NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE

MME, I.M. Enrique Posada R

Director de Proyectos – Asesor de Proyectos

Especiales

Mateo JaramilloAuxiliar de ingeniería

INDISA S.A.

15 de octubre de 2015

Qué tienen de especial las nanopartículas?

Poseen propiedades notables

Las nanopartículas se comportan de manera diferente a las de la mayor tamaño, aunque sean del mismo material

Aspectos químicos

Nanopartículas hidrofílicas / hidrofóbicas

• Nanopartículas dieléctricas / semiconductoras / metálicas

• Absorción / Difusión• Área superficial

Nanotubo de Carbono (Michel Ströck) Febrero 2006

Fullereno C60

Preguntas que surgen al considerar aspectos medio ambientales

¿Qué impactos ambientales puede generar la nanotecnología?

¿Qué tipo de medidas se han adoptado a nivel internacional para la mitigación de los impactos producidos por la inclusión de la nanotecnología en productos de consumo?

¿De los tratados ambientales existentes acerca del tratamiento, manejo y disposición de los residuos generados por la industria nano cuales se pueden adaptar en Colombia?

¿Qué tipo de legislación debe adoptar Colombia en el marco legal más inmediato?

Riesgos que se desprenden de su naturaleza Las propiedades de los nanomateriales, tales como área de la superficie, composición química, tamaño, forma o carga, tienen una influencia importante en sus características de naturaleza dañina o toxica. Los nanomateriales pueden ser igual o más perjudiciales que las partículas o fibras de escala no nanométrica del mismo material.

Aunque muchas nanopartículas no sean dañinas por sí mismas, se ha demostrado que tienen afinidad por compuestos que sí lo son. Esto se puede aprovechar para efectos de limpieza. Pero igualmente, puede dar lugar a un incremento en los riesgos

Los nanomateriales inhalados, según su tama ño, forma y composición, pueden penetrar y depositarse en diferentes zonas del aparato respiratorio: en la región extra toráxica, incluyendo la boca; en las fosas nasales; la laringe y la faringe; en la región de la traquea y los bronquios; y más internamente, en la región alveolar que comprende los bronquiolos y los alvéolos. Por su tamaño tan pequeño pueden penetrar en todas las zonas.

RIESGOS POR INHALACIÓN

Riesgos que se desprenden de su naturaleza

En la cotidianidad…Como producto de una combustión, el humo del tabaco se compone de nanopartículas con un tamaño entre los 10 nm y los 700 nm, con un pico máximo de concentración hacia los 150 nm. El humo tiene una composición compleja, con mas de 100.000 sustancias químicas.

No es de extrañar que el humo del tabaco puede generar enfermedades crónicas respiratorias, incluyendo cáncer de pulmón, cáncer nasal, enfermedades cardiovasculares y tumores malignos.

Fuente: Buzea, C.; Pacheco, I.; Robbie, K. Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity. Biointerphases vol.2, issue 4 (2007), 17-172.

El humo del tabaco: nanopartículas que se llevan al sistema respiratorio deliberadamente

Otro caso preocupante: el del humo de la marihuana, cada vez más presente en el ambiente La distribución del tamaño de partículas de humo de cigarrillo o de marihuana determina el sitio y la cantidad de deposición en el aparato respiratorio.

Las partículas ultrafinas son de importancia toxicológica porque su deposición en el aparato respiratorio y su gran área superficial facilita la adsorción de los gases potencialmente tóxicos para el pulmón.

Existen estudios que sugieren que las nanopartículas pueden penetrar a través de los folículos pilosos, donde los constituyentes de las partículas pueden disolverse y penetrar a través de la piel. La penetración directa se da para partículas relativamente grandes, de diámetro de 1000 nm, por ello es de esperar que las nanopartículas penetran con mayor facilidad.

RIESGOS POR VÍA DÉRMICA

Riesgos que se desprenden de su naturaleza

IMPACTO AMBIENTAL DE LA NANOTECNOLOGIA

Qué entendemos por impacto ambiental?

Es el efecto que produce la actividad humana sobre el medio ambiente. Técnicamente, es la alteración de la línea de base ambiental.

