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Jul 19, 2023

Los microplásticos son el núcleo de los campos de estudio emergentes para los investigadores de VA Tech

Usamos plástico en casi todo, desde la ropa que usamos hasta los muebles de nuestras casas y los neumáticos de los automóviles que conducimos. Los plásticos incluso se utilizan en productos de cuidado personal como pasta de dientes y

Usamos plástico en casi todo, desde la ropa que usamos hasta los muebles de nuestras casas y los neumáticos de los automóviles que conducimos. Los plásticos incluso se utilizan en productos de cuidado personal como pasta de dientes y champú. Y a medida que trabajamos, jugamos y realizamos tareas cotidianas como lavar la ropa, las fibras de estos plásticos se desprenden y se esparcen, viajando por aire, tierra y agua.

Los científicos han creído durante mucho tiempo que es posible que los plásticos nunca se biodegraden por completo. Simplemente se descomponen con el tiempo en pedazos cada vez más pequeños.

Pequeñas partículas de plástico que miden 5 milímetros o menos, o aproximadamente el tamaño de una semilla de sésamo, se denominan microplásticos. Incluso los plásticos más pequeños que miden un solo micrómetro (muchas veces más pequeños que el ancho de un solo cabello humano) se denominan nanoplásticos. Estos pequeños plásticos están por todas partes. Se han encontrado en lugares remotos desde la cima del Monte Everest, en las profundidades del hielo ártico, dentro de los cuerpos de animales terrestres y marinos, y en los pulmones, órganos y heces de adultos y bebés.

En marzo de 2022, una investigación publicada en Environmental International identificó nanoplásticos en la sangre de adultos sanos. Un análisis más detallado rastreó las partículas hasta los plásticos más comúnmente utilizados en botellas de bebidas, envases de alimentos y bolsas de compras. Algunos científicos ambientales sugieren que la persona promedio puede estar ingiriendo e inhalando la masa plástica de una tarjeta de crédito cada semana. Y aunque la mayoría de las partículas probablemente sean filtradas por los sistemas de desechos del cuerpo, los microplásticos representan un riesgo para los humanos física y químicamente y como huéspedes para que otros microorganismos se reúnan y se reproduzcan.

¿Qué sucede cuando estas pequeñas partículas se deterioran y se mueven por el mundo? ¿Cómo afectarán nuestra salud y la salud de otros seres vivos? ¿Qué cambios podemos hacer para reutilizar y reutilizar los plásticos de manera más efectiva?

Estas preguntas están en el centro de los campos de estudio emergentes para los investigadores, incluidos muchos de Virginia Tech.

Durante miles de años, la gente ha utilizado los océanos para transportar productos, viajar, como fuente de alimentos y otros recursos, y para actividades divertidas como nadar, bucear y surfear.

Desafortunadamente, los océanos también se han convertido en vertederos, lo que afecta negativamente a los animales y plantas marinos. A medida que continúa aumentando la dependencia humana del plástico para todo, desde ropa hasta neumáticos, algunos investigadores sugieren que para 2050 los desechos plásticos superarán en número a los peces en las aguas oceánicas de todo el mundo.

¿Qué significa eso para la salud de la vida marina? ¿Las partículas de plástico contribuyen al cambio climático? ¿Los microplásticos ofrecen un nuevo sistema de transporte para parásitos o virus oportunistas? ¿Cómo afectan los microplásticos a la fertilidad de las criaturas marinas y qué efecto tiene eso en el ecosistema marino?

Según un experto de Virginia Tech, las preguntas superan con creces las respuestas, en parte porque el conocimiento de los científicos sobre el medio oceánico es limitado.

"Tenemos mejores mapas de Marte que el fondo de nuestros propios océanos", dijo Robert Weiss, director de la Academia de Ciencias Integradas y profesor de peligros naturales en la Facultad de Ciencias. “Pero esa es la topografía del fondo marino. Ahora imagine lo poco que sabemos acerca de las condiciones en las que el agua del océano se mueve constantemente. ¿Cómo podemos describir una condición en un área determinada si cambia constantemente? ¿Si en el momento en que lo mides, desaparece?

Según Weiss, para estudiar lo que sucede en el mundo submarino, los científicos necesitan desarrollar herramientas y perfeccionar los métodos de investigación para adaptarse a la fugacidad del océano. En 2020, Weiss ayudó a lanzar el Centro de Estudios Costeros en Virginia Tech. Como parte del Fralin Life Sciences Institute, el centro coordina la investigación, la enseñanza y la divulgación para garantizar una conexión sostenible entre los humanos y la naturaleza dentro de las comunidades costeras.

