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Nanopartícula: El Invisible Zoo que Respiramos




¿Cuándo es peligroso lo que respiramos? ¿Y cuál es su grado de peligrosidad? Una pregunta imprescindible para empleadores, fabricantes de máquinas y automóviles y aseguradoras, entre tantos otros. El Dr. Markus Kasper nos explica cómo averiguarlo y qué hacer al respecto para minimizar los riesgos.


Con cada aliento inhalamos cientos de millones de nanopartículas. Cada centímetro cúbico de nuestro aire urbano contiene entre algunos miles y varias decenas de miles de partículas submicrónicas de polvo. De todas las partes del cuerpo humano que interactúan con el medio ambiente el pulmón tiene por lejos la mayor superficie: 140 m2, algo así como la superficie de una cancha de tenis. Respirar es, pues, el mecanismo más importante para absorber partículas; como no podemos dejar de respirar, vale la pena echar una mirada a estos minúsculos intrusos. Muchos de ellos son submicrónicos, con tamaños que van de 20 a 500 nanómetros , lo bastante pequeños para alcanzar los alvéolos y hasta penetrar en las membranas celulares, distribuirse sobre todo nuestro cuerpo -y ser peligrosamente invisibles.
Durante las últimas décadas las sociedades industriales y post-industriales han logrado reducir notablemente la contaminación visible del aire; hoy casi no vemos las chimeneas humeantes que fueron símbolo de la revolución industrial. Sin embargo, no se redujeron simultáneamente las alergias, las enfermedades pulmonares ni numerosos síntomas no específicos de morbilidad; más aun, tampoco dejó de crecer la mortalidad como hubiese sido de esperar en vista de los valores cada vez mejores que arroja el control del aire ambiental. Es cada vez más evidente que estuvimos controlando un aspecto equivocado de las partículas en suspensión y tendríamos que empezar a buscar otro nuevo que describa mejor los efectos sobre la salud. Nuestro primer paso es una investigación más minuciosa del objeto de nuestro interés: las partículas en sí.
Este simple término -“partículas”- es algo engañoso pues sugiere una sustancia única, y un único y sencillo método para medirla. Sin embargo, lo que en realidad encontramos en los laboratorios de investigación, las cabinas de medición del aire ambiente, los analizadores de gases de escape y muchos otros recursos es una enorme variedad de métodos e instrumentos para medir y caracterizar partículas. Y es esta abundancia de recursos y equipos lo que nos da un primer indicio de cuán complejo es este “zoológico” termodinámico de materiales suspendidos en gases. Dentro de las restricciones de este artículo, nos centraremos en unos pocos métodos de interés público, el PM10 y el PM2.5 que están orientados a la salud, el recuento de cantidad de partículas y la determinación de su superficie.

PM10 y PM2.5

Los actuales estándares europeos para el aire ambiente se basan en el PM10, partículas de materia PM10 de tamaño inferior a 10 micrones o menos de un centésimo de milímetro. Se elige este punto de corte de 10 micrones para limitar la medición a la fracción de polvo que se inhala, es decir, las partículas que no son atrapadas en la nariz y otras partes de las vías aéreas superiores sino que llegan a la profundidad del pulmón alcanzando los alvéolos. En una típica estación de control de calidad del aire ambiente se bombea aire al equipo de medición empleando una cabeza de muestras especial para el punto de corte de 10 micrones. En un filtro se toman solamente las partículas finas que han atravesado el selector de muestras por tamaño. El filtro se pesa a intervalos regulares, por lo general de una a cuatro veces por día, y se reemplaza por otro nuevo.
PM10 es un ejemplo de la clase de métodos de medición basados en la masa de las partículas. Al centrarse en la fracción inhalable de polvo, constituye un enorme adelanto con respecto al anterior análisis de Partículas Totales en Suspensión (TSP según su sigla en inglés) que no seleccionaba por tamaño. Sin embargo, aumentan las evidencias epidemiológicas y toxicológicas según las cuales los efectos sobre la salud no se correlacionan bien con la masa de las partículas. El principal motivo de esta discrepancia es la falta de diferenciación química y física de las partículas recolectadas: hollín carbonoso, polvo agrícola, partículas de sal, polen y cualquier otra cosa que pueda hallarse flotando en la atmósfera -todo va al mismo recipiente, sin considerar su toxicidad individual.

¿Cuánto Pesa un Zoológico?

