Translated by: Isabel Zetina

Durante años, la NASA se ha comprometido a encontrar las formas más eficaces y eficientes de proporcionar agua reciclada filtrada y purificada a sus astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional (siglas ISS en inglés) (ver Figura 1). Con más de dos mil millones de personas en todo el mundo que no tienen acceso a agua potable limpia y saneamiento básico, esta nueva tecnología única de tratamiento de agua utilizada por la ISS para filtrar la orina de los astronautas en agua potable podría tener la capacidad de ayudar a combatir la crisis mundial del agua aquí en la Tierra.
    
El agua es bastante pesada, lo que significa que cada libra de agua lanzada al espacio puede costar hasta miles de dólares (DiCicco, 2020). Por este motivo, en la Estación Espacial Internacional (ISS) no se desperdicia nada: cada gota de sudor, orina, humedad y aliento se recoge, filtra, purifica y reutiliza como agua potable (NASA, 2019). El sistema de filtración de agua utilizado actualmente por la NASA se basa en "camas de filtración que cargan las misiones de reabastecimiento y tienen que cambiarse cada 90 días" y tampoco es capaz de filtrar determinados contaminantes semivolátiles (NASA, 2019). Una tecnología de recuperación de agua recientemente desarrollada no solo tiene la capacidad de filtrar estos contaminantes semivolátiles específicos en la ISS, sino que también requiere mucho menos espacio y energía para funcionar (DiCicco, 2020).

¿En qué consiste esta tecnología?

Con el éxito de la implementación de un nuevo sistema que imita el proceso natural de filtración del agua a través de unas proteínas llamadas acuaporinas, esta tecnología espacial podría tener la capacidad de añadir "eficacia a las instalaciones de tratamiento de aguas residuales existentes o purificar aguas residuales que hasta ahora han quedado sin tratar, contaminando las aguas subterráneas y las vías fluviales" (DiCicco, 2020). Las acuaporinas son proteínas utilizadas por todas las células vivas para transferir agua a través de sus membranas. Mediante el uso de proteínas producidas a través de un proceso de fermentación industrial, este sistema de purificación es capaz de imitar la capacidad de filtración de los riñones humanos y las raíces de las plantas (NASA, 2019). De hecho, las acuaporinas son las que permiten que "las raíces de las plantas absorban agua del suelo y que los riñones humanos filtren unos 45 galones de líquido al día" (NASA, 2019). Debido al hecho de que estas proteínas han evolucionado durante miles de millones de años para llevar a cabo ciertas tareas, y son altamente selectivas, solo el agua es capaz de pasar mientras que los contaminantes no (NASA, 2019). Utilizando esta proteína, las empresas de filtración de agua han sido capaces de desarrollar un sistema que elimina más del 95% de los microplásticos y microcontaminantes de las aguas residuales, todo ello consumiendo mucha menos energía que otros sistemas de filtración tradicionales (Moreno, 2020).

Cómo funcionan

Las acuaporinas filtran el agua moviendo selectivamente moléculas de agua a través de las membranas plasmáticas a gran velocidad. Estas proteínas transmembranas canalizadoras de agua funcionan como nanofiltros que bloquean el transporte de otros solutos a través de las membranas plasmáticas de las células vivas (Xie et al., 2013). Las acuaporinas pueden producirse a través de la membrana plasmática apical, que es la membrana celular de la superficie de las células epiteliales (Apical plasma membrane, 2021). Esto se produce tras la acción de la vasopresina, que se encarga de activar la proteína quinasa A (PKA), una holoenzima, para que fosforile las subunidades de acuaporinas contenidas en el citoplasma (Litwack, 2020). A continuación, se forman canales de acuaporinas a medida que estas subunidades se insertan en la membrana apical (Litwack, 2020).

