Una técnica sencilla podría ser una solución poderosa para eliminar los "productos químicos para siempre".

Los PFAS, un grupo de productos químicos manufacturados de uso común desde la década de 1940, se denominan "productos químicos para siempre" por una razón. 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.

Ahora, unos químicos de la Universidad Northwestern han conseguido lo que parecía imposible. Utilizando bajas temperaturas y reactivos baratos y comunes, el equipo de investigación desarrolló un proceso que hace que dos clases principales de compuestos PFAS se desintegren, dejando sólo productos finales benignos.

Esta sencilla técnica 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.

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La investigación se publicará el 19 de agosto en la revista Science. La AAAS celebrará una conferencia de prensa embargada vía Zoom a las 11 a.m. EDT (EE.UU.) el martes 16 de agosto. Toda la información que se publique durante la rueda de prensa permanecerá embargada hasta las 2 p.m. EDT (EE.UU.) del jueves 18 de agosto. Los periodistas deben inscribirse previamente en el evento y deben estar registrados en EurekAlert! para poder acceder.

"Los PFAS se han convertido en un problema social de primer orden", afirmó William Dichtel, de Northwestern, que dirigió el estudio, "incluso una cantidad ínfima de PFAS 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 no reconocida -; que es nuestra solución".

Dichtel es catedrático de química Robert L. Letsinger en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Brittany Trang, que llevó a cabo el proyecto como parte de su tesis doctoral, recientemente terminada en el laboratorio de Dichtel, es la primera autora del artículo.

La misma categoría que el plomo

Abreviatura de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoradas, los PFAS se utilizan desde hace 70 años como agentes antiadherentes e impermeabilizantes. Se encuentran habitualmente en utensilios de cocina antiadherentes, cosméticos impermeables, espumas contra incendios, tejidos repelentes al agua y productos resistentes a la grasa y el aceite.

Sin embargo, con el paso de los años, los PFAS han salido de los bienes de consumo y han llegado al agua potable e incluso a la sangre del 97% de la población estadounidense. Aunque los efectos sobre la salud aún no se conocen del todo, la exposición a los PFAS 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. Teniendo en cuenta estos efectos nocivos para la salud, la Agencia de Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos (EPA) ha declarado recientemente que varios PFAS no son seguros, ni siquiera a niveles mínimos.

Recientemente, la EPA ha revisado sus recomendaciones para el PFOA, esencialmente a cero. Eso coloca a varios PFAS en la misma categoría que el plomo".

William Dichtel, catedrático de química Robert L. Letsinger en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern

Vínculos irrompibles

Aunque los esfuerzos de la comunidad para filtrar los PFAS del agua han tenido éxito, hay pocas soluciones sobre cómo eliminar los PFAS una vez eliminados. Las pocas opciones que están surgiendo en la actualidad generalmente implican la destrucción de los PFAS 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 PFAS liberaba algunos de estos compuestos al aire", dijo Dichtel, "los compuestos se emitían por las chimeneas y a la comunidad local". Otra estrategia fallida ha sido enterrar los compuestos 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. No se ha resuelto el problema. Sólo has tirado la lata por el camino".

El secreto de la indestructibilidad de los PFAS reside en sus enlaces químicos. El PFAS contiene muchos enlaces carbono-flúor, que son los 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 hay esa 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", explicó Dichtel.

Identificar el talón de Aquiles de los PFAS

Pero, al estudiar los compuestos, el equipo de Dichtel descubrió un punto débil. Los PFAS 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 el PFAS en dimetilsulfóxido -un disolvente poco habitual para la destrucción de PFAS- 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 flúor, 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".

En anteriores intentos de destruir los PFAS, otros investigadores han utilizado altas temperaturas, de hasta 400 grados centígrados. Dichtel está entusiasmado porque la nueva técnica se basa 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 Trang 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 que visitó virtualmente el grupo de Houk, simularon la degradación de los PFAS. Sus cálculos sugieren que los PFAS se descomponen mediante procesos más complejos de lo esperado. Aunque hasta ahora se suponía que los PFAS debían desintegrarse de 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.

"Este resultó ser un conjunto de cálculos muy complejo que desafió a los métodos de mecánica cuántica más modernos y a los ordenadores más rápidos de que disponemos", dijo Houk, distinguido profesor 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. Yuli ha dominado estos métodos computacionales y ha trabajado con Brittany a larga distancia para resolver este problema fundamental pero de gran importancia práctica."

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A continuación, el equipo de Dichtel probará la eficacia de su nueva estrategia en otros tipos de PFAS. En el estudio actual, lograron degradar 10 ácidos perfluoroalquilos carboxílicos (PFCA) y ácidos perfluoroalquilos carboxílicos (PFECA), entre ellos 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 EE.UU. ha identificado más de 12.000 compuestos PFAS.

Aunque esto pueda parecer desalentador, Dichtel mantiene la esperanza.

"Nuestro trabajo se dirigió a una de las mayores clases de PFAS, entre las que se encuentran muchas de las que más nos preocupan", dijo. "Hay otras clases que no tienen el mismo talón de Aquiles, pero cada una tendrá su propia debilidad. Si podemos identificarlo, entonces sabemos cómo activarlo para destruirlo".

Dichtel es miembro del Instituto de Sostenibilidad y Energía del Programa de Plásticos, Ecosistemas y Salud Pública de Northwestern; del Centro de Investigación del Agua y del Instituto Internacional de Nanotecnología