Contaminación por fosfato en los ríos, lagos y otras vías fluviales ha alcanzado niveles peligrosos, provocando la proliferación de algas que privan de oxígeno a los peces y las plantas acuáticas. Mientras tanto, los agricultores de todo el mundo están aceptando una reserva cada vez menor de fertilizantes fosfatados que alimentan a la mitad del suministro mundial de alimentos.

Inspirado por los muchos cuerpos de agua cercanos de Chicago, un equipo dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una forma de eliminar y reutilizar repetidamente el fosfato de las aguas contaminadas. Los investigadores comparan el desarrollo con una "navaja suiza" para la remediación de la contaminación, ya que adaptan su membrana para absorber y luego liberar otros contaminantes.

La investigación se publicará durante la semana del 31 de mayo en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .

El fósforo sustenta tanto el sistema alimentario del mundo como toda la vida en la tierra. Todos los organismos vivos del planeta lo necesitan:el fósforo está en las membranas celulares, el andamiaje del ADN y en nuestro esqueleto. Aunque otros elementos clave como el oxígeno y el nitrógeno se pueden encontrar en la atmósfera, el fósforo no tiene análogo. La pequeña fracción de fósforo utilizable proviene de la corteza terrestre, que tarda miles o incluso millones de años en desaparecer. Y nuestras minas se están acabando.

Un artículo de 2021 en The Atlantic de Julia Rosen citó el ensayo de Isaac Asimov de 1939, en el que el escritor y químico estadounidense denominó al fósforo "el cuello de botella de la vida".

Dada la escasez de este recurso natural no renovable, Es tristemente irónico que muchos de nuestros lagos estén sufriendo un proceso conocido como eutrofización, que ocurre cuando demasiados nutrientes ingresan a una fuente de agua natural. A medida que se acumula el fosfato y otros minerales, la vegetación acuática y las algas se vuelven demasiado densas, agotando el oxígeno del agua y finalmente acabando con la vida acuática.

"Solíamos reutilizar el fosfato mucho más, "dijo Stephanie Ribet, el primer autor del artículo. "Ahora simplemente lo sacamos del suelo, Úselo una vez y tírelo a las fuentes de agua después de su uso. Entonces, es un problema de contaminación, un problema de sostenibilidad y un problema de economía circular ".

Los ecologistas e ingenieros han desarrollado tradicionalmente tácticas para abordar las crecientes preocupaciones ambientales y de salud pública en torno al fosfato al eliminar el fosfato de las fuentes de agua. Solo recientemente se ha cambiado el énfasis de la eliminación a la recuperación de fosfato.

"Siempre se pueden hacer ciertas cosas en un laboratorio, "dijo Vinayak Dravid, autor correspondiente del estudio. "Pero hay un diagrama de Venn cuando se trata de escalar, donde necesita poder escalar la tecnología, desea que sea eficaz y asequible. No había nada en esa intersección de los tres anteriores, pero nuestra esponja parece ser una plataforma que cumple con todos estos criterios ".

Dravid es el profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, el director fundador del Centro Experimental de Caracterización Atómica y Nanoescala de la Universidad Northwestern (NUANCE), y director del Recurso Experimental de Nanotecnología Suave e Híbrida (SHyNE). Dravid también se desempeña como director de iniciativas globales del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern. Ribet es un Ph.D. estudiante en el laboratorio de Dravid y primer autor del artículo.

La membrana ligera de eliminación y recuperación de fosfato (PEARL) del equipo es una membrana porosa, sustrato flexible (como una esponja revestida, tela o fibras) que secuestra selectivamente hasta el 99% de los iones fosfato del agua contaminada. Recubierto con nanoestructuras que se unen al fosfato, La membrana PEARL se puede ajustar controlando el pH para absorber o liberar nutrientes para permitir la recuperación de fosfato y la reutilización de la membrana durante muchos ciclos.

Los métodos actuales para eliminar el fosfato se basan en complejos, largo, métodos de varios pasos. La mayoría de ellos tampoco recuperan el fosfato durante la eliminación y, en última instancia, generan una gran cantidad de desechos físicos. La membrana PEARL proporciona un proceso simple de un solo paso para eliminar el fosfato que también lo recupera de manera eficiente. También es reutilizable y no genera residuos físicos.

Usando muestras del Distrito de Recuperación de Agua de Chicago, los investigadores probaron su teoría con la complejidad añadida de muestras de agua reales.

"A menudo llamamos a esto una 'solución a nanoescala para un problema de gigatoneladas, '", Dijo Dravid." En muchos sentidos, las interacciones a nanoescala que estudiamos tienen implicaciones para la remediación a nivel macro ".

El equipo ha demostrado que el enfoque basado en esponjas es eficaz en escalas, que van desde miligramos hasta kilogramos, sugiriendo la promesa de escalar aún más.

Esta investigación se basa en un desarrollo anterior del mismo equipo:Vikas Nandwana, un miembro del grupo Dravid y coautor del presente estudio fue el primer autor, llamado la esponja OHM (oleófila hidrofóbica multifuncional) que usaba la misma plataforma de esponja para eliminar y recuperar selectivamente el aceite resultante de la contaminación del aceite en el agua. Modificando el recubrimiento de nanomateriales en la membrana, el equipo planea usar a continuación su marco similar a "plug-and-play" para ir tras los metales pesados. Ribet también dijo que se podrían abordar múltiples contaminantes a la vez mediante la aplicación de múltiples materiales con afinidades personalizadas.

"Este desafío de remediación del agua llega tan cerca de casa, ", Dijo Ribet." La cuenca occidental del lago Erie es una de las principales áreas en las que piensa cuando se trata de eutrofización, y me inspiré al aprender más sobre los desafíos de la remediación del agua en nuestro vecindario de los Grandes Lagos ".