"Virginia Tech está en una posición única para marcar la diferencia", dijo Weiss. "Nuestro entorno académico y de investigación integral respalda la colaboración, y abordar los desafíos oceánicos requiere una amplia gama de experiencia".

Para recopilar los datos necesarios para analizar un entorno en constante movimiento se necesitan herramientas que se muevan con el agua y recopilen datos a medida que avanzan. Una posible solución: desplegar robots submarinos.

Los vehículos autónomos brindan a los investigadores un método mucho más dinámico para medir las condiciones ambientales con la capacidad de moverse a través de las profundidades del océano y con las corrientes para seguir los datos. Con el tiempo, el equipo podrá operar esos vehículos para recolectar concentraciones de microplásticos y aprender cómo se ven afectados por las condiciones del océano que cambian a su alrededor.

Miembro de la comunidad de Virginia Tech desde 2001, Dan Stilwell, profesor de ingeniería eléctrica en la Facultad de Ingeniería, se centra en la robótica y la autonomía marinas y en el diseño de vehículos submarinos autónomos avanzados (AUV). Ha liderado o codirigido el desarrollo de múltiples sistemas AUV, incluido un sistema de propósito general que opera hasta 500 metros de profundidad.

"Estamos trabajando para diseñar y construir sistemas robóticos submarinos: robots que puedan trabajar en equipos para recopilar datos", dijo Stilwell, quien también es director del Centro Tecnológico de Autonomía y Robótica Marina de Virginia. "Al desplegar un enjambre o un equipo de robots que utilizan el sonido para comunicarse, es posible que podamos seguir el movimiento de un sistema meteorológico o identificar un obstáculo o incluso crear una vista tridimensional de la columna de agua".

Pero Stilwell admite que el océano presenta algunos desafíos únicos, incluso para los robots.

"No hay Wi-Fi, ninguno de los soportes de comunicación típicos que damos por sentado en tierra", dijo Stilwell. “No hay luz que permita a los robots 'ver' hacia dónde se dirigen. La cantidad de información que los robots pueden comunicar es muy baja debido a la naturaleza del entorno”.

Algunos de los AUV que Stilwell ha ayudado a diseñar y construir se parecen a torpedos. Los robots dependen de la energía de la batería y pueden funcionar durante aproximadamente 22 horas antes de que sea necesario recargarlos.

El equipo de Stilwell aprovecha Claytor Lake, a sólo 30 minutos al suroeste del campus de Blacksburg, para probar los AUV en un entorno "real".

"Claytor Lake es un excelente campo de pruebas para nuestros AUV porque es lo suficientemente grande y profundo como para que podamos realizar pruebas significativas", dijo Benjamin Biggs, Ph.D. en ingeniería eléctrica e informática. candidato. “El lago también está lo suficientemente cerca del campus como para que podamos venir a buscar lo que necesitamos por la mañana, viajar hasta allí, realizar pruebas durante varias horas y aún tener tiempo para procesar los datos en el laboratorio si es necesario. Eso nos permite operar con mucha más frecuencia de lo que sería posible de otra manera”.

Según Marc Michel, profesor asociado de geociencias y nanociencia en la Facultad de Ciencias, el uso de AUV equipados con dispositivos de filtración eficaces ofrece un potencial aún sin explotar para estudiar muestras de micropartículas de aguas superficiales y a diferentes profundidades.

"La recolección de muestras de los dispositivos de recolección de filtros fijados a la robótica submarina nos permitirá probar nuestras hipótesis", dijo Michel. “Con estos datos podemos comprender mejor los tipos de plásticos que se mueven en nuestros océanos. Podemos examinar sus características físicas y químicas. Al observar formas y tamaños podemos comenzar a determinar si son vectores de contaminantes y patógenos”.

Además, existen aplicaciones más allá de los océanos, afirmó Michel. "Esta tecnología también puede ofrecer información sobre el tratamiento y la gestión de los depósitos de agua superficial de los que dependen las comunidades como fuentes de agua".

Según Michel, aprender todo lo posible sobre los microplásticos en nuestro suelo, agua y aire "nos ofrece la oportunidad de hacerlo mejor".