Las acciones de las personas sobre el medio ambiente siempre provocarán efectos colaterales sobre éste.  Por ello hay que entender estos impactos y minimizar sus aspectos negativos

Las nanopartículas podrían reaccionar con sustancias presentes en el medio o catalizar reacciones presentes el medio

Podrían llegar a ser tóxicas para los microorganismos del entorno, lo que podría daría a pie a una bioacumulación de la toxicidad en la cadena trófica que llegaría magnificada a los seres humanos.

ALGUNOS IMPACTOS

La capacidad de las nanopartículas para funcionar como un mecanismo de transporte también plantea preocupación por el transporte de metales pesados y otros contaminantes ambientales.

Para evaluar todos los riesgos implicados por las nanopartículas es necesario evaluar el ciclo de vida, incluyendo su fabricación, almacenamiento, distribución, aplicación y la eliminación. El impacto puede variar en las diferentes etapas del ciclo de vida.

ALGUNOS IMPACTOS

Fuente: http://www.solidworks.es/sustainability/life-cycle-assessment.htm

VENTAJAS AMBIENTALES E LA NANOTECNOLOGIA

Dispositivos para tratamientos de aguas Se aprovecha de los materiales

como nanotubos de carbono y fibras de alúmina para la nanofiltración.

Son mas eficientes ya que presentan unas áreas superficiales grandes y se pueden limpiar fácilmente.

Pueden eliminar sedimentos, residuos químicos, partículas cargadas, bacterias y otros patógenos. También eliminar trazas de sustancias toxicas e impurezas en forma de líquidos viscosos.Fuente: http://www.clarkfilter.com/

Absorbentes de Petróleo

Las fugas de aceites en zonas marinas son preocupantes y acarrean graves consecuencias.

Se esta investigando en un nuevo uso de los aerogeles, modificados con moléculas que repelen el agua para mejorar la interacción con el petróleo.

Actúan como una esponja; cuando el combustible fósil se ha absorbido la “esponja” se puede eliminar fácilmente.

El uso de envases de plástico tiene un impacto ecológico negativo.

Aunque existen los biopolímeros, estos presentan limitaciones como barreras a la humedad baja y propiedades mecánicas débiles.

Se puede emplear bionanocompuestos (incluir nanopartículas en el biopolímero) con mejores propiedades mecánicas y de barrera y completamente degradable.

Plásticos biodegradables

La nano remediación es un proceso de oxido reducción nano catalizado, que genera diferentes reacciones que destruyen una amplia gama de contaminantes orgánicos, inorgánicos y metales nocivos.

Se ha empleado en tratamiento de aguas subterráneas y en la recuperación de suelos.

Se adelantan investigaciones para eliminar contaminantes en el aire

Nanoremediación

Remediación a partir de nanopartículas de hierro. Fuente: www.dgf.cl

Nanoremediación

Se ha trabajado en el uso de nanomateriales para propósitos energéticos como son las celdas solares eficientes, celdas de combustible y baterías ecológicas. Los proyectos mas avanzados tiene que ver con el almacenamiento y la conversión, mejoras de fabricación y el ahorro en energía (por ejemplo un mejor aislamiento térmico)

Energía

Salud

La detección temprana de enfermedades, su tratamiento precoz personalizado y un preciso seguimiento posterior de su evolución serán cada vez más posibles en los próximos años gracias a la aplicación de las herramientas nanotecnológicas que se están desarrollando actualmente.

Nano diagnóstico Nanobiosensores Dosificación de medicamentos Nanomedicina regenerativa Neutralización de la enfermedad

Salud

Tratamiento del cáncer con nanotecnología. Fuente: Mauro Ferrari. Nature Reviews Cancer 5, 161-171 (March 2005)

Algunos estudios…Científicos del IBEC desarrollan por primera vez Nanomotores biocompatibles que se propulsan con azúcar.

Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) (España) y sus colaboradores han desarrollado nanomotores para aplicaciones biomédicas que son propulsados por enzimas, como la glucosa oxidasa, que los hace completamente biocompatibles.

http://noticiasdelaciencia.com/not/16415/cientificos-del-ibec-desarrollan-por-primera-vez-nanomotores-biocompatibles-que-se-propulsan-con-azucar/

Nanocintas moleculares utilizables como autopistas para electrones

Algunos estudios…

Se ha desarrollado un método para sintetizar un tipo novedoso y único de material que se parece a una nanocinta de grafeno pero en versión molecular en vez de atómica. Este material podría contribuir a mejoras clave en las celdas solares orgánicas. Las nanocintas están integradas por moléculas de un compuesto de nombre abreviado como PCBM, y que en la práctica es como una molécula de fullereno equipada con un “brazo” lateral para incrementar su solubilidad.

http://noticiasdelaciencia.com/not/16403/nanocintas-moleculares-utilizables-como-autopistas-para-electrones/

Usando componentes de tamaño nanométrico, unos investigadores han demostrado el funcionamiento de la primera rectena óptica, un dispositivo que combina las funciones de una antena y un rectificador para convertir luz directamente en corriente continua. Basadas en nanotubos de carbono de paredes múltiples y en diminutos rectificadores fabricados sobre ellos, las rectenas ópticas podrían proporcionar una nueva tecnología para fotodetectores que operarían sin la necesidad de refrigeración, recolectores de energía que convertirían el calor residual en electricidad, e incluso una nueva clase de dispositivos para capturar energía solar de forma eficiente.

Nace la “rectena” óptica, fusión de antena y rectificador, para convertir luz en corriente eléctrica continua

Algunos estudios…

Algunos estudios…Nanopartículas para aumentar en un 200% la producción de biogás

La labor conjunta entre un centro de investigación -el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2)- y una universidad -la Autónoma de Barcelona- da resultados aplicables al mercado. De hecho, juntos han conseguido poner en marcha una spin off, Applied Nanoparticles, para trasladar su último descubrimiento, una tecnología que aumenta en un 200% la producción de biogás mediante la introducción controlada de nanopartículas de óxido de hierro en los procesos de tratamiento de los residuos orgánicos.

http://www.elmundo.es/economia/2014/10/22/54467ac022601deb7d8b4580.html

ACERCA DE LA SOSTENIBILIDAD

Ambiental Uso de recursos renovables Procesos energéticamente eficientes Residuos no tóxicos

Social Equidad y disponibilidad de los recursos necesarios para

el desarrollo en una sociedad Económica

Requiere un beneficio económico o al menos ser viable

The Center for Sustainable Nanotechnology NSI- Nanotechnology Signature Initiative The Sustainable Nanotechnology Organization (SNO)

Entidades e iniciativas que se ocupan con la sostenibilidad de la nanotecnología

Gran parte de los materiales y procesos usados en la actualidad para la fabricación de nano productos, aparte de que en general no son renovables generan residuos peligrosos.

Se esta desarrollando una nueva tendencia para crear nano materiales verdes

Implican el uso de fuentes naturales, solventes no tóxicos y procesos energéticamente eficientes

Alternativas para la sostenibilidad

Además de esto se estudia la forma de disminuir el efecto de las nano partículas nocivas, tal como la síntesis de las nano partículas de metal mediante el uso de extractos de plantas, biopolímeros, vitaminas, proteínas y péptidos.

El uso de recursos naturales ricos en carbón para la fabricación de nanotubos y nano celulosa

Alternativas para la sostenibilidad

Las alternativas de calentamiento son las formas mas investigadas para el

desarrollo de procesos de fabricación sostenibles y amigables con el ambiente.

Estos desarrollos se encuentran a nivel de pruebas y laboratorio.

Su implementación para la producción industrial requiere altas inversiones.

Para que se justifiquen, hay que tener claro que dan lugar a ahorros y menos costos de producción.

Desde otro punto de vista, los cambios se justifican en la medida que lleven al cumplimiento de normativas o exigencias legales o del merecado.

Retos para garantizar la sostenibilidad de la Nanotecnología

¿Qué tipo de medidas se han adoptado a nivel internacional para la mitigación de los impactos producidos por la inclusión de la nanotecnología en productos de consumo?

Al respecto vale la pena mencionar que en muchos sentidos este es un campo nuevo.

