Investigadores desarrollan un método para transformar nitratos contaminantes en nuevos compuestos reutilizables

El procedimiento permite convertir nitratos en óxido nítrico o amoníaco, un compuesto que puede reutilizarse como fertilizante, y podría sentar las bases para futuras tecnologías de eliminación de estos contaminantes.

Investigadores de la Universidad de Michigan (U-M) han desarrollado un método químico para reducir nitratos y transformarlos en compuestos que podrían reutilizarse. El trabajo, publicado en Nature Chemistry, aborda uno de los retos asociados a la contaminación por nitratos: su elevada estabilidad química dificulta su eliminación del medio ambiente.

Los nitratos son componentes habituales de los fertilizantes agrícolas, pero una parte puede llegar a corrientes de agua, aguas subterráneas, lagos y océanos a través de la escorrentía. Según Nathaniel Szymczak, químico de la Universidad de Michigan y responsable del estudio, el uso excesivo de fertilizantes ha contribuido a alterar el equilibrio natural del ciclo del nitrógeno.

«Ahora tendemos a fertilizar en exceso los cultivos, y una enorme cantidad del fertilizante que aplicamos acaba lixiviándose con la escorrentía hacia arroyos, aguas subterráneas, lagos y océanos», explica Szymczak.

Los investigadores señalan que el exceso de nitratos está relacionado con problemas ambientales como la proliferación de algas y determinados episodios de contaminación de aguas subterráneas. La dificultad para reducir estos compuestos se debe, en parte, a la estabilidad de sus moléculas.

Inspiración en los mecanismos biológicos

Para desarrollar el nuevo procedimiento, el equipo estudió cómo los organismos naturales gestionan los nitratos. En concreto, analizó proteínas transportadoras de nitrato que permiten a las plantas utilizar este compuesto.

Los investigadores observaron que estas proteínas se unen a los nitratos mediante enlaces de hidrógeno. Estos enlaces se encuentran en una zona de moléculas que rodea al centro de unión, denominada «esfera secundaria».

A partir de esta observación, el equipo desarrolló un complejo de hierro rodeado por una estructura de enlaces de hidrógeno. Mediante el ajuste de la posición de estos enlaces, los investigadores lograron que el complejo se uniera selectivamente a determinados puntos de los nitratos y facilitara su posterior reducción.

«Cuando analizamos cómo abordar realmente la reducción del nitrato, recurrimos a las enzimas y a la biología. Lo que hemos descubierto es que la naturaleza nos ha dado pistas sobre cómo unir y reducir el nitrato», señala Szymczak.

Según el investigador, la disposición de los enlaces de hidrógeno permite modificar la estructura de los enlaces del nitrato y favorecer la siguiente etapa de reducción química.

Calor y luz para obtener distintos productos

Los ensayos mostraron que el proceso puede producir distintos compuestos en función de la fuente de energía utilizada.

Cuando los investigadores aplicaron calor, el complejo de hierro pudo extraer átomos de oxígeno del nitrato y reducirlo a óxido nítrico. Este compuesto se utiliza, entre otras aplicaciones, en tratamientos médicos destinados a reducir la presión arterial.

Cuando utilizaron luz, el complejo consiguió eliminar por completo los átomos de oxígeno del nitrato y transformarlo en amoníaco. Este último puede reutilizarse como fertilizante, lo que abre la posibilidad de combinar la eliminación de un contaminante con la recuperación de un compuesto aprovechable.

El estudio no presenta todavía un sistema destinado a tratar nitratos a escala industrial. Los investigadores plantean el trabajo como una base para comprender y controlar las transformaciones químicas necesarias antes de desarrollar tecnologías aplicables a la recuperación ambiental.

Hacia futuras tecnologías de tratamiento

Szymczak considera que comprender el comportamiento molecular del nitrato y los mecanismos que permiten reducirlo constituye un paso previo al desarrollo de sistemas que puedan emplearse para eliminar estos compuestos de emplazamientos contaminados, incluidas las plantas de tratamiento de aguas residuales.

«Estamos proporcionando a los investigadores una hoja de ruta para conseguir esa difícil etapa de reducción, que esperamos pueda trasladarse a sistemas diseñados que, en el futuro, puedan utilizarse para estos fines», afirma.

El equipo subraya que el desarrollo de soluciones para problemas ambientales de gran escala requiere estudios fundamentales que permitan establecer nuevos principios y métodos para transformar moléculas de relevancia ambiental.

El siguiente paso será determinar cómo trasladar estos conocimientos sobre la reducción de nitratos a sistemas diseñados para aplicaciones de tratamiento ambiental.