“Soy padre de tres hijos que tendrán que lidiar con las decisiones que mi generación y las generaciones anteriores a mí han tomado durante las próximas décadas”, dijo Michel. "Siento la responsabilidad de ayudar a informar los cambios que finalmente implementarán".

Weiss estuvo de acuerdo. A través de la investigación emergente, espera representar los efectos del comportamiento humano en el medio ambiente, específicamente aquellos relacionados con los microplásticos en el océano.

"Digamos que en el futuro tendremos un sensor que nos permitirá determinar in situ, muy rápidamente, la concentración de microplásticos", dijo Weiss. “Podemos seguir el valor de las concentraciones en el océano y, mediante el movimiento del vehículo, podemos determinar cómo evolucionan estas concentraciones con el tiempo. Eso nos brinda un conjunto de datos mucho más completo y completo para comprender cómo se mueven los microplásticos en el océano. ¿De qué condiciones, como la temperatura, dependen?

“Necesitamos ver cómo crece su impacto. No basta con decir: 'Esta es la cantidad de microplásticos que hay en el océano y este es el impacto en los peces y los mamíferos marinos'”, dijo Weiss. “¿Necesitamos crear modelos que describan lo que sucederá dentro de 50 años si hacemos esto? ¿O si hacemos eso? ¿O si no hacemos nada? Necesitamos inculcar la ciencia como herramienta para la toma de decisiones, mientras todavía tenemos tiempo para marcar la diferencia”.

¿Cuántos microplásticos se concentran en el océano y de qué están hechos? ¿Cómo se mueven a través del agua? ¿Y cómo afectarán a las personas, la vida silvestre y el medio marino en los próximos años?

En el Observatorio de la Zona Costera de Seale, una iniciativa del Centro de Estudios Costeros de Virginia Tech, un grupo interdisciplinario de investigadores que incluye biólogos, científicos veterinarios e ingenieros están trabajando juntos para encontrar respuestas.

El programa, dirigido por Weiss, tiene como objetivo modelar los efectos de los microplásticos en el medio marino.

"Lo que queremos crear es un conjunto de resultados que ayuden a las personas a tomar decisiones sobre su comportamiento, y por personas me refiero a individuos, gobiernos y la sociedad en su conjunto", dijo Weiss, director del centro. "Las decisiones tienen consecuencias y, a veces, esas consecuencias están ocultas y en cascada".

Algunas de las investigaciones que se llevan a cabo en el Observatorio de la Zona Costera incluyen:

El Centro de Estudios Costeros es parte del Instituto Fralin de Ciencias de la Vida.

El nuevo esfuerzo es posible gracias a la generosidad de los ex alumnos de Virginia Tech Bill '86, MS '98 y Carol Seale '88. Su generoso apoyo ha permitido a Weiss y su equipo desarrollar un plan integral para comenzar a monitorear los océanos.

"El trabajo del Observatorio de la Zona Costera es un paso decisivo para ayudarnos a ser mejores administradores de los océanos del mundo, que posiblemente son nuestro recurso más crítico en la Tierra", dijo Bill Seale.

Además de su pasión por los océanos saludables y sostenibles, los Seal están comprometidos con la investigación que promueve la salud humana. Su Fondo de Innovación Seale en el Instituto de Investigación Biomédica Fralin de VTC respalda los avances científicos en una amplia gama de áreas, incluido el cáncer, el dolor crónico y el desarrollo del cerebro.

¿Qué se necesitará para pasar de una economía tradicional del descarte a una en la que se eliminen los desechos, se hagan circular los recursos y se regenere la naturaleza?

Estas son las preguntas en las que piensa todos los días Jennifer Russell, profesora asistente en el Departamento de Biomateriales Sostenibles de la Facultad de Recursos Naturales y Medio Ambiente.

"Creo que descubrir cómo vivir de manera sostenible (en cooperación con otros, con la naturaleza y con los sistemas naturales) es el desafío más difícil e importante que los seres humanos han enfrentado", dijo Russell. "Enseño en este campo porque sé que los humanos son capaces de ser mejores y quiero ayudar a los estudiantes a explorar las formas en que pueden contribuir personalmente a esta transformación crítica de la sociedad".

Russell, quien también está afiliado al Virginia Tech Global Change Center, trabaja en el área de economía circular, un modelo económico que tiene como objetivo reducir o eliminar el desperdicio y promover el uso continuo de los recursos, así como crear nuevos beneficios económicos, como creación de empleo y ahorro de costes.

