Muestreo e identificación de microplásticos en aguas subterráneas

En los últimos años, los microplásticos (MP) han sido identificados como un importante contaminante ambiental. Debido a su potencial para entrar en la atmósfera, los MP forman parte del ciclo del agua¹. La deposición atmosférica y la escorrentía superficial son las principales vías a través de las cuales los MP ingresan a las aguas superficiales². Los MP proceden de diversas fuentes terrestres y acuáticas, y las fuentes terrestres contribuyen al 80% de su cantidad total³. Al ingresar a los ecosistemas acuáticos, la mayoría de los MP terrestres son transportados a los océanos a través de los ríos. Los MP restantes persisten en ambientes de agua dulce, con aguas superficiales en áreas densamente pobladas y urbanizadas, caracterizadas por largos tiempos de residencia del agua y una influencia antropogénica significativa, que exhiben niveles más altos de contaminación por MP. Las aguas superficiales también pueden conectarse a las aguas subterráneas en lechos de ríos, llanuras aluviales, humedales y manantiales⁴.

Aunque la investigación realizada en hábitats de agua dulce representó menos del 4% de la literatura disponible en 2018⁵, el creciente reconocimiento de la necesidad de comprender mejor las fuentes de MP en los ambientes acuáticos ha impulsado desde entonces un aumento notable en los estudios centrados en los sistemas de agua dulce⁶. Si bien el número de estudios sobre las aguas subterráneas sigue siendo limitado, la evidencia de la presencia de MP en las aguas subterráneas ha sido bien documentada. Dado que el agua subterránea es la fuente más importante de agua dulce en el mundo, proporcionando a más de dos mil millones de personas acceso a agua potable segura, agua para uso doméstico, agrícola e industrial⁷, la presencia de MP en las aguas subterráneas plantea nuevas preguntas sobre la seguridad de las aguas^{subterráneas} en el siglo XXI⁸.

Las fuentes terrestres de MP pueden ser muy diversas, y las MP fibrosas del lavado de textiles representan aproximadamente el 35% de las MP detectadas en los sistemas acuáticos⁹. Otras fuentes importantes de diferentes tipos de MP en el medio ambiente incluyen productos cosméticos y de cuidado personal, neumáticos, películas plásticas agrícolas, césped artificial y revestimientos de carreteras, vertederos, plásticos desechados incorrectamente, envases y contaminantes de la industria de la construcción ^9,10.

Debido a sus muchas fuentes diferentes, los MP pueden diferir sustancialmente en términos de su composición química, color, forma, densidad, tamaño y otras características¹¹. La norma internacional ISO 24187:2023 clasifica los MP en dos categorías: 1) "microplásticos grandes": partículas de plástico sólidas e insolubles en agua con tamaños que oscilan entre 1 mm y 5 mm, y 2) "microplásticos": cualquier partícula de plástico sólido insoluble en agua con tamaños que oscilan entre 1 μm y 1 mm. Las partículas menores de 1 μm se consideran nanopartículas¹². Los materiales poliméricos más frecuentemente encontrados en forma de MPs son el polietileno (PE) y el polipropileno (PP), como los materiales poliméricos más producidos¹³.

Los MP pueden transportarse a las aguas subterráneas desde suelos y sedimentos, a través de interacciones con aguas superficiales y agua de mar, y mediante procesos de recarga/descarga. Durante estos procesos, los MP pueden transportarse hacia y desde las aguas subterráneas¹⁴. La zona hiporreica (ZH) sirve como una interfaz importante para el intercambio entre el río y el sistema de aguas subterráneas poco profundas¹⁵. El transporte de MP a través del HZ está influenciado por varias propiedades de las partículas (tamaño, forma, composición del material), así como por ciertos factores hidrológicos y geoquímicos, incluida la morfología del lecho del río y la turbulencia del flujo¹⁵. La relación entre el diámetro de poro y el tamaño de MP es otro factor crucial en estos procesos¹⁶, ya que los MP con dimensiones más pequeñas se mueven más fácilmente a través del espacio poroso desde la superficie hacia las capas subsuperficiales^15,16.

