Cuats: Toxicidad biológica
& Fallos en las pruebas WET
Proteger el medio ambiente contra los cuats
por Melissa John, investigadora de Aquafix
Todo nuestro trabajo aquí en Aquafix se guía por nuestra declaración de misión: "Agua más segura y vidas mejores a través de biociencias pioneras". En consonancia con esta misión, hemos realizado y seguimos realizando numerosos estudios sobre los cationes de amonio cuaternario (QAC o quats) y su toxicidad para los microorganismos de aguas residuales, tanto en procesos aeróbicos como anaeróbicos. Los estudios anteriores se han centrado en los efectos de los quats sobre el choque térmico y la recuperación, la toxicidad a largo plazo, la toxicidad aguda y la producción de metano mediante digestión anaeróbica. Actualmente, nos estamos centrando en la toxicidad de diferentes especies de cuat en aguas residuales y sus impactos en el medio ambiente.
Todo sobre Quats
Los cuats son detergentes catiónicos con propiedades antimicrobianas, por lo que estos compuestos son habituales en los productos de limpieza. Estos compuestos tienen un catión nitrógeno central con cuatro grupos unidos; estos grupos (grupos R) se utilizan para clasificar el cuat. Las variaciones en estos grupos pueden afectar a la actividad antimicrobiana del cuat en términos de dosis y eficacia contra los microorganismos. Además, la longitud de estos grupos unidos puede afectar a la actividad antimicrobiana de los cuats. Según Gerba (2015), las longitudes de los grupos metilo de C12 a C16 suelen mostrar la mayor cantidad de actividad antimicrobiana.
La carga positiva de los cuats es crucial para su función. Les permite interactuar con la membrana celular bacteriana cargada negativamente, perforándola y comprometiendo su funcionalidad. Esta alteración conduce a la fuga celular, que en última instancia provoca la muerte de la célula, cumpliendo así su función antimicrobiana.
Figura 1: cuat Estructura (Wikidoc, 2024).
Efectos de los cuats en las EDAR
Figura 2: Licor mezclado con 0 ppm cuat añadido.
Figura 3: Licor mixto con 25 ppm de cuat añadidas.
Aunque los cuats son eficaces en diversas aplicaciones, como la limpieza médica, industrial y doméstica, su uso ha aumentado drásticamente debido a la pandemia de COVID-19 (Lu et al., 2024). Se calcula que aproximadamente el 75% de los cuats utilizados acaban en alcantarillas y plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) (Lu et al., 2024). Aunque algunas industrias han dejado de utilizar productos químicos de limpieza con la mención "cuat" en sus descripciones, los cuats reciben muchos nombres, lo que hace difícil distinguir si las soluciones de limpieza los contienen y si causarán problemas a las EDAR a lo largo del proceso. Aunque la degradación de los cuats se produce en las EDAR, el proceso es lento y depende de factores como la estructura química y la concentración del cuat, la adsorción a los biosólidos y los consorcios de microorganismos (Mohapatra et al., 2023). Por consiguiente, los cuats pueden liberarse en el medio natural a través de los efluentes de aguas residuales o la aplicación de biosólidos en el suelo. Además, dado que los cuats sirven como agentes antimicrobianos, pueden inhibir la eficacia de las EDAR. Nuestra investigación indica que los quats pueden crear un sobrenadante más turbio, dificultar la eliminación de la DBO e inhibir la nitrificación, lo que puede dar lugar a un efluente de baja calidad.
Pruebas WET
La liberación de cuats en masas de agua naturales o en efluentes de baja calidad puede hacer que las EDAR no superen sus pruebas de toxicidad de efluentes enteros (WET). Estas pruebas, exigidas por la Ley de Aguas Limpias en el marco del Sistema Nacional de Eliminación de Vertidos Contaminantes (NPDES) de la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA), evalúan la toxicidad de las muestras de efluentes de aguas residuales. El objetivo es garantizar que el efluente vertido no afecte negativamente a los organismos acuáticos. Las pruebas WET consisten en exponer organismos específicos (como los pececillos cabezudos y las pulgas de agua) a diversas concentraciones de efluente durante intervalos de tiempo específicos para detectar la toxicidad. En Wisconsin, existen dos tipos de
Figura 4: Peces cabezudos, organismo utilizado habitualmente para las pruebas WET en Wisconsin. (Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos, 2008)
pruebas: aguda y crónica. La prueba aguda mide la capacidad de supervivencia, determinando la concentración que causa el 50% de letalidad (CL50) durante un corto periodo de tiempo (48 o 96 horas); si el 50% o más de los organismos mueren en el 100% del efluente, la prueba falla (Universidad de Wisconsin, 2024). La prueba crónica evalúa la concentración que afecta al crecimiento, desarrollo y reproducción durante un período más largo (7 días) para determinar a qué concentración se inhibe la fecundidad en un 25% (IC25) (Universidad de Wisconsin, 2024). Si esta concentración es inferior a la concentración de residuos en la corriente (ICW), la prueba falla.
