Recientemente tuvimos el placer de presentaros a Andrés Martínez, ingeniero de proyectos en Blue Gold. Hoy, os traemos un artículo que  ha confeccionado para compartir con todos vosotros sobre un tema que nos afecta, la contaminación del agua con productos farmacéuticos. Concretamente nos acerca el caso  de la presencia de un fármaco en aguas residuales, el norfloxacino, como agente contaminante. Conoceremos las consecuencias de la presencia de este contaminante y las diferentes líneas de investigación en las que actualmente se trabaja para dar solución a esta problemática. 

Aparición de fármaco en aguas residuales

La industria farmacéutica ocupa un papel relevante en la contaminación del agua. Como señala la investigación realizada por la Universidad de Radboud, la contaminación por fármacos en agua dulce, ha aumentado durante las  dos  últimas décadas.

Podemos distinguir dos tipos de fármacos según su naturaleza. Por un lado, se producen fármacos de manera natural, mientras que por otro, encontramos fármacos realizados sintéticamente. Con independencia de su origen, los fármacos se crean con el objetivo de mejorar la calidad de la vida de la sociedad.

Su metabolización no es completa y finalmente acaban contaminando el agua residual. Su aparición como agente contaminante en las aguas residuales, se debe a la excreción de estas sustancias por parte de los pacientes. El fármaco cumple su objetivo en el cuerpo humano, sin embargo, en ocasiones no es completamente metabolizado y se excreta parte de esta sustancia

Esta sustancia no se metabiliza por completo y al excretarse, acaba en el agua residual

Norfloxacino, segundo fármaco con mayor presencia en aguas residuales

Un caso especialmente relevante es el del norfloxacino. Se trata de un fármaco sintético, empleado principalmente en el tratamiento de infecciones urinarias. Este compuesto, el norfloxacino, es un antibiótico antibacteriano y quimioterapéutico. Entre otro tipo de infecciones, como la gonorrea o aquellas del tracto gastrointestinal, este fármaco se utiliza principalmente para el tratamiento de infecciones urinarias.

El norfloxacino es una sustancia que pertenece al grupo de las quinolinas. Un grupo que ofrece un amplio espectro y que actúa inhibiendo el ADN-polimerasa II intracelular. También inhibe la topoisomerasa IV, la cual es imprescindible para diferentes procesos del ADN bacteriano. De esta forma, se evita la división celular que favorece la extensión de la infección.

Imagen 1. Estructura molecular del norfloxacino

norfloxacino

El cuerpo humano no metaboliza por completo el norfloxacino. Es por ello que, una gran cantidad de esta sustancia, es eliminada por el cuerpo a través de la excreción. Como consecuencia, se han hallado restos de este compuesto en aguas residuales de todo el mundo. 

La presencia de este compuesto, es relevante por su frecuencia. Según la investigación de A. Özcan, el norfloxacino es el segundo fármaco más habitualmente hallado en aguas residuales como contaminante. El principal riesgo que supone es generar resistencia a los antibacterianos entre otros antibióticos. Además de los propios efectos adversos de la sustancia, como son las náuseas o desórdenes neurológicos.

El norfloxacino es el segundo fármaco por presencia en la contaminación del aguas residuales

Tratamientos para la eliminación de fármacos en aguas residuales

Los tratamientos tradicionales no eliminan completamente los contaminantes emergentes. Esto supone que, los tratamientos primarios y secundarios, aplicados en las plantas de tratamiento de agua, no logra la eliminación completa de estas sustancias.

Los procesos de coagulación,  floculación y ultrafiltración no logran eliminar los fármacos. Estos tratamientos, son los más empleados en la eliminación de contaminantes emergentes. Sin embargo, la coagulación y la floculación no logran eliminar los contaminantes sin emplearse conjuntamente con otras tecnologías. 

La coagulación y la floculación no logran eliminar los contaminantes fármacos

Aparte, existen otros métodos para el tratamiento de contaminantes emergentes. Por un lado, encontramos la adsorción a través de diferentes sorbentes como son el óxido de grafeno reducido y magnetita o nanotubos de carbono. A pesar de su efectividad, tiene la contrapartida de que produce contaminación de forma secundaria. 

Por otro lado, ante la contaminación emergente tenemos el cultivo bacteriano mixto. Sobre esta técnica, diversos estudios han demostrado que, al tratar el norfloxacino se generan tres nuevas formaciones de desechos contaminantes.

La oxidación química es otra opción efectiva pero favorece la aparición de productos intermedios. Este proceso se lleva a cabo a través de productos químicos oxidantes como el dióxido de cloro, el permanganato de cetiltrimetilamonio y el ozono. A pesar de sus resultados, diversos estudios, refieren en su uso la aparición de productos intermedios que pueden resultar peligrosos. Una consecuencia similar al empleo de procesos de biodegradación.