Por el contrario, la sociedad industrializada que sostiene a la mayoría de los seres humanos hoy en día opera dentro de una economía lineal, también conocida como modelo de tomar, producir y desechar, en el que los recursos se extraen, se utilizan y luego se descartan. Este modelo ha generado problemas ambientales, como la contaminación y el agotamiento de los recursos, así como ineficiencias económicas.

"Al adherirse a los principios de la economía circular, las empresas y las industrias pueden diversificar sus prácticas y repensar sus modelos de negocio", dijo Russell. "En esencia, una economía circular es menos transaccional y ofrece a las empresas y marcas oportunidades para innovar dentro de sus modelos de ingresos y propiedad de productos de manera que les permitan centrarse en relaciones a más largo plazo con los clientes".

Según Russell, los esfuerzos de la industria del automóvil por arrendar vehículos son un ejemplo de cómo esto podría funcionar. Los consumidores alquilan un vehículo que satisfará sus necesidades y luego lo devuelven a un concesionario que puede realizar las reparaciones necesarias y revender ese automóvil o camión o recuperar y reutilizar componentes del vehículo para uso futuro. Russell cree que ese modelo podría replicarse para otras industrias y productos como electrodomésticos o electrónica.

Russell utiliza modelos computacionales para demostrar cómo los esfuerzos por reutilizar, reparar, restaurar, refabricar y reciclar pueden generar beneficios económicos para empresas e individuos y apoyar el medio ambiente. También incorpora detalles relacionados con cómo el comportamiento humano, las percepciones de valor y la toma de decisiones pueden afectar los resultados de sostenibilidad.

El plástico, en forma de espuma de poliuretano, está en el centro de un proyecto que Russell apoya a través de una colaboración con Timothy Long, profesor afiliado del Departamento de Química de Virginia Tech y director del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona. Comenzó con una conversación sobre colchones de espuma.

"Estaba hablando con un alumno de Virginia Tech que trabajaba para una empresa de colchones de espuma de poliuretano", dijo Long. “Me explicó que la producción de colchones de espuma está creciendo a un ritmo enorme y que no reciclamos ninguno de ellos. Inmediatamente pensé que esta sería una oportunidad para marcar la diferencia. Los grandes desafíos equivalen a grandes impactos”.

La espuma de poliuretano, un agente amortiguador, se utiliza en productos que van desde sillas de oficina hasta colchones y zapatillas de deporte. Pero esa comodidad tiene un costo: las espumas, hechas de petroquímicos con una estructura celular abierta que contiene bolsas de aire, son increíblemente difíciles de reciclar.

En 2021, la Facultad de Recursos Naturales y Medio Ambiente, en colaboración con la Universidad Estatal de Arizona y la corporación Adidas AG, recibió una subvención de cuatro años de 1,8 millones de dólares de la Fundación Nacional de Ciencias para estudiar las espumas de poliuretano, dirigida por Long.

El equipo del estado de Arizona se centra en tecnologías avanzadas de reciclaje, mientras que el equipo de Virginia Tech, que incluye a Russell, está mapeando la presencia y los flujos de las espumas en el mercado estadounidense y colaborando con las partes interesadas para desarrollar sistemas e infraestructura viables para recuperar, reciclar y Redistribuir estos materiales como parte de una economía circular.

El socio industrial del estudio es Adidas, que tiene interés en mejorar la utilización de los productos de poliuretano que utiliza para fabricar prendas y prendas deportivas.

Según Russell, trabajar con la empresa de calzado más grande de Europa ofrece la oportunidad de generar cambios en el mundo real.

"El valor de involucrar a Adidas es que proporciona un ejemplo práctico de cómo podría ser una economía circular para las espumas de poliuretano", dijo Russell. “Este no es un ejercicio académico. Esta investigación conducirá a soluciones que estén diseñadas, desde el principio, para integrarse en los procesos comerciales de negocios”.

Russell destacó que las espumas de poliuretano, como todos los materiales plásticos, han sido un componente importante durante décadas de innovación. Una mejor recuperación y reutilización de dichos materiales significa que podemos seguir confiando en ellos en el futuro.

