases de PFA, entre las que se encuentran muchas de las que más nos preocupan --subraya--. Hay otras clases que no tienen el mismo talón de Aquiles, pero cada una tendrá su propio punto débil. Si podemos identificarlo, entonces sabemos cómo activarlo para destruirlo”, asegura.