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Micro y nanoplásticos: Su eliminación parcial en las EDAR y efectos en los organismos acuáticos

21/04/2023

Micro y nanoplásticos: Su eliminación parcial en las EDAR y efectos en los organismos acuáticos

2017

Autor: REMTAVARES

Blog: www.madrimasd.org

 

  • Marina Bastante Rabadán. Máster en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos (UAH-URJC)
 
Los micro y nanoplásticos son considerados contaminantes de preocupación emergente, ya se han convertido en un problema mundial por su presencia en ecosistemas acuáticos, terrestres y aéreos. Los principales emisores de estos contaminantes a los ecosistemas acuáticos son las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), puesto que sólo logran eliminar parte de estos. La fracción de plásticos que escapa al ecosistema fluvial y terrestre causa efectos negativos en las especies que allí habitan, incluidos los seres humanos.
 
Por lo tanto, es de gran importancia no sólo minimizar su llegada a las aguas superficiales reduciendo el uso de plásticos, sino que además, han de ser retirados de las mediante diferentes procesos.
 
El plástico se ha convertido en un material esencial en la vida de los seres humanos, utilizándose en una gran variedad de industrias y sectores. En los años 50 se produjeron un millón y medio de toneladas de plástico y esta cantidad se ha incrementado hasta 2016, donde se fabricaron 335 millones de toneladas. El aumento de la generación de estos residuos plásticos y en muchos casos, su mala gestión, provocan la contaminación de los ecosistemas [1].
 
Cuando los residuos plásticos llegan al medio ambiente sufren procesos de degradación física, química y biológica, formándose plásticos de menor tamaño, los microplásticos, que tienen un tamaño inferior a 5 mm. Estos microplásticos se pueden dividir en:
 
  • Primarios, que son fabricados de ese tamaño y se añaden a productos de la vida cotidiana de las personas, como en las pastas de dientes, exfoliantes, cosméticos, entre otros [2].
     
  • Secundarios son los que se degradan de plásticos de mayor tamaño debido a condiciones ambientales como la luz solar, viento y corrientes de agua [2].
 
A su vez, estos microplásticos se pueden degradar en partículas de menor tamaño, los nanoplásticos, que cuentan con un tamaño de entre 0,001 y 0,1 μm.
 
Estos contaminantes generan gran preocupación por su potencial ecotoxicidad, su capacidad de bioacumulación en los seres vivos junto con sustancias adsorbidas en ellos (productos farmacéuticos, metales pesados y microorganismos patógenos, entre otros) y  además por la magnificación de sus efectos en la cadena trófica [3]. Son considerados contaminantes de preocupación emergente [4], es decir, compuestos desconocidos o no reconocidos cuya presencia en el medio ambiente, alimentos o agua, en cualquier producto natural o artificial, o en cualquier ser vivo, no es necesariamente nueva, pero sí es el conocimiento de las posibles consecuencias perjudiciales de su existencia.
 
Los efectos negativos de la presencia de estos micro y nanoplásticos han sido ampliamente estudiados en ecosistemas acuáticos, pero también se han hallado en ecosistemas de agua dulce, sedimentos, suelos y en la atmósfera [5].
 
Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) tienen por objetivo el saneamiento de las aguas y asegurar que su calidad esté en condiciones óptimas antes de devolverla a los cauces, mediante la eliminación de los sólidos en suspensión, la materia orgánica y los patógenos presente en el agua. Este proceso se lleva a cabo a través de un complejo sistema que consta de redes de drenaje urbano y otro tipo de estructuras, que captan el agua y las conducen hasta las depuradoras [6]. En las EDAR, el agua sigue un recorrido donde se somete a diferentes tratamientos, como se muestra en la figura 1.
 
 
 
 
Figura 1. Esquema de una estación depuradora de aguas residuales.
 
 
Sin embargo, las EDAR son consideradas como la principal fuente de emisión de microplásticos al ecosistema acuático, al actuar como punto de encuentro de los residuos provenientes de la deposición atmosférica y de las aguas domésticas e industriales [5, 7].
 

Al ser las EDAR las principales emisoras de micro y nanoplásticos, ¿hay tecnologías para el retirado de estos de las aguas residuales?

 
Las EDAR no están diseñadas para la eliminación de los micro y nanoplásticos, si bien los tratamientos que se aplican durante el saneamiento del agua pueden resultar útiles para la retirada parcial de estos.
 
Estos procesos pueden ser físicos, químicos y biológicos, a continuación, se mencionan algunos de ellos.
 