Los parlamentarios pueden ingresar al agua subterránea a través de la zona no saturada¹⁷. La zona no saturada representa una conexión importante entre la superficie terrestre y el agua subterránea¹⁸. Los procesos de transporte y retención de MP en la zona no saturada dependen de las propiedades de las partículas, las propiedades del suelo y los factores ambientales 17,19,20. Los organismos del suelo como las lombrices de tierra, los colémbolos y los ácaros pueden influir en el transporte de MP desde la superficie del suelo a capas más profundas a través de diversos mecanismos como el desplazamiento, la ingestión, el engullimiento y la adherencia^21,22. Los invertebrados pueden afectar indirectamente el transporte de microplásticos al formar macroporos en el suelo, que actúan como vías para el movimiento de microplásticos a través de la lixiviación²¹.

La principal preocupación con respecto a la presencia de MP en las aguas subterráneas es su persistencia relacionada con la gran superficie, los procesos de degradación menos amigables con el medio ambiente (que conducen a la formación de micro e incluso nanopartículas) y la fuerte hidrofobicidad¹⁷. Su persistencia causa un riesgo potencial de afectar la calidad del agua subterránea desde una perspectiva química y biológica. Los MP pueden contaminar químicamente las aguas subterráneas mediante la lixiviación de monómeros y aditivos no unidos, así como de productos químicos absorbidos del medio ambiente (por ejemplo, contaminantes orgánicos persistentes hidrófobos⁾²³. Los MPs también pueden servir como sustrato para la formación de biopelículas e influir en la microbiología de las aguas subterráneas. Las biopelículas en MP también pueden contener microorganismos y patógenos de vida libre²³. Si se ingieren, las partículas en sí mismas representan un peligro físico. Cuanto menor sea el tamaño de partícula, mayor será la posibilidad de que sean absorbidas por las células o crucen las barreras biológicas de los organismos²³.

La investigación sobre los MP en las aguas subterráneas se reconoce cada vez más como crítica debido al riesgo potencial que representan para la salud humana. En consecuencia, la Directiva revisada sobre el agua potable para medir los MP entró en vigor en enero de 2021. Los Estados miembros de la UE estaban obligados a transponer la Directiva a la legislación nacional y garantizar el cumplimiento de sus disposiciones a más tardar el 12 de enero de 2023. Sin embargo, el número de estudios sobre parlamentarios realizados hasta la fecha sigue siendo limitado. Actualmente no existe un procedimiento estándar para muestrear y analizar MP en aguas subterráneas. Los estudios que evalúan la presencia de MP en las aguas subterráneas son difíciles de comparar, ya que utilizan diferentes enfoques analíticos y de muestreo. Por lo tanto, estudios recientes han puesto de manifiesto la necesidad urgente de estandarizar los protocolos de muestreo y análisis de MP para garantizar la recolección de muestras de alta calidad y obtener resultados comparables 12,17,24,25.

El muestreo basado en filtración y el muestreo de agarre son dos métodos comúnmente utilizados para recolectar muestras de agua subterránea en estudios de MP hasta la fecha. La filtración consiste en hacer pasar el agua a través de filtros de malla, ya sean cartuchos de acero inoxidable²⁶ o tamices²⁷, en el campo para capturar partículas de MP. Un gran inconveniente del uso de cartuchos y tamices es la dificultad de limpiarlos a fondo de partículas residuales, lo que compromete la capacidad de garantizar un análisis completo de las muestras y aumenta el riesgo de contaminación cruzada. El muestreo de agarre, utilizado con frecuencia en muchos estudios 28,29,30, es un enfoque más simple en el que el agua se recolecta directamente usando botellas o recipientes sin tratamiento previo. Si bien es adecuado para estudios exploratorios, el muestreo por agarre no refleja con precisión las concentraciones de MP debido a los pequeños volúmenes de muestra.

Este estudio presenta un sistema recientemente desarrollado para muestrear MP en aguas subterráneas (Figura 1), basado en la filtración de campo utilizando filtros disponibles comercialmente de tamaños de poro personalizables. El sistema permite la filtración simultánea de múltiples muestras y admite la filtración en cascada. Diseñado como una configuración completamente cerrada, evita eficazmente la contaminación ambiental de las muestras. Se proporciona un protocolo de muestreo detallado, acompañado de pautas de video, junto con procedimientos para el análisis posterior de la composición química y otras características de los MPs detectados. El sistema tiene como objetivo mejorar la calidad, la consistencia y la comparabilidad de la investigación futura en este campo.

