Água: essencial para todos os seres vivos

A água é um dos recursos naturais mais importantes, imprescindível para a sobrevivência dos seres vivos e para o desenvolvimento das sociedades. No entanto, não está distribuída igualmente pelo mundo; algumas regiões são muito úmidas e outras, muito secas. Além disso, a procura por água aumentou devido ao crescimento da população humana.

A fim de atender à crescente demanda, o uso de tecnologia tem possibilitado a extração da água concentrada em aquíferos profundos. No entanto, a água desses lugares frequentemente contém altas concentrações de substâncias como o arsênico (encontrado nas rochas em torno dos aquíferos), o que a torna imprópria para o consumo. Ao mesmo tempo, as atividades humanas também têm contribuído para a contaminação da água com elementos como arsênico, mercúrio, cádmio, cromo e chumbo. Entre esses elementos, o arsênico parece ser o mais tóxico para os humanos e outros animais [1]. 

O que é o arsênico e como ele afeta os seres humanos? 

O arsênico é um elemento natural da crosta terrestre, que é encontrado no ar, na água e no solo. Existe em duas formas: orgânico e inorgânico. Os compostos de arsênico inorgânico, altamente tóxicos, são encontrados na água, enquanto os inorgânicos, menos tóxicos, são encontrados em peixes e crustáceos. A exposição a altos níveis de arsênico inorgânico geralmente ocorre pelo consumo de água contaminada ou pelo uso dessa água no preparo de alimentos e na irrigação de plantações. A exposição humana ao arsênico se tornou uma grande preocupação global.  A ingestão a longo prazo de arsênico contaminado, mesmo em quantidades muito baixas, pode pôr a saúde em risco (Figura 1) [2].

De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), a exposição a baixas quantidades de arsênico durante cinco anos aproximadamente pode causar mudanças na pigmentação da pele, lesões epidérmicas e calos grossos nas palmas das mãos e nas solas dos pés. Além disso, o arsênico pode causar câncer de pele, bexiga e pulmão.

A OMS recomenda limitar o arsênico inorgânico a 10 microgramas por litro (µg/L) de água para o consumo humano. A contaminação natural das águas subterrâneas com arsênico tem sido relatada em todo o mundo, com concentrações bem acima do limite máximo permitido. Concentrações de até 25 µg/L foram relatadas em águas subterrâneas em partes do México [3]. Em outros países, como Bolívia, Bangladesh, Camboja, Taiwan, Paquistão, Tailândia e Vietnã, as concentrações de arsênico de 45,9, 4.600, 178, 1.800, 2.580, 5.000 e 159 µg/L, respectivamente, foram encontradas em águas subterrâneas [3]. 

Óxidos metálicos: heróis que salvam

Os óxidos metálicos são compostos que resultam da combinação de um metal com um ametal, como o oxigênio. A ferrugem avermelhada e pulverulenta que você pode ter visto em um objeto de metal deixado ao ar livre é um exemplo de óxido metálico. Quando os óxidos metálicos são colocados na água, suas superfícies aderem a contaminantes com carga negativa, como o arsênico. Essa qualidade é interessante para os pesquisadores porque significa que os óxidos metálicos podem ser capazes de purificar a água removendo contaminantes. Por exemplo, os óxidos metálicos de cério (CeO_x) e ferro (FeO_x) se mostraram muito bons para remover o arsênico da água. 

Se você conhece a animação Dragon Ball, pode imaginar que Goku é CeO_x e Vegeta é FeO_x. Ambos os óxidos têm o poder de capturar vários contaminantes da água, incluindo o arsênico, do mesmo modo que Goku e Vegeta têm o poder de derrotar os vilões que ameaçam o bem-estar da Terra. Você deve se lembrar de que Goku aprendeu uma técnica conhecida como Dança de Fusão, capaz de unir dois corpos em um único ser. Do mesmo modo, em anos recentes houve um interesse especial na combinação de óxidos metálicos para a remoção de arsênico da água. Isso ocorre porque esses óxidos bimetálicossão ainda melhores na remoção de contaminantes da água do que qualquer óxido sozinho [4].

 Em outras palavras, os óxidos metálicos CeO_x e FeO_x aumentam seu poder de captura do arsênico quando se fundem para criar CeO_x:FeO_x e isso lembra Goku e Vegeta que, fundindo-se em Gogeta, aumentam seus poderes para derrotar os malignos que ameaçam a Terra. Para conseguir isso, Goku e Vegeta devem alinhar perfeitamente seus dedos, com as pernas e os braços posicionados no mesmo ângulo (Figura 2A). 

Para criar óxidos metálicos, os pesquisadores devem determinar os parâmetros ideais, como temperatura, pressão e concentração de cada óxido metálico (Figura 2B). 

A Figura 2C mostra a estrutura desses materiais observada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os óxidos de cério (CeO_x) têm uma estrutura octaédrica (oito lados) e os óxidos de ferro (FeO_x) aparecem como estruturas em forma de flor. No entanto, o óxido bimetálico (CeO_x:FeO_x) tem uma estrutura completamente diferente, que lembra um feixe de pequenas agulhas grudadas em formato de nuvens [5]. A micrografia MEV de CeO_x:FeO_x (Gogeta) mostra muitos feixes minúsculos, proporcionando muita áreadesuperfície para o arsênico se fixar. 

