Óxido de grafeno: investigación científica demuestra su capacidad para transportar contaminantes orgánicos y provocar alteraciones neurológicas en peces

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Una investigación científica realizada por especialistas de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) y la Universidad de Burdeos, publicada en 2021 en la revista Science of the Total Environment, demostró que el óxido de grafeno tiene capacidad para transportar contaminantes orgánicos y provocar alteraciones biológicas en peces cebra (Danio rerio), entre ellas malformaciones embrionarias, alteraciones hepáticas y efectos neurotóxicos. El estudio, titulado Uptake and effects of graphene oxide nanomaterials alone and in combination with polycyclic aromatic hydrocarbons in zebrafish («Absorción y efectos de los nanomateriales de óxido de grafeno, solos y combinados con hidrocarburos aromáticos policíclicos, en peces cebra»), fue desarrollado por ocho investigadores, encabezados por Ignacio Martínez-Álvarez, con la participación de Amaia Orbea, Miren P. Cajaraville y otros especialistas de ambas instituciones. Los resultados permiten comprender cómo determinados nanomateriales pueden intervenir en el transporte de sustancias contaminantes dentro de los ecosistemas acuáticos y producir alteraciones en los organismos expuestos.

El óxido de grafeno como vehículo de contaminantes

El óxido de grafeno es un nanomaterial derivado del grafeno que contiene grupos funcionales oxigenados en su estructura. Sus características superficiales le permiten adsorber determinadas sustancias químicas, es decir, retenerlas sobre su superficie. Los investigadores estudiaron su capacidad para adsorber hidrocarburos aromáticos policíclicos, conocidos como HAP, una familia de compuestos orgánicos presentes, entre otras fuentes, en el petróleo y en productos derivados de procesos de combustión.

Los experimentos demostraron una elevada capacidad de adsorción del óxido de grafeno: 98 % de benzo(a)pireno, 95,7 % de fenantreno, 84,4 % de fluoreno y 51,5 % de acenafteno. En el experimento con benzo(a)pireno se utilizó una concentración nominal de 100 microgramos por litro. Estos resultados confirmaron que el óxido de grafeno puede retener contaminantes orgánicos y actuar como vehículo para transportarlos en el medio acuático. Los investigadores describieron este comportamiento mediante una comparación particularmente ilustrativa: el efecto del caballo de Troya. El nanomaterial puede transportar sustancias contaminantes hacia el interior de los organismos acuáticos, facilitando su contacto con estructuras biológicas.

Malformaciones durante el desarrollo embrionario

La investigación también examinó los efectos del óxido de grafeno sobre embriones de peces cebra. Los científicos utilizaron diferentes nanomateriales, entre ellos óxido de grafeno (GO), óxido de grafeno reducido (rGO) y óxido de grafeno con benzo(a)pireno adsorbido. Los experimentos registraron un incremento significativo de las malformaciones embrionarias cuando se utilizaron las concentraciones más elevadas, de 5 o 10 miligramos por litro. Estas alteraciones demostraron que la exposición a los nanomateriales estudiados puede afectar el desarrollo embrionario. Aunque los investigadores no registraron un incremento significativo de la mortalidad durante los tratamientos, las malformaciones constituyeron uno de los principales efectos biológicos identificados.

El óxido de grafeno fue localizado en el intestino de los peces

Los investigadores desarrollaron una segunda fase experimental utilizando peces cebra adultos, expuestos durante 21 días a diferentes tratamientos. Entre las condiciones estudiadas figuraron concentraciones de 2 miligramos por litro de óxido de grafeno, óxido de grafeno con benzo(a)pireno adsorbido y óxido de grafeno combinado con la fracción acuosa de petróleo crudo del mar del Norte. También se utilizó benzo(a)pireno a una concentración de 100 microgramos por litro. Los análisis permitieron identificar la presencia de óxido de grafeno en la luz intestinal de los peces expuestos, confirmando que el nanomaterial había ingresado en su aparato digestivo. Los investigadores también observaron vacuolización hepática, una alteración morfológica caracterizada por la presencia de vacuolas en las células o tejidos del hígado. Estos hallazgos documentaron la presencia del nanomaterial dentro del organismo y alteraciones en órganos relacionados con la digestión y el metabolismo.

Alteraciones bioquímicas y estrés oxidativo

El estudio examinó diversos indicadores bioquímicos para determinar los efectos de los tratamientos. Uno de los resultados fue el incremento significativo de la actividad de la enzima catalasa en las branquias de determinados grupos experimentales. La catalasa participa en los mecanismos celulares de defensa frente al estrés oxidativo, mediante la descomposición del peróxido de hidrógeno. Los investigadores encontraron una mayor actividad de esta enzima en peces expuestos durante tres días al benzo(a)pireno y al óxido de grafeno con benzo(a)pireno adsorbido, así como en los expuestos durante 21 días al óxido de grafeno combinado con la fracción acuosa del petróleo. Los resultados evidenciaron respuestas bioquímicas de los organismos frente a las sustancias estudiadas.

Neurotoxicidad: inhibición de la acetilcolinesterasa

Uno de los hallazgos más importantes de la investigación fue la disminución significativa de la actividad de la enzima acetilcolinesterasa en todos los grupos de peces tratados durante 21 días. La acetilcolinesterasa desempeña una función fundamental en el sistema nervioso. Su actividad permite degradar la acetilcolina, un neurotransmisor que participa en la transmisión de señales entre las células nerviosas y en la comunicación neuromuscular. La inhibición de esta enzima altera un mecanismo esencial para la regulación de la neurotransmisión.

Los investigadores identificaron esta disminución de actividad en todos los grupos tratados durante el período de exposición de 21 días y la señalaron como un indicador de efectos neurotóxicos. Este resultado adquiere especial relevancia porque demuestra la aparición de alteraciones funcionales asociadas a una exposición prolongada. La duración de la exposición constituye, por consiguiente, una variable fundamental para comprender los efectos biológicos de estos nanomateriales.

Una investigación sobre los efectos de los nanomateriales en los ecosistemas acuáticos

Los resultados de la investigación permiten establecer que el óxido de grafeno posee capacidad para adsorber hidrocarburos aromáticos policíclicos y transportarlos en el medio acuático. Los experimentos también documentaron diferentes efectos subletales en peces cebra, entre ellos malformaciones embrionarias, vacuolización hepática, modificaciones de la actividad enzimática y alteraciones relacionadas con el funcionamiento del sistema nervioso. La investigación examinó tanto el óxido de grafeno administrado individualmente como sus combinaciones con contaminantes orgánicos, aportando información sobre las respuestas biológicas producidas por distintas condiciones de exposición. El estudio constituye una contribución científica al conocimiento de la toxicidad de los nanomateriales carbonosos y de su interacción con contaminantes presentes en los ecosistemas acuáticos.

Referencia científica

Autores: Ignacio Martínez-Álvarez, Karyn Le Menach, Marie-Hélène Devier, Iranzu Barbarin, Radmila Tomovska, Miren P. Cajaraville, Hélène Budzinski y Amaia Orbea. Título: Uptake and effects of graphene oxide nanomaterials alone and in combination with polycyclic aromatic hydrocarbons in zebrafish. Revista: Science of the Total Environment. Año: 2021. Identificador PubMed: PMID 33618313. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145669. Información institucional: Universidad del País Vasco, Campusa, 6 de mayo de 2021. «Cual caballo de Troya, el óxido de grafeno puede transportar contaminantes orgánicos a los peces».