1. Preparación del pozo para el muestreo

NOTA: Para evitar la contaminación en el campo, mantenga cerrado el sistema de filtrado, excepto cuando inserte los filtros o tome muestras. Evite el uso de herramientas y recipientes de plástico. Evite la ropa sintética (por ejemplo, vellón); Usa una bata de laboratorio de algodón blanco.

1. Abra el pozo y retire los muestreadores, si los hay. Mida el nivel del agua subterránea con un medidor de nivel de agua.
2. Registre las coordenadas GPS del pozo, la fecha del muestreo, el nivel del agua y otros detalles del muestreo en la hoja de datos (Tabla 1).

2. Configuración del equipo de muestreo

1. Ensamble y baje con cuidado la bomba sumergible en el pozo a la profundidad deseada. Asegúrese de que la entrada de la bomba esté colocada aproximadamente 1 m por encima de la parte superior de la pantalla del filtro para evitar la entrada de sedimentos y mantener un flujo de agua óptimo.
   NOTA: Durante la instalación, manipule la bomba con cuidado para evitar daños en su cableado o componentes mecánicos.
2. Configure el sistema de filtrado sin el filtro, soporte de pantallas y filtros y colóquelo horizontalmente.
3. Cierre la válvula principal y abra la válvula de derivación.
4. Conecte la manguera de suministro de agua.

3. Limpieza del pozo

1. Encienda la bomba sumergible y deje que el agua fluya a través del bypass para limpiar el pozo. Bombee al menos 3 veces el volumen de agua presente en el pozo o continúe bombeando hasta que los parámetros fisicoquímicos se estabilicen, para garantizar que se muestree agua subterránea fresca.

4. Limpieza del sistema de filtrado antes de la toma de muestras

1. Abra las válvulas de los ramales de muestreo y la válvula principal del sistema de filtrado. Luego, cierre la válvula de derivación.
   NOTA: Deje que el agua fluya a través del sistema de filtrado durante un tiempo suficiente para garantizar un lavado efectivo, que puede depender de la velocidad de bombeo. Durante el proceso de limpieza, se deben quitar las pantallas de soporte del filtro y los filtros.

5. Inserción de los filtros

1. Primero abra la válvula de derivación y luego cierre la válvula principal.
2. Abra la cámara del filtro y verifique que las cámaras del filtro estén limpias. Enjuague con agua ultrapura, si es necesario.
3. Inserte la pantalla de soporte del filtro.
4. Enjuague el filtro del tamaño de poro deseado con agua ultrapura y colóquelo en la pantalla de soporte del filtro.
5. Cierre la cámara del filtro.
6. Repita el proceso para todas las ramas.
   NOTA: Se pueden insertar secuencialmente varios filtros con tamaños de poro decrecientes para la filtración en cascada. Posteriormente se pueden instalar cámaras de filtrado adicionales con filtros del mismo tamaño de poro que los filtros de muestreo. Así lo exige el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, de 11 de marzo de 2024, por la que se completa la Directiva (UE) 2020/2184 del Parlamento Europeo y del Consejo para la toma de muestras de MP en el agua potable, que exige el uso de filtros de 100 μm y 20 μm seguidos de otro conjunto de filtros de 100 μm y 20 μm (como blancos a efectos de control de calidad).

6. Recogida de muestras

1. Lea y registre el medidor de agua o restablezca a cero.
2. Abra la válvula principal, cierre la válvula de derivación y marque la hora de inicio del muestreo.
3. Supervise el manómetro durante el muestreo para asegurarse de que la presión no supere los cuatro bares para evitar dañar el equipo y minimizar la fragmentación de MP.
4. Detener el muestreo cuando se filtra el volumen de agua planificado o cuando los filtros comienzan a obstruirse, lo que indica un aumento de la presión o una disminución significativa del flujo.
5. Para detener el muestreo, primero abra la válvula de derivación y luego cierre la válvula principal y las válvulas en las ramas de filtración.
6. Apague la bomba.
7. Registre la hora y las lecturas finales del medidor de agua.
   NOTA: Para obtener una muestra representativa de agua subterránea en el punto de muestreo, se recomienda tomar muestras de mayores volúmenes de agua, por ejemplo, al menos 1 m³/réplica.
   Es imperativo monitorear continuamente todo el sistema de muestreo, particularmente el medidor de agua y el manómetro, durante todo el procedimiento de muestreo. Un aumento de la presión acompañado de una disminución del flujo de agua indica que el filtro está empezando a obstruirse. Cuando esto ocurre, es recomendable detener el sistema y reemplazar los filtros usados por otros nuevos. Al recolectar la muestra a través de múltiples filtros de esta manera, el volumen deseado de agua filtrada aún se puede lograr de manera eficiente.