cuat Efectos en los organismos biológicos
Se ha demostrado que los cuats son letales o inhiben el crecimiento de los organismos acuáticos mediante "estrés oxidativo, alteración de la membrana celular o defectos moleculares que causan apoptosis y estrés del retículo endoplásmico (desdoblamiento o mal plegamiento de proteínas)", ya sea a través de la toxicidad de un solo cuat o de la toxicidad de una mezcla de cuat (Mohapatra et al, 2023). Además, su carga neta positiva les permite unirse fuertemente a las paredes celulares de las algas cargadas negativamente (Liang et al, 2013). Esta unión podría hacer que las algas fueran más sensibles que otras formas de vida acuática, como los peces o los crustáceos, lo que podría dar lugar a una cascada trófica ascendente que limitara otras formas de vida acuática.
Dadas estas preocupaciones, nuestra investigación en curso tiene como objetivo mejorar la comprensión de la toxicidad de cuat y sus impactos ambientales. Con ello esperamos desarrollar estrategias eficaces para mitigar sus efectos adversos, incluida la optimización de las EDAR para manejar mejor los cuats, garantizando así el cumplimiento de nuestra misión.
Referencias
Gerba C. P. (2015). Biocidas de amonio cuaternario: eficacia en la aplicación. Applied and environmental microbiology, 81(2), 464-469. https://doi.org/10.1128/AEM.02633-14
Liang, Z., Ge, F., Zeng, H., Xu, Y., Peng, F., & Wong, M. (2013). Influence of cetyltrimethyl ammonium bromide on nutrient uptake and cell responses of Chlorella vulgaris. Aquatic Toxicology, 138-139, 81-87. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2013.04.010
Lu, Z., Mahony, A. K., Arnold, W. A., Marshall, C. W., & McNamara, P. J. (2024). Quaternary ammonia compounds in disinfectant products: Evaluating the potential for promoting antibiotic resistance and disrupting wastewater treatment plant performance. Environmental Science Advances, 3(2), 208-226. https://doi.org/10.1039/d3va00063j
Mohapatra, S., Yutao, L., Goh, S. G., Ng, C., Luhua, Y., Tran, N. H., & Gin, K. Y. (2023). Quaternary ammonium compounds of emerging concern: Classification, occurrence, fate, toxicity and antimicrobial resistance. Journal of hazardous materials, 445, 130393. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130393
Raver, D. (2008). Fathead minnow. Biblioteca Digital Nacional del USFWS. Obtenido el 28 de agosto de 2024, del sitio Web: https://digitalmedia.fws.gov/digital/collection/natdiglib/id/4588.
Pruebas de toxicidad de efluentes enteros (WET). (sin fecha). Southern Lakeshore Watershed, Universidad de Wisconsin-Madison. Obtenido el 6 de agosto de 2024, del sitio Web: https://www.slh.wisc.edu/environmental/toxicology/whole-effluent-toxicity-tests-wet/#:~:text=What%20is%20a%20WET%20test,to%20estimate%20the%20effluent's%20toxicity
Wikidoc. (s.f.). Catión de amonio cuaternario. Wikidoc. Recuperado el 6 de agosto de 2024, de https://www.wikidoc.org/index.php/Quaternary_ammonium_cation
Productos para protegerse de los quats
CounterQuat
- Mitigar posibles trastornos y proteger a las bacterias de las toxinas
- Actúa contra Quats, PAAs y otros agentes de limpieza
- Ideal para sistemas con limpiezas frecuentes
SmartBOD
- Mezcla equilibrada de nutrientes para favorecer la floculación y mejorar sedimentación
- Ideal para sistemas con carga baja o intermitente
- Reduce la DBO, el SST, el amoníaco y el fósforo de los efluentes, al tiempo que disminuye la formación de bultos.
Kit de prueba de microanálisis y origen de filamentos
- Identificación de filamentos mayores y menores
- Explicación precisa de la presencia y el origen de los filamentos
- Recomendaciones de tratamiento y proceso
Sobre el autor
Melissa John es investigadora científica de Aquafix y licenciada en Ciencias Ambientales. Melissa es el miembro más reciente del equipo de laboratorio de Aquafix y ha estado familiarizándose con la microscopía de aguas residuales.