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Nanotecnología

Interacciones fatales

Nanotubos de carbono combinados con plomo o pesticidas potencian sus efectos tóxicos en peces

Tilapias de un experimento realizado en el Instituto de Pesca en Cananeia

Eduardo CesarTilapias de un experimento realizado en el Instituto de Pesca en CananeiaEduardo Cesar

Estudios realizados en colaboración por científicos de la Universidad de Campinas (Unicamp), del Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LNNano) y del Instituto de Pesca del Estado de São Paulo, en la ciudad de Cananeia, en el litoral paulista, revelaron que cuando los nanotubos de carbono entran en contacto con sustancias tóxicas tales como el plomo y pesticidas en ambientes acuáticos, se produce un incremento significativo de su toxicidad para peces tales como la tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), camarones de agua dulce y otras especies. Los resultados más recientes de la investigación que evaluó la interacción entre esos nanomateriales y el carbofurano, un pesticida de alta toxicidad que se emplea en Brasil en cultivos agrícolas, salieron publicados online en la revista Ecotoxicology and Environmental Safety en noviembre y figurarán en la edición impresa en enero de 2015. “Cuando se efectuó la combinación con el nanotubo, se registró un aumento de cinco veces en la toxicidad del carbofurano para las tilapias”, dice el profesor Oswaldo Alves, del Laboratorio de Química del Estado Sólido (LQES) del Instituto de Química de la Unicamp, quien coordinó la investigación. “Eso es un claro indicativo de que la nanoestructura está potenciando el efecto tóxico del pesticida”. Por otra parte, también funciona como un excelente concentrador de pesticidas, metales y hormonas. Es decir, el nanotubo es un material que presenta propiedades potenciales para su uso en filtros de sistemas de tratamiento de aguas y sensores. “No obstante, es necesario evaluar cómo se realizará el descarte de esos materiales y pensar en las implicaciones ambientales futuras”, subraya Alves.

Entre las pruebas realizadas en el Instituto de Pesca, conducidas por el profesor Edison Barbieri en colaboración con Diego Stéfani Teodoro Martinez, alumno de doctorado y posdoctorado de Alves y actualmente investigador en el LNNano, en Campinas, se cuentan el consumo de oxígeno ‒una de las mediciones utilizadas para evaluar el metabolismo de los organismos‒ y la capacidad natatoria de los peces. Los hallazgos señalan que las nanoestructuras de carbono pueden actuar como transportadoras de pesticidas, afectando el comportamiento de los peces, además de su supervivencia.

Las pruebas mostraron que hasta una concentración de 2 miligramos (mg) de nanotubos por litro de agua no hubo diferencia en relación al control en el consumo de oxígeno. Cuando el carbofurano se depositó puro en el agua, inicialmente se registró un incremento en el consumo de oxígeno e inmediatamente una disminución, un indicador de que los peces estaban comenzando a perecer. “En los experimentos efectuados con esa sustancia en las proporciones de 0,5, 1 y 2 mg combinados con el nanotubo de carbono (1 mg), el consumo de oxígeno descendió rápidamente, señalando una nítida diferencia en relación con el grupo de control”, dice Barbieri, coordinador de las investigaciones en el Instituto de Pesca. En relación con la capacidad natatoria, hubo una tendencia a su disminución, a medida que el pesticida y el nanotubo confluían en el agua.

imagen microscópica del test con nanotubos y plomo muestra filamentos de las branquias deformados e hinchados en comparación con...

UNICAMPImagen microscópica del test con nanotubos y plomo muestra filamentos de las branquias deformados e hinchados en comparación con…UNICAMP

Las investigaciones, que comenzaron en 2010, tenían como objetivo el estudio de la interacción entre los nanomateriales con contaminantes comunes, como por ejemplo el plomo, que en Cananeia, por caso, constituye un serio problema ambiental. “Allí, los afloramientos de plomo provenientes de las galenas [minerales compuestos por sulfuro de plomo] son naturales y ocurren cuando llueve mucho y se produce un lixiviado del terreno”, dice Barbieri. El estudio comenzó exponiendo a las tilapias a los nanotubos de carbono y plomo en diferentes concentraciones, durante períodos de hasta 96 horas. Los resultados fueron presentados en noviembre de 2012 por Martinez, en un congreso internacional sobre seguridad de nanomateriales denominado NanoSafe, que se lleva a cabo cada dos años en Grenoble, Francia. Los nanotubos incrementan hasta cinco veces la toxicidad aguda del plomo en las tilapias. En el experimento en el que los peces fueron expuestos tan sólo a las nanoestructuras de carbono no hubo ninguna señal de toxicidad hasta un límite de 2 mg por litro.

