Los PFAS, un grupo de productos químicos manufacturados comúnmente utilizados 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. Y, si estos químicos tóxicos se entierran, se filtran al suelo circundante, convirtiéndose en un problema persistente para las generaciones venideras.

Ahora, los químicos de la Universidad Northwestern han hecho lo que parecía imposible. Usando bajas temperaturas y reactivos comunes y económicos, el equipo de investigación desarrolló un proceso que hace que dos clases principales de compuestos PFAS se desmoronen, dejando solo productos finales benignos.

La sencilla técnica podría ser potencialmente una solución poderosa para deshacerse finalmente de estos químicos dañinos, que están relacionados con muchos efectos peligrosos para la salud de los humanos, el ganado y el medio ambiente.

"PFAS se ha convertido en un problema social importante", dijo William Dichtel de Northwestern, quien dirigió el estudio. "Incluso una pequeña cantidad de PFAS causa efectos negativos para la salud y no se descompone. No podemos simplemente esperar a que este problema desaparezca. Queríamos usar la química para abordar este problema y crear una solución que el mundo pueda usar Es emocionante por lo simple que es nuestra solución, aunque no reconocida".

Dichtel es profesor de química de la cátedra Robert L. Letsinger en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Brittany Trang, quien dirigió el proyecto como parte de su tesis doctoral recientemente completada en el laboratorio de Dichtel, es la coautora del artículo.

'La misma categoría que el prospecto'

Abreviatura de sustancias per- y polifluoroalquilo, PFAS ha estado en uso durante 70 años como agentes antiadherentes e impermeabilizantes. Se encuentran comúnmente en utensilios de cocina antiadherentes, cosméticos a prueba de agua, espumas contra incendios, telas repelentes al agua y productos que resisten la grasa y el aceite.

Sin embargo, a lo largo de los años, el PFAS se ha abierto camino fuera de los bienes de consumo y en nuestra agua potable e incluso en la sangre del 97% de la población de los EE. UU. Si bien los efectos sobre la salud aún no se comprenden por completo, la exposición a PFAS está fuertemente asociada con la disminución de la fertilidad, los efectos en el desarrollo de los niños, el aumento de los riesgos de varios tipos de cáncer, la reducción de la inmunidad para combatir las infecciones y el aumento de los niveles de colesterol. Con estos efectos adversos para la salud en mente, la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) de EE. UU. recientemente declaró que varios PFAS no son seguros, incluso en niveles mínimos.

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

Lazos inquebrantables

Si bien los esfuerzos de la comunidad para filtrar las PFAS del agua han tenido éxito, existen pocas soluciones sobre cómo desechar las PFAS una vez que se eliminan. Las pocas opciones que están emergiendo ahora involucran generalmente la destrucción de 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 afirmaba incinerar PFAS estaba liberando algunos de estos compuestos al aire", dijo Dichtel. "Los compuestos se emitieron desde las chimeneas hacia la comunidad local. Otra estrategia fallida ha sido enterrar los compuestos en vertederos. Cuando haces eso, básicamente solo estás garantizando que tendrás un problema dentro de 30 años porque va a lixiviarse lentamente. No resolvió el problema. Simplemente pateó la lata por el camino".

El secreto de la indestructibilidad de PFAS radica en sus enlaces químicos. PFAS contiene muchos enlaces carbono-flúor, que son los enlaces más fuertes en química orgánica. Como el elemento más electronegativo de la tabla periódica, el flúor necesita electrones, y mucho. El carbono, por otro lado, está más dispuesto a ceder sus electrones.

"Cuando tienes ese tipo de diferencia entre dos átomos, y son aproximadamente del mismo tamaño, como el carbono y el flúor, esa es la receta para un enlace realmente fuerte", explicó Dichtel.

Identificando el talón de Aquiles de PFAS

Pero, mientras estudiaba los compuestos, el equipo de Dichtel encontró una debilidad. PFAS contiene una cola larga de enlaces de carbono-flúor inflexibles. Pero en un extremo de la molécula hay un grupo cargado que a menudo contiene átomos de oxígeno cargados. El equipo de Dichtel se centró en este grupo de cabeza calentando el PFAS en sulfóxido de dimetilo, un solvente inusual para la destrucción de PFAS, con hidróxido de sodio, un reactivo común. El proceso decapitó al grupo principal, dejando atrás una cola reactiva.

"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".

En intentos anteriores de destruir PFAS, otros investigadores han utilizado altas temperaturas, hasta 400 grados centígrados. Dichtel está entusiasmado porque la nueva técnica se basa en condiciones más suaves y en un reactivo simple y económico, lo que hace que la solución sea potencialmente más práctica para un uso generalizado.

Después de descubrir las condiciones de degradación de PFAS, Dichtel y Trang también descubrieron que los contaminantes fluorados se desmoronan por procesos diferentes a los que generalmente se suponen. Usando poderosos métodos computacionales, los colaboradores Ken Houk en UCLA y Yuli Li, un estudiante de la Universidad de Tianjin que visitó virtualmente al grupo de Houk, simularon la degradación de PFAS. Sus cálculos sugieren que PFAS se desmorona por procesos más complejos de lo esperado. Aunque anteriormente se suponía que el PFAS debería desmoronarse un carbono a la vez, la simulación mostró que el PFAS en realidad se deshace de dos o tres carbonos a la vez, un descubrimiento que coincidía con los experimentos de Dichtel y Trang. Al comprender estas vías, los investigadores pueden confirmar que solo quedan productos benignos. Este nuevo conocimiento también podría ayudar a guiar mejoras adicionales al método.

"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, un distinguido profesor de investigación en química orgánica. "La mecánica cuántica es el método matemático que simula toda la química, pero solo en la última década hemos sido capaces de abordar grandes problemas mecanicistas como este, evaluando todas las posibilidades y determinando cuál puede ocurrir a la velocidad observada. Yuli ha dominado estos métodos computacionales y trabajó con Brittany a larga distancia para resolver este problema fundamental pero significativo en la práctica".

Diez abajo, quedan 11.990

A continuación, el equipo de Dichtel probará la eficacia de su nueva estrategia en otros tipos de PFAS. En el estudio actual, degradaron con éxito 10 ácidos perfluoroalquil carboxílicos (PFCA) y ácidos perfluoroalquil éter carboxílico (PFECA), incluido el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y uno de sus reemplazos 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 de PFAS.

Aunque esto puede parecer desalentador, Dichtel mantiene la esperanza.

"Nuestro trabajo abordó una de las clases más grandes de PFAS, incluidas muchas que nos preocupan", dijo. "Hay otras clases que no tienen el mismo talón de Aquiles, pero cada una tendrá su propia debilidad. Si podemos identificarla, entonces sabremos cómo activarla para destruirla".

Dichtel is a member of the Institute for Sustainability and Energy at Northwestern's Program on Plastics, Ecosystems and Public Health; the Center for Water Research and the International Institute for Nanotechnology

The study, "Low-temperature mineralization of perfluorocarboxylic acids," is published on August 19 in the journal Science . + Explora más

PFAS chemicals do not last forever