"Necesitamos replantear lo que vemos como desperdicio y lo que entendemos que es valioso", dijo. “Los plásticos son increíblemente valiosos, pero también pueden causar grandes daños al medio ambiente y a la salud humana si no los gestionamos adecuadamente. Este proyecto trata de crear sistemas y tecnología que nos permitan continuar utilizando estos materiales de manera responsable y efectiva”.

Cuando los amantes de la playa se dirigen a la costa para jugar en el agua, la promesa de relajación supera con creces los riesgos de las medusas, las corrientes de resaca o incluso el avistamiento ocasional de tiburones.

Pero hay un peligro más profundo escondido en las olas: pequeñas partículas de plástico.

Estas partículas, dispersadas por el mismo movimiento rítmico del agua que muchos encuentran tan reconstituyente, en realidad pueden contribuir a un riesgo preocupante para la salud humana, dijo Hosein Foroutan, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Charles E. Via, Jr.

"Sabemos desde hace mucho tiempo que muchos desechos plásticos llegan al océano", dijo Foroutan. “Y muchos creyeron que ahí se quedaba. Pero ahora entendemos que con el tiempo los plásticos se descomponen en partículas cada vez más pequeñas, partículas tan pequeñas que podrían ser arrastradas por la espuma del océano y transportadas por sistemas climáticos a prácticamente cualquier lugar.

"Lo que hemos arrojado al océano, el océano lo escupe de vuelta".

Se han encontrado microplásticos y nanoplásticos (MNP), pequeños fragmentos y fibras de plástico, en prácticamente todos los ecosistemas. Según Foroutan, estos plásticos pueden ser fácilmente ingeridos o inhalados por los organismos, provocando inflamación y daño a las células. Plantean un desafío importante para la gestión ambiental porque son difíciles de detectar, recolectar y reciclar.

"Los microplásticos son uno de los problemas medioambientales más apremiantes de nuestro tiempo", afirmó Foroutan. "Numerosos estudios han destacado el impacto adverso de los microplásticos en la salud humana y ecológica, y investigaciones recientes informan la presencia de microplásticos en lo profundo de los pulmones y la sangre humanos".

El peligro de las MNP se ve agravado por la incertidumbre que rodea a su origen.

Los estudios han detectado MNP en muestras atmosféricas recolectadas en áreas urbanas, suburbanas e incluso remotas lejos de fuentes obvias. Pero la pregunta sigue siendo: ¿Cómo llegan ahí?

"No existen fronteras geográficas para los microplásticos", afirmó Foroutan. “La contaminación se desplaza de un lugar a otro por diversos medios, incluso a través de la atmósfera. Este es un tema emergente. Todavía estamos descubriendo muchas cosas sobre los microplásticos”.

Foroutan, miembro afiliado de la facultad del Instituto Fralin de Ciencias de la Vida, el Centro de Cambio Global y el Centro de Estudios Costeros, recibió un premio de Desarrollo Profesional Temprano de la Facultad de la Fundación Nacional de Ciencias en 2022 para investigar la interacción aire-mar como fuente de MNP atmosféricos.

El proyecto amplía la investigación existente para analizar si las MNP son aerosolizadas por las olas oceánicas y el estallido de burbujas y cómo el tamaño, la forma, la edad o el material de las partículas de MNP afectan la aerosolización.

Foroutan espera que, además de evaluar el riesgo humano, el experimento pueda arrojar luz sobre la “paradoja del plástico perdido”, que sugiere que a pesar de que grandes cantidades de desechos plásticos se vierten directamente al océano o fluyen hacia él a través de ríos, solo un pequeño segmento de ese plástico realmente se encuentra allí.

Para recopilar los datos necesarios para responder a estas preguntas, el equipo construyó un tanque de generación de aerosoles para reproducir la acción de las olas rompientes y las burbujas del mar en un entorno de laboratorio a pequeña escala. Utilizando muestras de agua controladas, los científicos simularán las burbujas y olas que ocurren naturalmente en el agua del océano. Cualquier partícula en aerosol resultante será capturada por filtros asegurados en el espacio superior del tanque.

Los científicos analizarán cada partícula para determinar el tamaño, la densidad y el tipo de plástico. Las partículas de plástico también se examinarán cuidadosamente para determinar si podrían ser un vector o portador que transporta microorganismos desde el océano a la atmósfera.

El equipo de Foroutan utilizará los datos para desarrollar un modelo de proceso para estimar el flujo o emisión superficial de aerosoles MNP en aerosol marino.