Mediante el uso de acuaporinas, esta tecnología de recuperación y filtración de agua utiliza la ósmosis directa para filtrar contaminantes semivolátiles específicos en la ISS y supera el rendimiento de los actuales sistemas de purificación y filtración de agua a bordo (Johnson, 2019). También funciona a una fracción del costo, ya que las tecnologías impulsadas por ósmosis directa "ofrecen un medio de filtración mucho más eficiente en términos de recursos en comparación con las técnicas más comunes de ósmosis inversa" (Johnson, 2019). La ósmosis directa es un proceso capaz de funcionar por sí solo sin ninguna influencia externa; al igual que un riñón, el agua se recicla en un circuito cerrado (DiCicco, 2020). Con "el agua salada a un lado de la membrana y las aguas residuales al otro, la termodinámica obliga a la sal a distribuirse uniformemente por toda el agua del sistema"; la sal no puede atravesar la membrana, se extrae agua dulce del otro lado (DiCicco, 2020). Al extraer el agua dulce, sólo quedan residuos (DiCicco, 2020). Esto significa que la ósmosis directa es capaz de filtrar agua extremadamente sucia y contaminada, lo que elimina la dependencia de la destilación (NASA, 2019). La eficiencia de la tecnología de acuaporinas puede ofrecer un método de filtración y reciclaje de agua más eficiente en términos de recursos no solo en el espacio, sino también aquí en la Tierra (Johnson, 2019).

Beneficios de la tecnología de acuaporinas

Hoy en día, alrededor del veinticinco por ciento de la población mundial no tiene acceso a servicios básicos de saneamiento y agua, lo que significa que más de dos mil millones de personas en la Tierra carecen de acceso a agua potable (CDC, 2021). Como resultado, millones de personas, especialmente las que viven en países en desarrollo, siguen padeciendo de enfermedades prevenibles relacionadas con el saneamiento, como la diarrea, el cólera y la fiebre tifoidea; que, sin una atención adecuada, pueden causar la muerte (CDC, 2021). De hecho, el agua potable insalubre ha contribuido a aproximadamente el 72% de las muertes por diarrea, y el saneamiento insalubre ha contribuido a aproximadamente el 56% de las muertes por diarrea (CDC, 2021). Además, según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, "el agua, el saneamiento y la higiene tienen el potencial de prevenir al menos el 9% de la carga mundial de morbilidad y el 6% de las muerte mundiales" (CDC, 2021). La escasez de agua tiene incluso el potencial de desplazar a 700 millones de personas para 2030, según el Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de las Naciones Unidas (Naciones Unidas, 2021).

Hoy en día, los procesos industriales tienden a generar grandes cantidades de aguas residuales altamente concentradas que actualmente no se tratan, lo que provoca una contaminación prevalente (DiCicco, 2020). Algunos gobiernos están aplicando requisitos de "vertido cero de líquidos", lo que significa que "prácticamente ningún residuo líquido debe salir de las instalaciones de una unidad industrial" (Perry et al., 2015). Como consecuencia de estos cambios, existe una mayor demanda de un sistema de tratamiento de aguas eficiente y eficaz que no deje prácticamente ningún residuo. Se están desarrollando y probando varios métodos diferentes de producción de acuaporinas para su uso a gran escala y están mostrando potencial para ayudar.

Según las Naciones Unidas, "el mundo experimentará un déficit del 40% en el suministro de agua para 2030", y la demanda mundial de "agua azul" aumentará un 55% de 2000 a 2050 (Perry et al., 2015). Esto está estrechamente relacionado con el hecho de que se espera que la población mundial alcance los 9.100 millones de personas en 2050, junto con la idea de que cada vez más personas se incorporan a una clase media más rica en la que "aumenta la producción de alimentos y otros productos nutricionales que requieren un uso intensivo de agua" (Perry et al., 2015).

Las nuevas y mejores tecnologías de tratamiento del agua que utilizan acuaporinas tienen el potencial de ayudar a gestionar estas crecientes demandas de agua, energía y alimentos. Gracias a la eficiencia de la proteína, los sistemas de tratamiento de agua que utilizan acuaporinas pueden filtrar el agua dos veces más rápido que otros sistemas de tratamiento de agua existentes, y casi duplicar también la tasa de recuperación de agua. Una mayor tasa de recuperación de agua es crucial, ya que los lugares que necesitan purificación de agua son también lugares que tienden a experimentar las mayores tensiones en el suministro de agua (NASA, 2019).