7. Recogida de los filtros

1. Enjuague una placa de Petri de vidrio con agua ultrapura.
2. Abra la cámara del filtro y transfiera con cuidado el filtro mantenido en posición horizontal, a una placa de Petri limpia.
3. Selle la placa de Petri con una película de sellado y etiquétela con el nombre de la muestra y la fecha de muestreo.
4. Repita este procedimiento para todas las cámaras de filtro (Figura 2).
5. Después de la recolección de muestras, desmonte el sistema. Siempre enjuague el sistema con agua dulce y séquelo antes de guardarlo.
   NOTA: Alternativamente, almacene todo el componente de la cámara de filtro del sistema de filtrado para su posterior procesamiento en el laboratorio.

8. Separación de microplásticos de las muestras

NOTA: Para evitar la contaminación en el laboratorio, antes de comenzar el análisis de las muestras, asegúrese de que el laboratorio esté limpio de polvo, cierre la ventana y use aire acondicionado con filtro HEPA. Evite el uso de herramientas y recipientes de plástico. La cristalería debe enjuagarse con agua ultrapura y revisarse bajo el microscopio antes de su uso. Use ropa no sintética. Use una bata de laboratorio de algodón blanco para minimizar la contaminación.

NOTA: El microscopio estereoscópico debe estar equipado con una cámara y un software de análisis de imágenes que permita una medición precisa del tamaño de las partículas.

1. Retire la película de sellado y abra la placa de Petri.
2. Transfiera la placa de Petri al microscopio estereoscópico con un aumento de al menos 30x y busque partículas potencialmente plásticas, centrándose en características como el color, la forma y otras características visibles.
3. Transfiera cada partícula que parezca ser plástico, tome una foto y mida su tamaño. Evalúe las siguientes propiedades para cada partícula de MP: tamaño (partículas: feretmax o diámetro equivalente al área; fibras: ancho y largo), forma (partículas: fragmento, película, espuma, gránulo, gránulo; fibras), color y composición química (la metodología se describe a continuación) (Figura 3).
   NOTA: Tenga en cuenta que algunos parlamentarios serán fácilmente identificables por su color y forma, mientras que otros pueden ser más desafiantes.
   Los principales parámetros para la identificación de MP se describen en el protocolo para el muestreo de MP en la superficie del mar y el análisis de muestras²⁶. La luz polarizadora puede ser muy útil para separar MP de sedimentos y partículas orgánicas. Al aislar los MP potenciales de las muestras, opte por un enfoque conservador seleccionando más partículas en lugar de menos para un análisis detallado.

9. Identificación química de microplásticos

NOTA: El análisis químico de MP potencial se puede realizar para MP grandes (1-5 mm) usando ATR-FTIR y para MP pequeños (<1 mm) usando micro-ftir. también son posibles métodos alternativos, como la espectroscopia raman.
El software del instrumento FTIR debe admitir el control preciso de los parámetros de medición y la adquisición de datos espectrales en tiempo real, junto con herramientas de procesamiento avanzadas como la corrección de fondo y el suavizado. Debe incluir una biblioteca completa de polímeros y permitir una identificación fiable de sustancias mediante la comparación de bibliotecas espectrales para apoyar el análisis preciso de microplásticos en muestras ambientales, especialmente en matrices complejas como las aguas subterráneas.

