Emily Hanhauser. Imagen: Melanie Gonick / MIT

El plomo, el arsénico y otros metales pesados ​​están cada vez más presentes en los sistemas de agua de todo el mundo debido a actividades humanas, como el uso de pesticidas y, más recientemente, la eliminación inadecuada de los desechos electrónicos. La exposición crónica a niveles mínimos de estos contaminantes, en concentraciones de partes por mil millones, puede causar condiciones de salud debilitantes en mujeres embarazadas, niños y otras poblaciones vulnerables.

Sin embargo, monitorear el agua en busca de metales pesados ​​es una tarea formidable, particularmente para las regiones con recursos limitados donde los trabajadores deben recolectar muchos litros de agua y preservar químicamente las muestras antes de transportarlas a laboratorios distantes para su análisis.

Para simplificar el proceso de monitoreo, los investigadores del MIT han desarrollado un enfoque llamado SEPSTAT, para extracción, preservación, almacenamiento, transporte y análisis en fase sólida de contaminantes traza. El método se basa en un dispositivo pequeño y fácil de usar que desarrolló el equipo, que absorbe los contaminantes traza en el agua y los conserva en estado seco para que las muestras puedan depositarse fácilmente por correo y enviarse a un laboratorio para su posterior análisis.

Un dispositivo similar a un batidor forrado con pequeños bolsillos llenos de cuentas de polímero de oro, cabe dentro de una botella de muestreo típica y se puede girar para recoger cualquier contaminante metálico en el agua.

Un dispositivo similar a un batidor forrado con pequeños bolsillos llenos de cuentas de polímero de oro, cabe dentro de una botella de muestreo típica y se puede girar para recoger cualquier contaminante metálico en el agua.

El dispositivo se asemeja a una hélice o batidor pequeña y flexible, que cabe dentro de una botella de muestreo típica. Cuando se hace girar dentro de la botella durante varios minutos, el instrumento puede absorber la mayoría de los contaminantes traza en la muestra de agua. Un usuario puede secar el dispositivo al aire o secarlo con un trozo de papel, luego aplanarlo y enviarlo en un sobre a un laboratorio, donde los científicos pueden sumergirlo en una solución de ácido para eliminar los contaminantes y recogerlos para más Análisis en el laboratorio.

"Inicialmente diseñamos esto para su uso en India, pero me enseñó mucho sobre nuestros propios problemas de agua y contaminantes en los Estados Unidos", dice la diseñadora de dispositivos Emily Hanhauser, una estudiante graduada en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Por ejemplo, alguien que ha escuchado sobre la crisis del agua en Flint, Michigan, que ahora quiere saber qué hay en su agua, algún día podría ordenar algo como esto en línea, hacer la prueba ellos mismos y enviarlo a un laboratorio".

Hanhauser y sus colegas publicaron recientemente sus resultados en la revista Environmental Science and Technology . Sus coautores del MIT son Chintan Vaishnav del Tata Center for Technology and Design y la MIT Sloan School of Management; John Hart, profesor asociado de ingeniería mecánica; y Rohit Karnik, profesor de ingeniería mecánica y jefe del departamento asociado de educación, junto con Michael Bono de la Universidad de Boston.

De bolsitas de té a batidos

El equipo originalmente se propuso comprender la infraestructura de monitoreo del agua en la India. Los trabajadores recolectan millones de muestras de agua en los laboratorios locales de todo el país, que están equipados para realizar análisis básicos de la calidad del agua. Sin embargo, para analizar los contaminantes traza, los trabajadores de estos laboratorios locales necesitan preservar químicamente grandes cantidades de muestras de agua y transportar las embarcaciones, a menudo a lo largo de cientos de kilómetros, a las capitales estatales, donde los laboratorios centralizados tienen instalaciones para analizar adecuadamente los contaminantes traza.

"Si está recolectando muchas de estas muestras e intentando llevarlas a un laboratorio, es un trabajo bastante oneroso y existe una barrera de transporte importante", dice Hanhauser.

Una vez que el dispositivo se extrae y se seca, puede conservar los contaminantes metálicos que haya recogido durante largos períodos de tiempo.  El dispositivo se puede aplanar y enviar por correo a un laboratorio, donde los contaminantes se pueden analizar más a fondo.

Una vez que el dispositivo se extrae y se seca, puede conservar los contaminantes metálicos que haya recogido durante largos períodos de tiempo. El dispositivo se puede aplanar y enviar por correo a un laboratorio, donde los contaminantes se pueden analizar más a fondo. 