La primera etapa de los ensayos consistió en la realización del experimento de control solamente con agua mineral. Luego se efectuaron pruebas con el nanotubo y plomo por separado, colocados en diferentes concentraciones hasta un límite de 2 mg por litro y, por último, con los dos materiales juntos. “El consumo de oxígeno disminuye en todos los casos en que hay presencia de ambos”, dice Barbieri. En marzo de 2013, salió publicado un artículo científico en el periódico Journal of Physics: Conference Series, con los resultados de la investigación. “Hay pocos estudios en la literatura científica mundial que se ocupen de la interacción entre los contaminantes ambientales y los nanotubos de carbono, enfocando los impactos en la fisiología y en el comportamiento de peces”, dice Martinez. Es más, no hay datos concluyentes sobre los efectos a largo plazo de esos nanomateriales desechados en el ambiente. Esto significa que las investigaciones no acompañaron el crecimiento del mercado de esas nanoestructuras con propiedades físicas y químicas diferenciadas, que ha aumentado año a año.

...los del grupo de control, en agua sin agregado de sustancias tóxicas

UNICAMP…los del grupo de control, en agua sin agregado de sustancias tóxicasUNICAMP

La interacción entre plomo y nanotubos de carbono y sus efectos tóxicos sobre las branquias de las tilapias también fue objeto de estudio por alumnos de maestría dirigidos por Edison Barbieri, del Instituto de Pesca. Éstos estudiaron los efectos de esa combinación sobre las branquias, el principal órgano encargado del intercambio gaseoso y de la excreción de amoníaco, un mecanismo mediante el cual el organismo de los animales elimina residuos tóxicos tales como el amoníaco, urea y sales y que es responsable de mantener el equilibrio del medio interno, es decir, la homeóstasis. “En el experimento control pueden observarse todos los filamentos de las branquias preservados, en tanto, con el agregado de nanotubos de carbono y plomo, ya sea juntos o separados, se registra deformación e hinchazón en las células que tapizan las lamelas, encargadas del intercambio gaseoso”, relata Barbieri. En los test con carbofurano y nanotubos también se registraron resultados similares.

Previo al inicio de los experimentos, se realizó la purificación y caracterización de los materiales, en procura de un estricto control de calidad para garantizar resultados convergentes. “Parte de la tesis de Martinez consistió en aprender a purificar los nanotubos de carbono”, dice Alves. “Fueron cuatro años en los cuales él se abocó a ese tema y hoy saca provecho de eso porque cuenta con un material de calidad para los ensayos biológicos y toxicológicos”. Alves explica que los ensayos biológicos necesitan realizarse con material comprobadamente reconocido. “Los nanotubos elaborados por una empresa son diferentes a los producidos por otra”. Para que el material final tuviera la misma calidad, los investigadores le encargaron los nanotubos a una empresa coreana, que antes de utilizarlos atraviesan un refinado proceso de purificación. “Para cada material que sale del LQES, elaboramos una ficha técnica, donde consta la identificación de la muestra y datos de su caracterización”.

La producción de nanotubos actual es del orden de 20 toneladas por año, con 600 tipos diferentes disponibles en el mercado para aplicaciones que abarcan nanocompuestos, hormigón, pinturas especiales, energía, electrónica e incluso aplicaciones médicas y ambientales. Europa y Corea del Sur encabezan la lista de los mayores productores. “Si bien aún no existen empresas brasileñas que produzcan esas sustancias a gran escala, necesitamos ser proactivos, pensar en el futuro y en la regulación de esa tecnología”, dice Alves. “Es necesario ser cuidadosos con los desechos y, para ello, debemos conocer todo el ciclo de vida del material, algo que requiere mucha investigación”. En la actualidad, todo el material importado a base de nanotubos de carbono ingresa a Brasil simplemente como material de carbono, un elemento químico que compone desde el carbón activado que se utiliza en los filtros hasta medicamentos, ya que no existe una regulación específica para los nanomateriales. La Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE), por ejemplo, resalta que los materiales nanoestructurados poseen propiedades interesantes, pero es necesario ser cautelosos al incorporarlos a otros materiales, sobre todo cuando está implicado su uso biológico. “La organización advierte que sólo deben utilizarse si se cuenta con datos de laboratorio al respecto de su toxicidad o algún análisis relacionado con sus posibles efectos sobre el organismo”, dice Alves, cuyo grupo recibe financiación del Instituto Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (INCT) en Materiales Complejos Funcionales (Inomat), que cuenta con recursos de la FAPESP y del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI).

Imagen tomada con un microscopio de transmisión electrónica muestra los nanotubos producidos en el Instituto de Química de la Unicamp

LQES/UNICAMPImagen tomada con un microscopio de transmisión electrónica muestra los nanotubos producidos en el Instituto de Química de la Unicamp LQES/UNICAMP

Las investigaciones tendrán ahora como objetivo analizar la influencia de la materia orgánica presente en el agua de ríos y lagos sobre las nanoestructuras. “Queremos saber si, en presencia de materia orgánica, los pesticidas dejan de interactuar con los nanotubos”, dice Martinez. “La idea del proyecto es que sirva como plataforma para todos los contaminantes clásicos y emergentes, incluyendo a hormonas y antibióticos”. De este modo, se podrá evaluar las interacciones de varios contaminantes con muestras nanoestructuradas. “Los trabajos realizados hasta ahora nos indican que esas nanoestructuras no podrán desecharse ni en los ríos ni en los mares”. Incluso es necesario efectuar estudios sobre su descarte en el suelo y sus efectos sobre las plantas, porque ya se sabe que su impacto ambiental es de larga duración.