1. Espectroscopia ATR-FTIR
   1. Antes de comenzar el análisis, limpie a fondo el cristal ATR y el presor de muestras con alcohol al 70% y un paño sin pelusa.
   2. Configure los ajustes de medición en 16 escaneos típicos con un número de onda que oscila entre 4000 y 450 cm ^-1 y una resolución de 4 cm ^-1. Luego, recopile el espectro de fondo. Coloque las partículas una por una sobre el cristal ATR, aplique presión e inicie las mediciones.
   3. Haga coincidir los espectros infrarrojos adquiridos con los de las bibliotecas de referencia para confirmar que las partículas son MP. Por lo general, una correlación del 70% con los espectros de la biblioteca se considera suficiente para una identificación positiva (Figura 4).
   4. Exporte los datos obtenidos para su posterior análisis e informes.
2. Espectroscopia Micro-FTIR
   1. Asegúrese de que todas las partes relevantes del instrumento, como la platina, se limpien con alcohol y un paño sin pelusa, antes del análisis.
   2. Si el muestreo no se ha realizado directamente en una superficie adecuada para el modo de medición seleccionado, como ATR o reflexión, coloque las posibles partículas de plástico en una superficie reflectante adecuada, como membranas recubiertas de oro o aluminio o portaobjetos de microscopio.
   3. Seleccione la configuración de medición para la sesión, incluido el número de escaneos, el rango espectral, la resolución y el nombre de la sesión. Localice la muestra y capture una imagen en mosaico del área donde se encuentran todas las partículas.
   4. Para las mediciones de reflexión, primero mida el fondo antes de medir los espectros infrarrojos de las posibles partículas de plástico.
   5. Identifique y marque los puntos donde se medirán los espectros infrarrojos de las partículas seleccionadas. Si es necesario, seleccione varios puntos en cada partícula. Después de seleccionar todos los puntos, inicie la medición.
      NOTA: También es factible obtener imágenes infrarrojas de áreas de interés más grandes, particularmente si la muestra se recolecta directamente en una superficie de medición infrarroja adecuada.
   6. Compare los espectros infrarrojos recopilados con los de las bibliotecas de referencia. Elija un valor umbral para establecer la presencia de parlamentarios. Por lo general, una coincidencia del 70% es suficiente para una identificación positiva.
   7. Exporte los datos obtenidos para su posterior análisis e informes.

El primer resultado de este protocolo es la base de datos de todos los MP encontrados en cada muestra (Tabla 2), que se puede utilizar para un análisis posterior de la cantidad de MP y sus propiedades (color, tamaño, forma en la composición del material).

El objetivo principal del muestreo de MP y el análisis de muestras es determinar la cantidad de partículas de MP por muestra (Figura 5). Estos datos se pueden normalizar posteriormente por metro cúbico (m3). La fórmula de normalización es la siguiente:
Partículas MP por m3 por muestra = N / V

Dónde:
N = suma de partículas MP por muestra
V = volumen de muestra (m3)

Figura 1: Esquema del sistema de muestreo utilizado en el protocolo. El sistema de muestreo consta de una tubería de entrada con tres patas, en la que una pata está dispuesta para la conexión a una bomba, una segunda pata está dispuesta para la conexión a una unidad de distribución y una tercera pata está dispuesta para garantizar un desvío del agua más allá de las unidades de muestreo. La unidad de distribución tiene cuatro ramas dispuestas simétricamente para la conexión a la unidad de muestreo correspondiente, en la que en el centro de la unidad de distribución se instala un dispositivo de medición de presión. Cada unidad de muestreo está provista de una válvula, tres portafiltros y un medidor de flujo instalado aguas abajo del portafiltros para evitar la contaminación de la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Ejemplo de filtros después de 1 m3 de agua subterránea muestreada. Izquierda: filtro de red de nailon con un tamaño de poro de 100 μm, derecha: filtro de red de nailon con un tamaño de poro de 20 μm. Los filtros pueden diferir en la cantidad de sedimentos y partículas orgánicas, según la ubicación del muestreo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Ejemplos de partículas representativas de diversas formas. (A) fragmentos; (B) fibras. Las barras de escala se muestran en las imágenes. Las partículas pueden ser de muchos colores, formas y tamaños diferentes. El tamaño de los fragmentos se mide como diámetro de Feret o diámetro equivalente al área, mientras que las fibras se miden en su longitud y anchura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Ejemplos de espectros medidos en una partícula seleccionada con picos marcados y sus longitudes de onda [cm-1], comparados con una biblioteca espectral. El espectro de la muestra debe mostrar al menos un 70% de correlación con los espectros de referencia de la biblioteca. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Resultados de ejemplo del número de microplásticos por m3 por lugar de muestreo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1: Ejemplo de hoja de datos de muestreo, que incluye parámetros como ubicación, fecha, condiciones ambientales y datos relacionados con la filtración de agua.

Tabla 2: Ejemplo de base de datos de todas las partículas microplásticas aisladas por muestreo, incluidos parámetros como forma, tamaño, color y material para cada partícula.

Los autores no tienen conflictos de intereses que divulgar.