"Aunque el número de partículas capturadas a través de nuestra filtración a pequeña escala puede parecer pequeño, cuando se amplían los datos teniendo en cuenta un océano entero o una sección de un océano, el cambio exponencial es enorme", dijo Foroutan. De hecho, en un manuscrito publicado recientemente, estimaron que el límite superior de emisión oceánica anual de MNP era de 1,66 (0,72-4,13) toneladas por año.

Además de este tema de investigación específico, Foroutan lidera un grupo de trabajo interdisciplinario en Virginia Tech para reunir a investigadores de toda la universidad para que colaboren sobre la contaminación plástica. El grupo se unirá en torno a cuatro temas principales: reducción de la contaminación, salud, medio ambiente y políticas y divulgación.

"Trabajando juntos, pretendemos derribar las barreras que a veces existen entre disciplinas para poder abordar este problema de forma sistemática", afirmó Foroutan. "Biólogos, ingenieros, economistas, todos tenemos un papel que desempeñar en la búsqueda de soluciones a la contaminación plástica".

Foroutan también se compromete a compartir información sobre plásticos con estudiantes y familias de la comunidad. Durante el semestre de primavera, el equipo se conectó con 60 estudiantes de quinto grado en el condado de Pulaski, Virginia. Además, su equipo está desarrollando una exposición educativa en el Museo de Ciencias de Virginia Occidental en Roanoke para ilustrar la física de los aerosoles marinos, así como los microplásticos marinos y atmosféricos, utilizando una versión reducida del tanque que se utiliza en el proyecto.

Durante el verano, los estudiantes de posgrado asociados con el proyecto compartirán información sobre plásticos en campamentos de verano en Virginia Tech dirigidos a estudiantes preuniversitarios. A través de un experimento práctico basado en problemas, los campistas utilizarán técnicas de procesamiento de imágenes y microscopio para caracterizar las partículas de plástico en el aire.

"De cara al futuro, los problemas serán diferentes", afirmó Foroutan. "Pero al enseñar a nuestros niños y jóvenes lo que sabemos ahora, podemos inculcar un sentido de responsabilidad que los posicionará para abordar las próximas etapas de la contaminación plástica, cualquiera que sea".

Desde educar a los niños que visitan el museo hasta ayudar a los científicos ambientales que estudian diariamente las partículas en el aire, este proyecto tiene beneficios potenciales para las comunidades de todo el mundo.

“Los plásticos son una preocupación ambiental importante. Afectan la salud humana, ecológica y ambiental”, dijo Foroutan. "Este proyecto podría tener un amplio impacto en la salud humana y, con suerte, nuestro marco único proporcionará una nueva forma para que los científicos e ingenieros ambientales aborden este problema creciente".

En un laboratorio del tercer piso en Derring Hall en el campus de Blacksburg de Virginia Tech, Austin Gray y un equipo de estudiantes de pregrado y posgrado analizan cuidadosamente pequeñas partículas de plástico, algunas no mucho más grandes que un solo grano de arena. Gray, profesor asistente de ciencias biológicas en la Facultad de Ciencias, espera que estos microplásticos le ayuden a comprender mejor cómo los productos que la gente usa todos los días pueden estar alterando los ecosistemas y afectando la salud animal y humana.

Pósteres antiguos de Star Wars se alinean en las paredes de la oficina de Gray.

"Cuando nos acercamos a estos microplásticos y comenzamos a pensar en cada pequeña partícula individualmente, se parece mucho a explorar un universo no cartografiado", dijo Gray. "No muy diferente de las tramas de esas películas que me encantaban cuando era niño".

Gray, que se unió a Virginia Tech en 2021, también es profesor afiliado del Global Change Center. Su investigación se centra en la ecología y toxicología acuática, investigando específicamente los efectos de contaminantes como pesticidas, productos farmacéuticos y microplásticos en los organismos y ecosistemas acuáticos.

"Mi laboratorio se centra en analizar los contaminantes emergentes, y los microplásticos específicamente son un grupo importante que nos interesa porque se encuentran globalmente en el agua potable y en el agua superficial de arroyos, lagos y ríos", dijo Gray. “Sabemos que el plástico no persiste intacto, pero sí se descompone en partículas cada vez más pequeñas. Los respiramos y los ingerimos al igual que la vida silvestre. Lo que no sabemos son los efectos sobre la salud a lo largo del tiempo. ¿Causan daño físico, estrés o inflamación? ¿Afectan la reproducción?

