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La contaminación del agua por los productos químicos que se utilizan en la tecnología actual es un problema que crece rápidamente a nivel mundial. Un  estudio reciente de los Centros para el Control y Prevención de Enfermedades de Estados Unidos determinó que el 98 por ciento de las personas analizadas tenían niveles detectables de PFAS, una familia de compuestos especialmente duraderos también conocidos como “químicos permanentes”, en el torrente sanguíneo.

Un nuevo material de filtración desarrollado por investigadores del MIT podría proporcionar una solución natural a este persistente problema de contaminación. El material, basado en seda natural y celulosa, puede eliminar una amplia variedad de estos productos químicos persistentes, así como metales pesados. Además, sus propiedades antimicrobianas pueden ayudar a evitar que los filtros se ensucien.

Los hallazgos se describen en la revista ACS Nano, en un artículo del investigador postdoctoral del MIT Yilin Zhang, el profesor de ingeniería civil y ambiental Benedetto Marelli y otr

Los PFAS están presentes en una amplia gama de productos, incluidos los cosméticos, los envases de alimentos, la ropa resistente al agua, las espumas ignífugas y los revestimientos antiadherentes para utensilios de cocina. Un estudio reciente identificó 57.000 sitios contaminados por estos productos químicos solo en los EE. UU. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. ha estimado que la remediación de los PFAS costará 1.500 millones de dólares al año para cumplir con  las nuevas regulaciones que exigen limitar el compuesto a menos de 7 partes por billón en el agua potable.

La contaminación por PFAS y compuestos similares “es un problema muy grave y las soluciones actuales sólo pueden resolverlo parcialmente de manera eficiente o económica”, afirma Zhang. “Por eso hemos ideado esta solución totalmente natural, basada en proteínas y celulosa”, afirma.

“Llegamos al proyecto por casualidad”, señala Marelli. La tecnología inicial que hizo posible el material de filtración fue desarrollada por su grupo con un propósito completamente ajeno: como una forma de crear un sistema de etiquetado para contrarrestar la propagación de semillas falsificadas, que a menudo son de calidad inferior. Su equipo ideó una forma de procesar las proteínas de la seda en cristales uniformes a escala nanométrica, o “nanofibrillas”, mediante un método de vertido en agua a temperatura ambiente, inocuo para el medio ambiente.

Zhang sugirió que su nuevo material nanofibrilar podría ser eficaz para filtrar contaminantes, pero los intentos iniciales con las nanofibrillas de seda por sí solas no funcionaron. El equipo decidió probar añadiendo otro material: celulosa, que está disponible en abundancia y se puede obtener a partir de residuos de pulpa de madera agrícola. Los investigadores utilizaron un método de autoensamblaje en el que la proteína fibroína de seda se suspende en agua y luego se moldea en nanofibrillas insertando "semillas" de nanocristales de celulosa. Esto hace que las moléculas de seda previamente desordenadas se alineen a lo largo de las semillas, formando la base de un material híbrido con nuevas propiedades distintivas.

Al integrar celulosa en las fibrillas de seda que podrían formarse en una membrana delgada y luego ajustar la carga eléctrica de la celulosa, los investigadores produjeron un material que fue altamente efectivo para eliminar contaminantes en pruebas de laboratorio.

A la izquierda, la imagen nanoscópica muestra que el filtro tiene solo 500 nm de espesor. Dos fotografías muestran que el prototipo de filtro circular también es flexible.

Al integrar celulosa en las fibrillas de seda que se pueden formar en una membrana fina y luego ajustar la carga eléctrica de la celulosa, los investigadores produjeron un material que resultó muy eficaz para eliminar contaminantes en pruebas de laboratorio. En la imagen se muestra un ejemplo del filtro. Imagen: Cortesía de los investigadores

La carga eléctrica de la celulosa, según descubrieron, también le confiere fuertes propiedades antimicrobianas, lo que supone una ventaja importante, ya que una de las principales causas de fallo de las membranas de filtración es la acumulación de suciedad por bacterias y hongos. Las propiedades antimicrobianas de este material deberían reducir en gran medida ese problema de suciedad, afirman los investigadores.

“Estos materiales pueden competir realmente con los materiales estándar actuales en la filtración de agua en lo que se refiere a la extracción de iones metálicos y estos contaminantes emergentes, y también pueden superar a algunos de ellos en la actualidad”, afirma Marelli. En pruebas de laboratorio, los materiales pudieron extraer órdenes de magnitud más de contaminantes del agua que los materiales estándar que se utilizan actualmente, el carbón activado o el carbón activado granular.

Si bien el nuevo trabajo sirve como prueba de principio, dice Marelli, el equipo planea seguir trabajando para mejorar el material, especialmente en términos de durabilidad y disponibilidad de materiales de origen. Si bien las proteínas de seda utilizadas pueden estar disponibles como subproducto de la industria textil de la seda, si este material se ampliara para abordar las necesidades globales de filtración de agua, el suministro podría ser insuficiente. Además, es posible que los materiales proteínicos alternativos desempeñen la misma función a un costo menor.

En un principio, el material se utilizaría probablemente como filtro en el punto de uso, algo que se podría conectar a un grifo de cocina, dice Zhang. Con el tiempo, se podría ampliar para proporcionar filtración para suministros de agua municipales, pero solo después de que las pruebas demuestren que esto no plantearía ningún riesgo de introducir contaminación en el suministro de agua. Pero una gran ventaja del material, dice, es que tanto la seda como los componentes de celulosa se consideran sustancias de calidad alimentaria, por lo que es poco probable que haya contaminación.

“La mayoría de los materiales disponibles actualmente se centran en una clase de contaminantes o en la solución de problemas concretos”, afirma Zhang. “Creo que somos de los primeros en abordar todos estos problemas simultáneamente”.

“Lo que me encanta de este enfoque es que utiliza únicamente materiales naturales, como la seda y la celulosa, para combatir la contaminación”, afirma Hannes Schniepp, profesor de ciencias aplicadas en el College of William and Mary, que no participó en este trabajo. “En otros enfoques se utilizan materiales sintéticos, que normalmente requieren solo más química para combatir algunos de los efectos adversos que la química ha producido. [Este trabajo] rompe este ciclo... Si se puede producir en masa de una manera económicamente viable, podría tener un gran impacto”.

El equipo de investigación estuvo integrado por los posdoctorados del MIT Hui Sun y Meng Li, el estudiante de posgrado Maxwell Kalinowski y el recién graduado Yunteng Cao PhD ´22, ahora un posdoctorado en la Universidad de Yale. El trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de los EE. UU. y la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología.

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