Presentamos las siguientes consideraciones

(basadas en Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity, Buzea et al. In Biointerphases vol. 2, issue 4 (2007) pages MR17 - MR172 )

CONSIDERACIONES

La exposición humana a las nanopartículas de fuentes naturales y antropogénicas ha ocurrido desde tiempos antiguos y se ha aumentado como resultado de los procesos de combustión y del desarrollo industrial.

Sin embargo no se tiene claro conocimiento de sus efectos climáticos y ambientales.

Es natural asumir que el desarrollo de la nanotecnología va a afectar negativamente la salud pública, especialmente si no se fabrican y se manipulan los nuevos materiales nano de forma segura. Hay que desarrollar métodos de eliminación, de control de sus emisiones, de reciclaje.

Ya hay mucha información sobre los aspectos negativos de la toxicidad de nanopartículas, relacionados con epidemiología animal, humana, y en estudios de cultivos celulares

Los estudios sobre la relación entre los niveles de contaminación de partículas y las enfermedades respiratorias y cardiovascular y la mortalidad, se enfocan cada vez más hacia el impacto de las partículas más pequeñas, ya no de escala micrométrica, sino nanométrica).

Esto tiene que ver con el hecho de que algunas nanopartículasson capaces de entrar en el cuerpo, y rápidamente migrar a los órganos a través de los sistemas circulatorio y linfático.

Las personas con enfermedades pre-existentes (asma, diabetes) se muestran más propensas a los efectos tóxicos de las nanopartículas. Los factores genéticos también pueden desempeñar un papel importante, lo mismo que los niveles de exposición.

No cabe duda que los trabajadores de las industrias relacionadas con la nanotecnología van a estar potencialmente expuestos a los nuevos nanomateriales artificiales (los cuales tienen nuevos tamaños, formas y propiedades fisicoquímicas)

Se requieren nuevas estrategias de vigilancia y control de estas exposiciones.

Surge una nueva disciplina, la nanotoxicología, que puede facilitar el desarrollo seguro de las nuevas industrias basadas en la nanotecnología. Hay que abarcar en este campo también los abundantes nano materiales generados por la naturaleza y la contaminación tradicional.

Por otra parte la capacidad de las nanopartículas para entrar en las células y afectar su función bioquímica los hace herramientas importantes a nivel molecular.

Las propiedades tóxicas de las nanopartículas pueden aprovecharse para mejorar la salud humana cuando se las utiliza para atacar células cancerosas, bacterias dañinas y virus. Pero hay que tener en cuenta los efectos secundarias potencialmente negativos.

ALGUNOS TEMAS A PROFUNDIZAR Análisis de las características físicas y químicas de las nanopartículas (impactos de sus tamaños, de la composición, de sus estructuras cristalinas, de sus morfología, de sus propiedades electromagnéticas, de su reactividad, de sus propiedades de agregación y de sus comportamiento cinéticos, entre otros)

Hay que advertir que las propiedades mismas se están descubriendo, ya que la escala nano muestra comportamientos sorprendentes y diferenciados, según tamaños y formas.

Se requiere trabajo sistemático y laborioso para correlacionar la toxicidad con las propiedades Ir más allá de las correlaciones empíricas y establecer relaciones con las propiedades. Hay que intentar llegar hasta el nivel predictivo, dado el ritmo al cual se están generando sustancias nano.

Hay que estudiar la cinética y las interacciones bioquímicas de las nanopartículas dentro de los organismos. Aspectos como las vías de interacción, la translocación, la acumulación, la toxicidad a corto y largo plazo, las interacciones con las células, los receptores y el sistema inmunológico, entre otros..

Hay que profundizar en el conocimiento de los efectos de la exposición a las nanopartículas en los sistemas linfático e inmunológico, y en los diversos órganos.

Hay que aclarar el posible papel de las nanopartículas en las enfermedades recientemente asociadas con ellas (como la enfermedad de Crohn, las enfermedades neurodegenerativas, las enfermedades autoinmunes y el cáncer).

Hay que intensificar el empleo de las técnicas de caracterización a escala nano para identificar la presencia de nanopartículas en los órganos o tejidos afectados, e identificar los mecanismos pertinentes.

Otros temas de investigación importantes son el envejecimiento de las nanopartículas, las modificaciones de sus superficies, los cambios en los estados de agregación, los impactos de sus interacciones con el medio ambiente, con biomoléculas y con otras sustancias químicas dentro de los organismos.

