Si está desesperado por los informes recientes de que las fuentes de agua de la Tierra han sido completamente infestadas con químicos peligrosos hechos por el hombre llamados PFAS que pueden durar miles de años, haciendo que incluso el agua de lluvia sea insegura para beber, hay buenas noticias.
Químicos de la UCLA y la Universidad Northwestern han desarrollado una forma sencilla de descomponer casi una docena de tipos de estos «químicos para siempre» casi indestructibles a temperaturas relativamente bajas sin subproductos nocivos.
En un artículo publicado hoy en la revista Cienciaslos investigadores muestran que en agua calentada a solo 176 a 248 grados Fahrenheit, los solventes y reactivos comunes y económicos cortaron los enlaces moleculares en PFAS que se encuentran entre los más fuertes conocidos e iniciaron una reacción química que «mordisqueó gradualmente la molécula» hasta que fue desaparecido, dijo el distinguido profesor de investigación de la UCLA y coautor correspondiente Kendall Houk.
La tecnología simple, las temperaturas comparativamente bajas y la falta de subproductos dañinos significan que no hay límite para la cantidad de agua que se puede procesar a la vez, agregó Houk. La tecnología eventualmente podría facilitar que las plantas de tratamiento de agua eliminen las PFAS del agua potable.
Las sustancias per- y polifluoroalquilo (PFAS para abreviar) son una clase de alrededor de 12,000 químicos sintéticos que se han utilizado desde la década de 1940 en utensilios de cocina antiadherentes, maquillaje a prueba de agua, champús, productos electrónicos, empaques de alimentos y muchos otros productos. Contienen un enlace entre los átomos de carbono y flúor que nada en la naturaleza puede romper.
Cuando estos productos químicos se filtran al medio ambiente a través de la fabricación o el uso diario de productos, se vuelven parte del ciclo del agua de la Tierra. Durante los últimos 70 años, los PFAS han contaminado prácticamente cada gota de agua del planeta, y su fuerte enlace carbono-flúor les permite pasar a través de la mayoría de los sistemas de tratamiento de agua completamente ilesos. Pueden acumularse en los tejidos de las personas y los animales con el tiempo y causar daños de formas que los científicos apenas comienzan a comprender. Ciertos cánceres y enfermedades de la tiroides, por ejemplo, están asociados con PFAS.
Por estas razones, encontrar formas de eliminar las PFAS del agua se ha vuelto particularmente urgente. Los científicos están experimentando con muchas tecnologías de remediación, pero la mayoría de ellas requieren temperaturas extremadamente altas, productos químicos especiales o luz ultravioleta y, a veces, producen subproductos que también son dañinos y requieren pasos adicionales para eliminarlos.
Llevando a PFAS a la guillotina
El profesor de química de Northwestern William Dichtel y la estudiante de doctorado Brittany Trang notaron que mientras que las moléculas de PFAS contienen una «cola» larga de enlaces de carbono-flúor obstinados, su grupo de «cabeza» a menudo contiene átomos de oxígeno cargados, que reaccionan fuertemente con otras moléculas. El equipo de Dichtel construyó una guillotina química calentando el PFAS en agua con dimetilsulfóxido, también conocido como DMSO, e hidróxido de sodio, o lejía, que cortó la cabeza y dejó una cola reactiva expuesta.
«Eso desencadenó todas estas reacciones y comenzó a expulsar átomos de flúor de estos compuestos para formar fluoruro, que es la forma más segura de flúor», dijo Dichtel. «Aunque los enlaces carbono-flúor son súper fuertes, ese grupo de cabeza cargado es el talón de Aquiles».
Pero los experimentos revelaron otra sorpresa: las moléculas no parecían desmoronarse de la forma en que la sabiduría convencional decía que deberían hacerlo.
Para resolver este misterio, Dichtel y Trang compartieron sus datos con los colaboradores Houk y el estudiante de la Universidad de Tianjin, Yuli Li, quien estuvo trabajando en el grupo de Houk de forma remota desde China durante la pandemia. Los investigadores esperaban que las moléculas de PFAS se desintegraran un átomo de carbono a la vez, pero Li y Houk realizaron simulaciones por computadora que mostraron que dos o tres moléculas de carbono se desprendieron de las moléculas simultáneamente, tal como Dichtel y Tang habían observado experimentalmente.
Las simulaciones también mostraron que los únicos subproductos deberían ser el fluoruro, que a menudo se agrega al agua potable para prevenir la caries dental, el dióxido de carbono y el ácido fórmico, que no es dañino. Dichtel y Trang confirmaron estos subproductos predichos en experimentos posteriores.
«Esto resultó ser un conjunto de cálculos muy complejo que desafió los métodos mecánicos cuánticos más modernos y las computadoras más rápidas disponibles para nosotros», dijo Houk. «La mecánica cuántica es el método matemático que simula toda la química, pero solo en la última década hemos podido abordar grandes problemas mecanicistas como este, evaluando todas las posibilidades y determinando cuál puede ocurrir a la velocidad observada».
Li, dijo Houk, ha dominado estos métodos computacionales y trabajó a larga distancia con Trang para resolver el problema fundamental pero prácticamente significativo.
El trabajo actual degradó 10 tipos de ácidos carboxílicos de perfluoroalquilo (PFCA) y ácidos carboxílicos de éter de perfluoroalquilo (PFECA), incluido el ácido perfluorooctanoico (PFOA). Los investigadores creen que su método funcionará para la mayoría de las PFAS que contienen ácidos carboxílicos y esperan que ayude a identificar puntos débiles en otras clases de PFAS. Esperan que estos resultados alentadores conduzcan a más investigaciones que prueben métodos para erradicar los miles de otros tipos de PFAS.
El estudio, «Mineralización a baja temperatura de los ácidos perfluorocarboxílicos», fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias.