Al tratar de racionalizar la logística del monitoreo del agua, ella y sus colegas se preguntaron si podrían evitar la necesidad de transportar el agua y, en su lugar, transportar los contaminantes por sí mismos, en estado seco. 

Finalmente encontraron inspiración en las manchas de sangre seca, una técnica simple que consiste en pinchar el dedo de una persona y recoger una gota de sangre en una tarjeta de celulosa. Cuando se secan, los productos químicos en la sangre son estables y se conservan, y las tarjetas se pueden enviar por correo para su posterior análisis, evitando la necesidad de conservar y enviar grandes volúmenes de sangre.

El equipo comenzó a pensar en un sistema de recolección similar para metales pesados ​​y buscó en la literatura materiales que pudieran absorber los contaminantes traza del agua y mantenerlos estables cuando estén secos.

Finalmente se decidieron por resinas de intercambio iónico, una clase de material que viene en forma de pequeñas cuentas de polímero, de varios cientos de micras de ancho. Estas cuentas contienen grupos de moléculas unidas a un ion hidrógeno. Cuando se sumerge en agua, el hidrógeno se desprende y se puede intercambiar con otro ion, como un catión de metal pesado, que toma el lugar del hidrógeno en la cuenta. De esta manera, las cuentas pueden absorber metales pesados ​​y otros contaminantes traza del agua.

Luego, los investigadores buscaron formas de sumergir las cuentas en agua, y primero consideraron un diseño similar a una bolsita de té. Llenaron un bolsillo con forma de malla con cuentas y lo sumergieron en agua que añadieron metales pesados. Sin embargo, descubrieron que las cuentas tardaban días en absorber adecuadamente los contaminantes si simplemente dejaban la bolsita de té en el agua. Cuando revolvieron la bolsita de té, la turbulencia aceleró un poco el proceso, pero las perlas, envasadas en una gran bolsita de té, tardaron demasiado tiempo en absorber los contaminantes.

Finalmente, Hanhauser descubrió que un diseño de agitación manual funcionaba mejor para absorber contaminantes metálicos en el agua en un tiempo razonable. El dispositivo está hecho de una malla de polímero cortada en varios paneles tipo hélice. Dentro de cada panel, Hanhauser cosió a mano pequeños bolsillos, que llenó con cuentas de polímero. Luego cosió cada panel alrededor de una barra de polímero para parecerse a una especie de batidor o batidor de huevos.

Probando las aguas

Los investigadores fabricaron varios de los dispositivos, luego los probaron en muestras de agua natural recolectadas alrededor de Boston, incluidos los ríos Charles y Mystic. Pusieron las muestras con varios contaminantes de metales pesados, como plomo, cobre, níquel y cadmio, luego colocaron un dispositivo en la botella de cada muestra y lo hicieron girar a mano para atrapar y absorber los contaminantes. Luego colocaron los dispositivos en un mostrador para que se sequen durante la noche.

Para recuperar los contaminantes del dispositivo, sumergieron el dispositivo en ácido clorhídrico. El hidrógeno en la solución elimina eficazmente los iones unidos a las perlas de polímero, incluidos los metales pesados, que luego se pueden recoger y analizar con instrumentos como los espectrómetros de masas.

Los investigadores descubrieron que al agitar el dispositivo en la muestra de agua, el dispositivo podía absorber y preservar aproximadamente el 94 por ciento de los contaminantes metálicos en cada muestra. En sus ensayos recientes, descubrieron que aún podían detectar los contaminantes y predecir sus concentraciones en las muestras de agua originales, con un rango de precisión del 10 al 20 por ciento, incluso después de almacenar el dispositivo en estado seco durante hasta dos años.

Con un costo de menos de $ 2, los investigadores creen que el dispositivo podría facilitar el transporte de muestras a laboratorios centralizados, la recolección y preservación de muestras para futuros análisis y la adquisición de datos de calidad del agua de manera centralizada, lo que, a su vez, podría ayudar para identificar fuentes de contaminación, orientar políticas y permitir una mejor gestión de la calidad del agua.

Los investigadores ahora se han asociado con una compañía en India, con la esperanza de comercializar el dispositivo. Juntos, su proyecto fue elegido recientemente como una de las 26 propuestas de más de 950 para ser financiadas por el gobierno indio bajo su programa Atal New India Challenge.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel, el Centro MIT Tata y la Fundación Nacional de Ciencia. 

Escrito por: Jennifer Chu | MIT News Office

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