Como os óxidos bimetálicos removem o arsênico da água? Broly é um vilão muito poderoso e, ainda bebê, seu imenso poder causava medo nas pessoas próximas. Tal como o Broly, o arsênico é perigoso porque pode provocar danos severos nos seres humanos mesmo em concentrações muito baixas. Assim, Goku (CeO_x) e Vegeta (FeO_x) unem forças para derrotar o poderoso vilão Broly (arsênico).

Os óxidos bimetálicos removem o arsênico por meio de um processo chamado adsorção, pelo qual uma ou mais substâncias presentes num fluido (líquido ou gás) se acumulam em uma superfície e são assim retirados do fluido. Basicamente, pedaços das moléculas do óxido bimetálico são substituídos pelo arsênico graças a uma reação chamada trocadeligante (Figura 3). Depois que se liga ao óxido bimetálico, o arsênico é removido da água e moléculas de água se formam pela reação [5]. Isso produz água livre do arsênico, em conformidade com o limite máximo de 10µg/L recomendado pela OMS. 

Os avanços científicos na síntese de materiais adsorventes, como CeO_x:FeO_x, não só resolvem um problema ambiental (contaminação de aquíferos por arsênico) como evitam o envenenamento de animais e humanos. Os óxidos bimetálicos são altamente promissores para remover vários contaminantes da água, mas fazer isso em larga escala continua a ser um grande desafio. Atualmente, o pequeno tamanho dos óxidos metálicos torna difícil seu uso em sistemas típicos de filtragem de água. Os cientistas estão trabalhando na fixação de óxidos bimetálicos a uma matriz, uma espécie de andaime que permita usá-los na purificação da água [6]. É necessário muito mais trabalho para continuar a desenvolver materiais novos e eficientes, capazes de combater a poluição da água e proteger a saúde do ambiente e da humanidade. 

Glossário

Aquíferos: Reservatórios de água localizados abaixo da superfície da Terra, onde ela circula através de rachaduras nas rochas. 

Óxido metálico: Combinação de um metal (como Ce ou Fe) com oxigênio. 

Óxido bimetálico: Combinação de dois metais diferentes (como Ce e Fe) com oxigênio.  Microscopia Eletrônica de Varredura: ↑ Técnica amplamente usada para examinar e analisar objetos extremamente minúsculos, que não podem ser vistos com um microscópio ótico “comum”.

Área de superfície: A área total de um material sólido, incluindo a do interior de poros. 

Adsorção: Fenômeno que ocorre quando moléculas, íons ou compostos em uma solução aderem à superfície de um material sólido. 

Troca de ligantes: Fenômeno que ocorre quando uma molécula troca uma parte de si mesma com outra molécula para formar um novo composto ou molécula. 

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelo projeto SEPCB-2014-01-237118 e FORDECYT-2018-8-297525 (CONAHCYT). 

Referências

[1] Shaji, E., Santosh, M., Sarath, K. V., Prakash, P., Deepchand, V. e Divya, B. V. 2021. “Arsenic contamination of groundwater: a global synopsis with focus on the Indian Peninsula.” Geosci. Front. 12:101079. DOI: 10.1016/j.gsf.2020.08.015.

[2] Patel, R., Shah, D., Shah, S. e Shah, M. 2022. “Green nanomaterials for removal of arsenic and fluoride contamination from wastewater.” Mater. Today Proc. 62:7318–23. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.05.100. 

[3] Shaji, E., Santosh, M., Sarath, K. V., Prakash, P., Deepchand, V. e Divya, B. V. 2021. “Arsenic contamination of groundwater: a global synopsis with focus on the Indian Peninsula.” Geosci. Front. 12:101079. DOI: 10.1016/j.gsf.2020.08.015.

[4] Hristovski, K., Baumgardner, A. e Westerhoff, P. 2007. “Selecting metal oxide nanomaterials for arsenic removal in fixed bed columns: from nanopowders to aggregated nanoparticle media.” J. Hazard. Mater. 147:26 –74. DOI: 10.1016/j.jhazmat. 2007.01.017

[5] Vences-Alvarez, E., Chazaro-Ruiz, L. F. e Rangel-Mendez, J. R. 2022. “New bimetallic adsorbent material based on cerium-iron nanoparticles highly selective and affine for arsenic (V).” Chemosphere 297:134177. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.134177.

[6] Rios-Saldaña, L. E., Pérez-Rodríguez, F., Vence-Alvarez, E., Nieto-Delgado, C. e Rangel-Mendez, J. R. 2022. “Synthesis of a granular composite based on polyvinyl alcohol-Fe:Ce bimetallic oxide particles for the selective adsorption of As(V) from water.” J. Water Process. Eng. 46:102621. DOI: 10.1016/j.jwpe.2022.102621. 

Citação

Vences-Alvares, E. e Rangel-Mendez, R. (2023). “Metallic superheroes that trap poisonous arsenic from water.” Front. Young Minds. 11:1152629. DOI: 10.3389/frym.2023.1152629. 

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