Nadie clasificaría un zoológico por el peso global de los animales que lo habitan (¿cuántas libélulas equivalen a un elefante africano?), pero es exactamente lo que hacemos cuando medimos la concentración total de masa de las partículas que flotan en el ambiente.
Un ejemplo muy popular es el de las islas de Hawai donde los valores de PM10 alcanzan regularmente concentraciones alarmantes. Sin embargo, en Hawai el aire es muy saludable: las partículas de materia consisten casi exclusivamente en sal marina. Por el contrario, en nuestros centros urbanos post-industriales vivimos en el fondo de un cóctel de aerosoles muy poco apetecible. Se sabe que las partículas de hollín emitidas por la combustión de vehículos y madera son carcinógenas, pero al ser tan pequeñas casi no tienen masa. Por lo tanto, su contribución al PM10 es pequeña, y no representa por cierto su nivel de toxicidad. Podríamos decir que las partículas de hollín -pequeñas, livianas, casi invisibles y potencialmente mortales- son las moscas tsetsé de nuestro nanozoológico en aerosol.
En Estados Unidos la legislación complementa sus límites PM10 con un punto de corte aun más estricto para las partículas finas, el PM2.5, a fin de crear una búsqueda más específica de partículas de origen industrial. Sin embargo, el PM2.5 tampoco logra vencer las principales desventajas de la medición de masa, por lo que los valores medidos y los efectos sobre la salud siguen teniendo una correlación muy débil.
El uso de filtros de partículas como sistemas de tratamiento posterior en todos los procesos de combustión es una forma muy efectiva de reducir la parte más tóxica del nano-zoológico en suspensión. Pero aun si lográsemos reducir significativamente el potencial tóxico del aerosol ambiental instalando trampas de partículas en cada fuente de combustión, la reducción de PM10 o PM2.5 sería descorazonadora porque la contribución del hollín de combustión a la masa total es extremadamente pequeña: ya no habría en nuestro zoológico moscas tsetsé que nos piquen, pero mientras permanezcan los elefantes africanos no se producirá una reducción registrable del peso global de los animales. Aunque PM10 y PM2.5 son medidas exactas de la masa de las partículas en suspensión, no pueden reflejar adecuadamente los beneficios que tendrían sobre la salud las estrategias efectivas de reducción de emisión como el filtro de partículas.

Abordajes para la Salud

En el campo de los riesgos laborales suele conocerse bien la fuente del contaminante y sus efectos sobre los trabajadores expuestos. Empleadores y aseguradores suelen afrontar enormes gastos cuando el daño ya se hizo, y por ello las instituciones dedicadas a la salud y la seguridad laboral han desarrollado definiciones muy específicas de tóxicos y enfermedades laborales que no dejan dudas sobre si la enfermedad de un trabajador se debe a una exposición laboral o a otra causa. El asbesto es un ejemplo de una definición precisa y un método útil de cuantificación de un tóxico en suspensión aérea: se cuentan las fibras sin tomar en cuenta su masa, porque en términos toxicológicos sería inútil medirla.
En muchos países, las emisiones de motores diesel en los lugares de trabajo están sujetas a un valor límite de carbón elemental (CE) en suspensión, que es un valor métrico basado en el método Coulométrico. Mediante filtros se toman muestras de modo similar al PM10, pero con un punto de corte de tamaño de 5 micrones. Luego se analiza el filtro buscando específicamente la masa de carbón y descartando cualquier otro componente. Mediante un laborioso procedimiento de calentamiento por etapas, primero en una atmósfera inerte y luego en oxígeno, el material carbonoso, tanto orgánico como inorgánico, se convierte en CO2 que puede cuantificarse con gran precisión. Las ventajas de la exacta definición de un contaminante quedan ilustradas en el siguiente ejemplo tomado de las excavaciones de túneles en Suiza. En 2000 se introdujeron obligatoriamente el retrofit de los equipos de construcción diesel con filtros a partículas. La reducción de alrededor del 99% de la emisión de partículas en el tubo de escape, lograda con filtros de partículas, se refleja en una mejora del 90% en la exposición laboral a CE: en apenas cinco años, las concentraciones de CE en los lugares de trabajo se redujeron de 400 µg/m3 a menos de 40 µg/m3, valor que apenas excede la concentración ambiente fuera del túnel.
El análisis coulométrico de CE no detecta partículas de otras substancias encontradas en algunos lugares de trabajo y en el aire ambiental, tales como vapores de soldaduras metálicas o de fundición, partículas de ceniza en emisiones de tubos de escape (producidas por combustión de lubricantes) o, más recientemente, nanopolvos generados por procesos de producción. Pueden servir como referencia recientes pautas dictadas por los organismos alemanes de salud laboral (BIA según su sigla en alemán) con respecto a dichas partículas. Se fijan dos grandes criterios para determinar el potencial tóxico de las partículas en suspensión aérea: tamaño y solubilidad. Según esta clasificación, los riesgos más graves para la salud se originan a partir de partículas no solubles de menos de 200 nanómetros. Asimismo, BIA recomienda para obtener una estimación adecuada de toxicidad, caracterizarlos por concentración de superficie o número de partículas, pero no por masa. En nuestro zoológico esto correspondería, por ejemplo, a seleccionar solamente los animales venenosos y contarlos.