¿Ocurren cambios favorables o desfavorables con estas interacciones o modificaiones?

Búsqueda de formas de reducir la toxicidad de nanopartículas

El entendimiento de estos impactos requiere un enfoque multidisciplinario y un activo diálogo entre los involucrados.

Hay que analizar aspectos dispares y contradictorios, a nivel de fabricación, científico, químico, toxicológico, epidemiológico, ambiental, industrial y política, entre otros.

Hay que preparar disciplinadamente resúmenes sistemáticos, para poder discutir los conocimientos actuales en los diversos campos nano, estableciendo un vocabulario común.

Hay que hacer reuniones de científicos de los diferentes campos, así como los responsables políticos y la sociedad en general.

Los resúmenes deben incluir accesibilidad a los públicos interesados

Hay que sugerir métodos y formas para reducir al mínimo la exposición humana a las nanopartículas, y por lo tanto lograr reducción de los efectos adversos para la salud.

Los estados y las organizaciones internacionales deben establecer políticas estrictas de calidad del aire, con base en métodos de medición normalizados y el establecimiento de límites de exposición.

A la luz de su toxicidad potencial, la comercialización de nanopartículas en productos dietéticos y cosméticos, así como en productos de consumo deben ser regulados. Esto, en forma distinta a la que se emplea para los materiales del mismo tipo, de tamaño grande y a granel.

Hay que someter las situaciones a preguntas y análisis sobre:

• Biocompatibilidad• Transformación • Acumulación en el cuerpo • Efectos a largo plazo de la absorción y la acumulación• Reciclaje de materiales nano

Hay que hacer más investigación sobre las implicaciones ecológicas y ambientales de las partículas nano de origen naturaly sobre la contaminación por nanopartículas antropogénicas.

Es posible que las nanopartículas desempeñen un papel importante en los potenciales desequilibrios del clima mundial, más allá de que los cambios actuales climático antropogénico se atribuyan ante todo a los gases de efecto invernadero.

Por ejemplo, se considera que la combustión de la madera nocontribuye r al cambio climático, cuando se la mira desde un simple cálculo de la liberación de carbono y de su fijación, lo cual lleva a declarar que tal quema de madera es una fuente de energía "renovable", benigna para el ambiente.

Si embargo, hay que considerar la correspondiente contaminación de nanopartículas y la necesidad de una mejor contabilidad de los flujos de CO2, para que tales consideraciones si sean válidas

Los avances en la nanotecnología se reflejan en la enorme cantidad de publicaciones sobre nanotecnología. En comparación, el número de publicaciones sobre la toxicidad de nanopartículas es mucho menor.

En parte esto se debe a que la financiación disponible para los estudios de toxicidad es baja y a cargo sobre todo de entidades relacionadas con el estado.

Hay que examinar alternativas para que haya más intensidad de estudios en este campo. Por ejemplo, que una fracción de los ingresos asociados con la producción y comercialización de materiales nano se dedican a estimular estos estudios.

Si no hay compromiso, puede suceder que se generen sufrimientos humano s y daños al medio ambiente. Se puede pensar que todavía el riesgo es bajo, pero va aumentar con rapidez. Es el momento de actuar responsablemente.

El desarrollo de la nanotecnología y los estudios sobre algunos aspectos dañinos de la particulas nano emitidas al medio ambiente por causas naturales y fuentes antropogénicas, han empezado a generar conciencia.

Es de esperar que esta nueva conciencia dará lugar a reducciones significativas en la exposición humana a estas sustancias potencialmente dañinas.

Con un mayor conocimiento y estudio habrá mayor probabilidad de encontrar un manejo adecuado a las enfermedades asociadas a la exposición de nanopartículas,

Hay que prever un futuro con mejor informada, y una manipulación más cautelosa de los nanomateriales artificiales.

Igualmente el desarrollo y la promulgación de leyes y de políticas de gestión de seguridad que abarquen los distintos aspectos relacionados con lo nano.

MUCHAS GRACIAS POR SU AMABLE ATENCIÓN

Enrique Posada Restrepo

enrique.posada@indisa.com

3122978618