Los procesos Fenton generan una reacción que degrada los compuestos orgánicos

Proceso de oxidación para degradación de compuestos químicos

El empleo de métodos de procesos de oxidación es una alternativa que se usa actualmente. Estos métodos se realizan, aunque en menor medida, como método de degradación de compuestos químicos u orgánicos. Se puede destacar los procesos de oxidación avanzada (POA), los cuales, postulan como una alternativa eficiente para la eliminación de componentes orgánicos.

Los procesos POA, consisten en la mineralización de compuestos orgánicos. A través de la mineralización, se obtiene CO2, H2O, ácidos orgánicos de cadena corta e iones inorgánicos. Además, utilizar especies con elevado poder oxidante como radicales de hidroxilo, genera reacciones de degradación.

Los procesos más investigados para lograr la degradación son los procesos Fenton. Estos procesos, facilitan la degradación a través de la producción de radicales de hidróxilo (fórmula 1). Este tipo de proceso se basa en la descomposición de peróxido de hidrógeno a través del uso de sales de hierro, lo cual da lugar a radicales de hidróxilo. Esta reacción degrada los compuestos orgánicos. 

Los procesos Fenton generan una reacción que degrada los compuestos orgánicos

Formula 1. Proceso Fenton

formula de Fenton process

Tecnología electroquímica (electro-Fenton method)

Una variante de oxidación es el método electro-Felton. Este tipo de tecnología permite el uso de procesos POA, mediante la oxidación del agua sin necesitar la adición de productos químicos. Excepto el electrolito, el cual facilita el movimiento de los electrones y se descompone en la superficie del electrodo.

El sistema de oxidación, está condicionado por los materiales que lo componen. Un sistema electroquímico en esencia está formado por ánodo, cátodo, electrolito y celda. El proceso de oxidación tiene lugar en el ánodo, mientras que, la reducción se produce en el cátodo de forma simultánea.

Comparativamente con otros métodos POA, la oxidación electroquímica tiene ventajas. Está considerado un proceso  eficaz y respetuoso con el medio ambiente gracias a la simpleza durante su desarrollo. Ofrece una gran capacidad oxidante y un rendimiento óptimo ante un amplio abanico de compuestos orgánicos tóxicos sin necesidad de  reactivos químicos.

La oxidación electroquímica es altamente oxidante y prescinde de productos químicos

La importancia del material con el que se produce el ánodo

El componente más importante dentro del sistema electro-Felton es el ánodo. En diferentes materiales anódicos se observa una diversa eficacia para la oxidación de sustancias orgánicas tóxicas.  El material del ánodo interactúa con el radical hidroxilo y por ello, afecta a la tasa de degradación de componentes orgánicos. Además, los mecanismos de oxidación, también son distintos (de forma directa e indirecta).

El sobrepotencial de la evolución de oxígeno en los ánodos es un fuerte condicionante. Aquellos ánodos con sobrepotencial de baja evolución de oxígeno (ánodos de baja potencia de oxidación) producen “oxígeno activo”. De esta forma, solo permiten la oxidación parcial de los orgánicos. Por otra parte, el sobrepotencial de alta evolución de oxígeno (ánodos de alta potencia de oxidación), como el diamante dopado con boro, favorecen una oxidación completa.

Los ánodos de alta potencia de oxidación permiten una oxidación completa

Una investigación ha comparado la efectividad de electrodos. El estudio, desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia compara la efectividad de electrodos cerámicos dopados con antimonio (Sb-doped SnO2) y electrodos de diamante dopados con boro (BDD).

Los resultados  del  electrodo  BDD fueron muy superiores  al del electrodo cerámico. La diferencia fue muy significativa, de hasta un 90%. Además, se  observó que una pequeña parte de la descomposición del norfloxacino no era causada por la reacción de  mineralización. Esta descomposición adicional, se debía a que el norfloxacino se oxida a compuestos  orgánicos  secundarios  como ácidos  de  cadena  corta. 

El electro de diamante dopado con boro superó en un 90% al electrodo cerámico

Las investigaciones se centran en hallar el material idóneo para electro-Felton. Como se  ha señalado anteriormente, la efectividad depende en gran medida del material del ánodo. El electrodo BDD ha ofrecido grandes resultados en el experimento, sin embargo, existen ciertos  inconvenientes. Las desventajas  son un alto coste y dificultad para encontrar  el sustrato adecuado. Es decir, estamos ante un método prometedor pero que aún ofrece  una gran oportunidad  de  desarrollo.

Conclusión

La tecnología es una herramienta de muchas aristas. Todas ofrecen algo, algunas se convertirán en soluciones para el futuro mientras que otras, a pesar de no prosperar, se convertirán en la llave de próximas investigaciones. 

Por ello, ninguna investigación es en balde. En BlueGold siempre atentos a la vanguardia tecnológica os traemos las investigaciones más prometedoras y nuevas tecnologías al servicio de tratamiento de aguas. 

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