Peter Holme Jensen, fundador de una empresa especializada en tecnología de acuaporinas, especifica que a través de los sistemas tradicionales, "no son millones, son miles de millones de litros de agua los que se desperdician a diario" (NASA, 2019). De hecho, en la mayoría de los sistemas de tratamiento de agua existentes, más del 70% del agua se pierde en el proceso de simple limpieza de contaminantes de la parte posterior de la membrana (NASA, 2019). En la desalinización, el coste de la energía, que suele representar entre el 20% y el 30% del coste total del agua utilizada, es el factor más sustancial en el costo de la filtración del agua (Perry et al., 2015). En comparación con las tecnologías existentes, la tecnología de acuaporinas no solo requiere menos energía para funcionar, sino que también requiere menos mantenimiento y espacio (DiCicco, 2020). Esta nueva tecnología de tratamiento del agua tiene el potencial de "garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos", lo que se asemeja al sexto Objetivo de Desarrollo Sostenible (ODS 6).

Retos y limitaciones

El mayor reto asociado a esta tecnología es el hecho de que las membranas capaces de albergar proteínas transmembranas "deben ser capaces de adaptarse hidrofóbicamente a las proteínas" (Perry et al., 2015). Debido a esto, "la membrana huésped debe ser del orden de unos pocos nanómetros de espesor, lo que de nuevo hace necesario el uso de materiales de soporte integrados" (Perry et al., 2015). Este requisito en el diseño también debe tenerse en cuenta junto con las exigencias operativas de las aplicaciones de membrana, incluida la demanda de alta selectividad, alta permeabilidad, suficiente estabilidad mecánica, estabilidad química y facilidad de ampliación (Perry et al., 2015).

Aplicaciones futuras

En el futuro, la tecnología de acuaporinas impulsada por ósmosis directa puede utilizarse industrialmente para tratar "aguas residuales en las industrias del petróleo y el gas, alimentaria y de bebidas, láctea y textil, entre otros negocios que generan grandes cantidades de aguas residuales altamente contaminadas" (NASA, 2019). En ganadería, la alta selectividad de las acuaporinas proporciona la capacidad de recapturar la urea de los fertilizantes y/o las aguas residuales (NASA, 2019). Además, en la industria de la salud, esta tecnología tiene el potencial de mejorar la calidad de vida de los pacientes de diálisis al hacerla portátil (DiCicco, 2020). Actualmente, estos pacientes a menudo deben pasar horas viajando de ida y vuelta del tratamiento varias veces a la semana, donde luego deben pasar tres o cuatro horas postrados en cama (DiCicco, 2020). Esto se debe a que la hemodiálisis requiere aproximadamente 200 litros de agua por tratamiento, que se convierten en aguas residuales durante el proceso (DiCicco, 2020). Es posible que implementando la tecnología de acuaporinas impulsada por ósmosis directa, estas aguas residuales puedan filtrarse y reutilizarse durante todo el tratamiento, y "la diálisis podría caber en una mochila" (DiCicco, 2020). La tecnología de acuaporinas también se puede utilizar para ayudar a desarrollar vacunas, ya que la proteína también se puede utilizar para recoger partículas de virus (NASA, 2019). Además, esta tecnología también puede utilizarse en la industria farmacéutica, ya que las acuaporinas son capaces de atrapar principios activos que otros sistemas no logran capturar (NASA, 2019).

Conclusión

A medida que aumentan las demandas de tratamiento del agua y la contaminación/residuos del agua, es importante considerar las aguas residuales y el agua contaminada no como recursos perdidos, sino como una oportunidad para la recuperación de recursos (Perry et al., 2015). Mientras crece la demanda mundial de agua, esta nueva tecnología de tratamiento  resulta cada día más esencial, sobre todo en lugares remotos donde no es fácil acceder a agua potable limpia (véase la figura 3).

Ahora, esta nueva y exclusiva tecnología de tratamiento del agua aplicada para purificar y filtrar el agua de los astronautas en la Estación Espacial Internacional puede ayudar a suministrar agua limpia a millones de personas en todo el mundo. Dines Thornberg, director de innovación de BIOFOS (la mayor empresa estatal de aguas residuales de Dinamarca), cree que esta nueva tecnología tiene un gran potencial:

"Creo que [la tecnología de las acuaporinas] podría abrir el camino a la creación de agua potable limpia y accesible a partir de aguas residuales en el futuro. Soy realmente optimista y creo que podemos hacer frente a los retos de la escasez de agua en muchas partes del mundo con tecnologías como esta" -Thornberg en Moreno (2020).