Regulación en pauta
Un evento realizado en Francia debate sobre la producción y uso seguro de los nanomateriales

El tema de la regulación ha movilizado a científicos e industrias de todo el mundo, interesados en las varias posibilidades de uso de las nanoestructuras. Durante los días 5 y 6 de noviembre, por ejemplo, representantes brasileños estuvieron presentes en un gran evento en Holanda, capitaneado por la Comunidad Europea, que tuvo como resultado la adhesión de Brasil a uno de los más importantes clusters ligado a la regulación internacional de la nanotecnología. Otro evento destacado en el ámbito científico fue la NanoSafe 2014, una conferencia internacional sobre la producción y uso seguro de nanomateriales, llevada a cabo entre los días 18 y 20 de noviembre en Grenoble, Francia. En la cuarta edición del evento, que se realiza cada dos años desde 2008, participaron más de 300 investigadores de 30 países, que presentaron 160 comunicados y 86 carteles, además de 12 expositores, entre empresas y organizaciones. “Desde su primera edición, el evento procura abordar varios temas ligados a la seguridad de los nanomateriales en diferentes sesiones”, dice el profesor Oswaldo Alves, de la Universidad de Campinas (Unicamp), presente en el evento, donde mostró los resultados del proyecto que coordina al respecto del aumento de la toxicidad de los nanotubos de carbono para los peces cuando entran en contacto con el plomo.

Representaciones gráficas de nanomateriales: nanotubos

Vin Crespi/ Universidad Estadual de Pensilvania Representaciones gráficas de nanomateriales: nanotubosVin Crespi/ Universidad Estadual de Pensilvania

Entre los temas que se discutieron en la NanoSafe 2014 se encuentran las nuevas aplicaciones de nanomateriales; nanotoxicología, con estudios enfocados en el tracto respiratorio, el cerebro y la piel; interacciones con el ambiente; descarte de nanomateriales; producción industrial y prevención; análisis del ciclo de vida; regulación y estandarización, y desarrollo responsable. Brasil, representado por científicos de instituciones tales como la Unicamp, Universidad de São Paulo (USP), Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), Universidad Federal del ABC (UFABC), Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y Universidad Federal de Juiz de Fora (UFJF), presentó 15 trabajos. Una de las novedades que mostraron algunas empresas fueron los dispositivos portátiles que permiten monitorear la presencia de nanopartículas en instalaciones industriales, construcción y otros ámbitos.

La regulación y la estandarización de los nanomateriales son fundamentales para el desarrollo comercial de la nanotecnología. “El tema fue puesto en pauta por la Comisión Europea basándose en la Estrategia Europea para las Nanotecnologías, que se apoya en un trípode de seguridad, integración y responsabilidad”, dice Alves. Una de las bases que componen este trinomio es la estandarización. “El Parlamento europeo ha resaltado la importancia de la estandarización como una manera de controlar la introducción de los nanomateriales en el mercado, evaluando que tal situación facilitará la implementación de una regulación efectiva”, comenta. Algunos países, como son los casos de Bélgica, Francia y Dinamarca, han implementado regulaciones sobre nanomateriales específicos. “En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) publicó en 2008 dos resoluciones, dentro de la meta de Acto de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), indicando claramente un cambio de postura en cuanto a la regulación de la nanotecnología en el país”, dice Alves. La agencia estadounidense de control de alimentos y medicamentos (FDA), también se ocupa de las aplicaciones de la nanotecnología en el área de la salud y ha lanzado encuestas públicas desde 2011. Alves subraya que, a pesar de que el tema de la estandarización de la nanotecnología haya sido el eje del debate en Grenoble, se trata de una tarea altamente compleja. “Somos conscientes de que la propia naturaleza de los nanomateriales, que se caracteriza por la falta de homogeneidad, implica un obstáculo de gran dificultad”.

La superación de esas dificultades, a su juicio, ocurrirá con el desarrollo, no sólo de nuevos métodos para la producción de materiales nanoestructurados y nuevos equipamientos, sino también mediante nuevos protocolos de análisis y rastreabilidad. De este modo, será factible obtener las validaciones necesarias para una estandarización.

Proyecto
Instituto Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación en Materiales Complejos Funcionales (Inomat) (nº 2008/ 57867-8); Modalidad Apoyo a la Investigación –  Proyecto Temático; Investigador responsable Fernando Galembeck (Unicamp/ LNNano); Inversión R$ 2.085.423,04 (FAPESP).

Artículos científicos
CAMPOS-GARCIA, J. et al. Ecotoxicological effects of carbofuran and oxidised multiwalled carbon nanotubes on the freshwater fish Nile tilapia: Nanotubes enhance pesticide ecotoxicity. Ecotoxicology and Environmental Safety. v. 111, p. 131-7. ene. 2015
Martinez, D. S. T. et al. Carbon nanotubes enhanced the lead toxicity on the freshwater fish. Journal of Physics: Conference Series. v. 429, n. 012043 mar. 2013.

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