Gray, que siempre tuvo afinidad por la ciencia, consiguió un trabajo lavando cristalería en un laboratorio cuando estudiaba en The Citadel en Charleston, Carolina del Sur. A través de ese rol, vio aspectos del estudio científico que eran nuevos para él.

"Me enamoré del aspecto de campo de la investigación", dijo Gray. “La ciencia no es unidimensional. La investigación nos ayuda a establecer conexiones con la vida cotidiana. Y si podemos comunicarnos de manera efectiva, esas conexiones pueden generar cambios positivos”.

El puerto de Charleston sirvió de telón de fondo para las primeras investigaciones de Gray sobre la toxicidad y la contaminación acuáticas, específicamente la contaminación plástica.

"Charleston es un lugar de moda", dijo Gray. "La densidad de población, el turismo, el mercado de productos del mar y la industria naviera convergen en este único lugar costero, ofreciendo un nexo para estudios que identifiquen cambios que pueden estar afectando la vida vegetal y animal junto con el agua misma".

En 2014, una encuesta realizada por un equipo que incluía a Gray concluyó que cualquiera que caminara por la costa del puerto de Charleston se encontraría con un trozo de plástico cada dos pasos. Esa experiencia ayudó a Gray y a varios colaboradores a formular hipótesis sobre lo que podría estar sucediendo en el agua. Una vez que Gray comenzó a examinar muestras del puerto, los resultados confirmaron la teoría, denominada "hipótesis del té dulce".

Dentro de las muestras, el equipo de investigación encontró trozos de polímero plástico de neumáticos, así como partículas de polipropileno y fibras de sedales de pesca desechados. Y luego estaban las partículas de espuma de los vasos desechados, probablemente alguna vez llenos de ese popular té dulce sureño.

"Eso es lo que pasa con la investigación", dijo Gray. “Tomar medidas para responder una pregunta a menudo te lleva a cinco más. Y estaba ansioso por aprender más sobre lo que les pasó a estos plásticos una vez que aterrizaron en el agua y cómo eso podría afectar en última instancia a los animales que habitan el puerto”.

Animales como el delfín mular, un superdepredador.

Según Gray, como superdepredadores, los delfines pueden darnos una buena indicación de qué microplásticos están ascendiendo en la cadena alimentaria a medida que son consumidos por peces cada vez más grandes. Cuando sean ingeridos por un animal en la cima de la cadena alimentaria, podremos aprender cómo se distribuyen y acumulan los diferentes microplásticos una vez que han llegado a sus consumidores finales.

Actualmente, junto con colaboradores del Laboratorio Marino Hollings, Gray participa en un proyecto de cinco años sobre delfines apoyado por los Centros Nacionales de Ciencias Oceánicas Costeras de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. Gray y Wayne McFee, jefe de evaluaciones de mamíferos marinos del centro, lideran un equipo que mide e identifica microplásticos extraídos del tracto gastrointestinal de delfines mulares fallecidos que se encontraron varados en el puerto de Charleston y sus alrededores.

Lo que encontraron en sus evaluaciones iniciales los sorprendió.

En 16 delfines estudiados en 2022-23, el equipo de Gray descubrió un promedio de más de 1.550 partículas microplásticas en cada uno de los mamíferos.

"Me sorprendió mucho ver niveles tan altos dentro de un organismo", dijo Gray. “Esto nos lleva a comenzar a hacer preguntas más detalladas: ¿Qué pasa con estas partículas que influyen en todo lo que estamos viendo con respecto a la mortalidad? ¿Son mayores dependiendo de dónde queda varado el delfín? ¿Cambia la abundancia a lo largo de las diferentes estaciones o años? Cuantos más datos obtengamos, más podremos hacer para hacer inferencias sobre lo que encontremos”.

Debido a que el estudio se realizará durante un período de cinco años, Gray tiene la esperanza de que los datos del equipo capturen los cambios a lo largo del tiempo de una manera que otros estudios aún no lo han hecho. Los estudios de este tipo suelen proporcionar instantáneas más breves de los microplásticos, tal vez un año como máximo.

Con estos datos a largo plazo tendremos una idea del impacto que tenemos en nuestras costas, espera Gray.

"Si estás en un área con mucha contaminación por microplásticos y muchos desechos desechados, entonces no solo te afectará a ti, sino que también afectará a los organismos que viven allí", dijo. "Su exposición a los microplásticos está directamente influenciada por nosotros".