Procesos físicos:
 
  • Los filtros de arena rápida son filtros que utilizan arena de cuarzo y antracita como materiales filtrantes. Es un mecanismo eficaz, pero depende de las interacciones hidrofílicas entre los microplásticos y la arena, ya que pueden quedar retenidos de manera irreversible [8].
     
  • La adsorción podría ser un método valido para la eliminación de los microplásticos. Se exponen diferentes medios adsorbentes tales como óxido de grafeno y quitina para la adsorción de los microplásticos mediante enlaces de hidrógeno y atracciones electroestáticas [9]. El alginato segregado por las algas y microalgas también sería un buen adsorbente. El carbón activado granular también es un buen adsorbente capaz de retirar los microplásticos del agua residual. En nanoplásticos se ha observado que la utilización de fibras de celulosa biodegradables funciona como material adsorbente [10].
 
Procesos químicos:
 
  • La coagulación permite mediante la adición de coagulantes atrapar los microplásticos en los gránulos. Combinada con un proceso de sedimentación se mejora el proceso. El coagulante que mejor funciona es el sulfato de aluminio [8]. En cuanto a la eliminación de microplásticos por coagulación, se muestran eficiencias altas utilizando iones Calcio-Aluminio [10].
     
  • Los procesos de oxidación avanzada son populares en estaciones depuradoras, estos procesos oxidan los microplásticos, los degradan, pero no los eliminan, produciendo que estos plásticos de pequeño tamaño se escamen o dependiendo del proceso, se podrían generar enlaces no deseables, como pasa al aplicar el proceso de cloración ya que se crea el enlace Cl-C, generando más toxicidad ya que tiene la posibilidad de adsorber nuevos contaminantes [5].

Procesos biológicos:
 
  • Captación de microplásticos mediante fangos activados y biopelículas Una porción se retiene en estos sistemas y otra se deprende acabando en los fangos de depuradora [9, 11]
     
  • Los biorreactores de membrana, sistemas de membranas, normalmente de micro y ultrafiltración (los tamaños de poro son de 0,1 a 50 μm y de 0,001 a 0,1 μm, respectivamente) cubiertas con biopelículas, que permiten atrapar los contaminantes) son eficaces en la eliminación de los microplásticos del agua residual [5, 11]
     
  • Biodegradación:
     
La gran mayoría de los microplásticos acaban en los fangos de depuradora, donde habitan una gran cantidad de microorganismos y bacterias. Algunos de estos organismos son capaces de degradar de manera parcial polímeros de plástico como se comenta a continuación.
 
  • El tereftalato de polietileno (PET) al tener un anillo alifático es un compuesto recalcitrante y difícil de degradar, algunas enzimas hidrolasas son capaces de romper los enlaces, como lipasas, carboxilasas, cutinasas, esterasas entre otras. Cabe destacar a Ideonella sakaiensis como bacteria degradadora de este tipo de plástico [12].
     
  • En cuanto al polietileno (PE), debido a su alto peso molecular los tiempos de degradación son largos, pero tanto hongos como bacterias pueden degradarlos. Por ejemplo, el género Pseudomonas juega un papel importante en la degradación del polietileno de baja densidad (LDPE) [12].
     
  • No hay estudiadas muchas especies que degraden el polipropileno (PP) [12].
     
  • Con respecto al poliestireno (PS), también es un compuesto recalcitrante, pero muchas bacterias utilizan como fuente de carbono el monómero de estireno, como Pseudomonas, Rhodococcus y Nocardia, entre otros [12].


Los micro y nanoplásticos se encuentran en todos los ecosistemas y pueden llegar a los organismos, ¿qué efectos podrían causar?

 
Como se ha mencionado anteriormente, estos micro y nanoplásticos pueden causar efectos en los seres vivos. La introducción de este contaminante desde el eslabón más bajo de la cadena trófica podría ser un problema para la salud humana, ya que se consumen alimentos contaminados. Se han detectado micro y nanoplásticos en productos como la sal de mesa, miel, azúcar y en el agua embotellada [13]. Se introducen en los organismos mediante la ingesta y respiración, causando daños en estos sistemas y pudiendo causar retardo en el crecimiento, daños neurológicos, cambios hormonales y cáncer debido a la presencia de aditivos y sustancias que llevan adsorbidas en su superficie. En la tabla 1 se recogen los efectos causados en diferentes especies de animales.
 