Recuento de Número de Partículas en Emisiones de Tubos de Escape

Un criterio similar se está poniendo actualmente en marcha para las partículas de hollín en emisiones de escapes de vehículos terrestres. El proyecto del estándar Euro 5 de emisiones contiene pautas para la medición de la concentración de cantidad de partículas como parte del procedimiento de aprobación de nuevos modelos de vehículos; recientemente se anunció un valor límite de 5·1011 partículas por kilómetro. El procedimiento de medición se basa en resultados del Programa de Medición de Partículas UN-ECE (PMP) y requiere el recuento de partículas sólidas, no volátiles. Mediante la combinación de un sistema de dilución de partículas seguido de un tubo de evaporación se produce una eliminación confiable de nanogotículas volátiles, asegurando que sólo ingrese al instrumento de recuento la fracción sólida de la muestra del escape.
La técnica más popular para contar partículas es el contador de partículas de condensación (CPC). Podemos imaginar el principio operativo como “una nube en una caja”. Las nanopartículas que ingresan al instrumento sirven como núcleos de condensación de pequeñas gotículas que luego se cuentan una por una utilizando ópticas láser. Podríamos preguntarnos por qué las partículas no se envían directamente al contador láser, sino que deben pasar primero por el desvío de la formación de gotículas. El motivo es simple: las partículas en sí son demasiado pequeñas para poder contarse (en realidad son invisibles), pero luego de generar a su alrededor una gotícula se tornan suficientemente grandes -como ocurre con algunos insectos en el zoológico que sólo pueden verse a través de una lupa, pues su tamaño impide percibirlos a simple vista. Los CPC son los instrumentos on-line más sensibles para contar partículas de que actualmente se dispone en el mercado, pudiendo medir concentraciones de menos de una partícula por centímetro cúbico (cm3) en un rango de tamaños de 3 μm hasta casi 1 µm. Convertido a masa de partículas, el límite de detección corresponde a un valor mejor que un atto-gramo por cm3 (1E-18 g/cm3).

Medición de Superficie de Partículas

Es cada vez mayor el número de expertos en salud que sostienen que la superficie de las partículas describe mejor los efectos sobre la salud que su cantidad. La superficie de la partícula es lo que toma contacto con un sistema biológico contaminado como pueden ser las células pulmonares humanas, y la superficie de las partículas determina la cantidad de “lugares” químicos en los que pueden producirse reacciones tóxicas. El cargador por difusión es un método on-line para cuantificar la superficie de partículas; se adhieren iones a ellas dándoles una carga eléctrica. Mediante el control de esta carga se mide en forma directa la superficie total de las partículas capturadas. El aerosol urbano típico tiene una superficie activa de 10 a 100 milímetros cuadrados por metro cúbico (mm2/m3).
El procedimiento ideal -contar cantidades y medir superficies- se combina en un nuevo sensor portátil -el Clasificador de Tamaño por Difusión -Diffusion Size Classifier (DiSC)- que mide simultáneamente la superficie de las partículas, concentración por cantidad y tamaño medio. Este tipo de equipo puede emplearse para medir exposiciones personales (si una persona lo lleva consigo) o para evaluar la contaminación en cualquier otra aplicación móvil o fija. También puede servir como herramienta para controlar las emisiones bajas de tubos de escape en vehículos equipados con un filtro de partículas diesel, y distinguir los filtros bien mantenidos de los dañados o con pérdidas. A partir de 2009, los vehículos que cumplan con la norma Euro 5 tendrán una certificación de nanopartículas y poco tiempo después el mantenimiento e inspección de dichos vehículos deberán ser específicos para nanopartículas. Todo un desafío, pero los equipos de medición necesarios ya existen.

Domesticando el Nanozoológico

Las nanopartículas en suspensión aérea han sido identificadas como el peor riesgo para la salud pública en ambientes post-industriales. Sin embargo, van desde el inocuo aerosol de sal hasta el hollín de combustión que es extremadamente carcinógeno. Lo que respiramos cuando estamos atrapados en un embotellamiento de tránsito, dentro de una innovadora fábrica de nanopolvo o mientras disfrutamos de un día en la playa puede ser o no un peligro para nuestra salud.
Como en un zoológico real, solo algunos animales son peligrosos. No tiene sentido eliminar al elefante africano, cuando lo que nos mata es la enfermedad del sueño de la mosca tsetsé. El análisis específico, detallado y rápido de los aerosoles de nanopartículas a los que estamos expuestos es el único medio que nos permitirá entender con exactitud los complejos problemas sanitarios vinculados con las partículas, permitiéndonos reducir de modo efectivo la emisión de fracciones de partículas tóxicas donde resulta más barato hacerlo: en su origen.

Traducción: Mauricio Kitaigorodzki

 
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