Se han encontrado microplásticos de diferentes tamaños y composición en la placenta humana de varias embarazadas con las que se realizó el estudio, sin saber los efectos que podrían causar en los fetos [14].
En la tabla 1, se resumen los daños recientemente reportados para diferentes polímeros y organismos acuáticos.
 
 
Tabla 1. Efectos causados por diferentes tipos de plásticos sobre diversos organismos
 
 
El grupo Bioe (http://www.bioelectrogenesis.es; Twitter: @Bioe_Group; Facebook: Bioelectrogenesis), del área de Ingeniería Química de la Universidad de Alcalá, investiga sobre procesos biológicos avanzados, basados en la estimulación electroquímica microbiana, para dar soluciones más eficientes y sostenibles a los problemas asociados a la presencia de contaminantes de preocupación emergente en el agua residual.
 
Este artículo es parte del Trabajo Fin de Máster de Marina Bastante Rabadán, desarrollado en el Máster en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos, con apoyo de investigadores de Bioe.
 
 
Referencias:
 
[1] Godoy, V., Blázquez, G., Calero, M., Quesada, L., Martín-Lara, M.A., 2019. The potential of microplastics as carriers of metals. Environmental Pollution, 255, 113363. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113363
[2] Ahmed, R., Hamid, A.K., Krebsbach, S.A., He, J., Wang, D., 2022. Critical review of microplastics removal from the environment. Chemosphere. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133557
[3] Wang, Q., Zhang, Y., Wangjin, X., Wang, Y., Meng, G., Chen, Y., 2020. The adsorption behavior of metals in aqueous solution by microplastics effected by UV radiation. Journal of Environmental Sciences, 87, 272 – 280. https://doi.org/10.1016/j.jes.2019.07.006
[4] Azizi, N., Nasseri, S., Nodehi, R.N., Jaafarzadeh, N., Pirsaheb, M., 2022. Evaluation of conventional wastewater treatment plants efficiency to remove microplastics in terms of abundance, size, shape, and type: A systematic review and Meta-analysis. Marine Pollution Bulletin. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2022.113462
[5] Liu, W., Zhang, J., Liu, H., Guo, X., Zhang, X., Yao, X., Cao, Z., Zhang, T., 2021. A review of the removal of microplastics in global wastewater treatment plants: Characteristics and mechanisms. Environment International. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106277
[7] Bakaraki Turan, N., Sari Erkan, H., Onkal Engin, G., 2021. Microplastics in wastewater treatment plants: Occurrence, fate and identification. Process Safety and Environmental Protection. https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.08.039
[8] Xu, J., Wang, X., Zhang, Z., Yan, Z., Zhang, Y., 2021. Effects of chronic exposure to different sizes and polymers of microplastics on the characteristics of activated sludge. Science of the Total Environment 783. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146954
[9] Joseph, A., Naseem, A., Vijayanandan, A., 2022. Microplastics in Wastewater Treatment Plants: Occurrence, Fate and Mitigation Strategies, in: Energy, Environment, and Sustainability. Springer Nature, 81–100. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8367-1_5
[10] Ali, I., Ding, T., Peng, C., Naz, I., Sun, H., Li, J., Liu, J., 2021. Micro- and nanoplastics in wastewater treatment plants: Occurrence, removal, fate, impacts and remediation technologies – A critical review. Chemical Engineering Journal. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130205
[11] Zhang, X., Chen, J., Li, J., 2020. The removal of microplastics in the wastewater treatment process and their potential impact on anaerobic digestion due to pollutants association. Chemosphere. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126360
[12] Hou, L., Kumar, D., Yoo, C.G., Gitsov, I., Majumder, E.L.W., 2021. Conversion and removal strategies for microplastics in wastewater treatment plants and landfills. Chemical Engineering Journal 406. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126715
[13] Jiang, B., Kauffman, A.E., Li, L., McFee, W., Cai, B., Weinstein, J., Lead, J.R., Chatterjee, S., Scott, G.I., Xiao, S., 2020. Health impacts of environmental contamination of micro- And nanoplastics: A review. Environmental Health and Preventive Medicine. https://doi.org/10.1186/s12199-020-00870-9
[14] Ragusa, A., Svelato, A., Santacroce, C., Catalano, P., Notarstefano, V., Carnevali, O., Papa, F., Rongioletti, M.C.A., Baiocco, F., Draghi, S., D’Amore, E., Rinaldo, D., Matta, M., Giorgini, E., 2021. Plasticenta: First evidence of microplastics in human placenta. Environment International. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106274
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