Además, estudios más prolongados podrían revelar cómo las políticas sobre desechos y liberación de plástico se corresponden con los microplásticos detectados en organismos a lo largo del tiempo, dijo Gray. Por ejemplo, en 2015, Estados Unidos promulgó legislación para prohibir la fabricación o venta de productos que contengan microperlas, pequeños plásticos utilizados como abrasivos que a menudo se encuentran en pastas de dientes y productos exfoliantes, y que se estaban detectando en cantidades cada vez mayores en el agua.

Gray reconoce que encontrar soluciones efectivas para gestionar los desafíos ambientales, como la contaminación plástica, no es una tarea sencilla.

"No podemos simplemente proponer una prohibición global del uso de todo el plástico o un requisito de reciclaje para los individuos, por ejemplo", dijo Gray. “Las posibles soluciones deben considerar factores como la economía y la capacidad de la industria. Tampoco podemos simplemente ignorar los problemas y seguir por el mismo camino. La ciencia y la sociedad deben encontrar formas de conectarse. Eso es parte del atractivo de espacios académicos como Virginia Tech que fomentan la colaboración entre disciplinas. Mi investigación podría informar un modelo propuesto por un experto en economía circular u ofrecer información para alguien sobre envases sostenibles”.

Sin mencionar la oportunidad de trabajar con estudiantes.

"El campus es un laboratorio viviente", dijo Gray. “Mis alumnos han estado tomando muestras de agua de Stroubles Creek para evaluar las partículas del polvo de la carretera que se mueve hacia el canal a través de la lluvia y eventos relacionados. La experiencia con proyectos de investigación más holísticos es una oportunidad educativa fundamental”.

En 2015, mientras Gray estudiaba la contaminación en las playas de Charleston, su equipo encontró algunas pequeñas partículas negras que no pudieron identificar de inmediato.

"Aprendimos que estas pequeñas partículas negras eran en realidad partículas de desgaste de neumáticos", dijo Gray. “Cuando piensas en neumáticos, están hechos de diferentes tipos de componentes, lo que significa que podrían ser butadieno, acrilamida, estireno, y todos estos son polímeros que se utilizan en la producción de neumáticos que en realidad son plásticos.

“Normalmente un neumático pierde alrededor del 30 por ciento de su estructura a lo largo de su vida útil. Eso significa que estas pequeñas partículas negras que se desprenden son microplásticos que ingresan a diferentes tipos de vías fluviales, incluido el que tenemos en el campus. Por su composición, pueden absorber diversos tipos de contaminantes. Si estos se unen a los microplásticos, el microplástico en sí se convierte en un vector donde, si son consumidos por los organismos, pueden transferir estos compuestos cancerígenos a través de sus tejidos o pueden causar otros tipos de estrés oxidativo o mortalidad dentro de diferentes tipos de organismos”.

Gray ahora está tomando muestras de las vías fluviales del campus, como Stroubles Creek, para determinar si una contaminación similar de las carreteras está ingresando a los estuarios de agua dulce. Tyler Allen, un graduado de 2022 que ahora está cursando una maestría en Virginia Tech, participó en la recolección de muestras de Stroubles Creek.

"Los neumáticos pueden tener el potencial de descomponerse y crear partículas de desgaste que pueden lixiviarse y volverse tóxicas para los organismos que están presentes en los arroyos", dijo Allen. "Y esto puede ingresar a los arroyos desde las carreteras a través de eventos de lluvia y podría ser arrastrado por el arroyo y, en última instancia, terminar en nuestros océanos".

Allen también colabora con un proyecto para identificar metales pesados ​​y microplásticos en el agua potable en Richmond.

"Con ambos proyectos, lo que buscamos es importante para la salud humana, especialmente para los niños", dijo Allen. "Nuestros hallazgos pueden conducir a cambios en los estándares de calidad o medidas preventivas para proteger a los consumidores".

Gray sugirió que uno de los componentes de la ciencia menos aprovechados pero más integrales es la conexión con las personas.

“Parte de lo que trato de transmitir a mis alumnos es que necesitan generar conciencia sobre su investigación. Lo que sucede aguas arriba sucederá aguas abajo, lo que aprendemos de un proyecto informa los próximos pasos, no solo para la ciencia, sino también para los individuos, las industrias e incluso los gobiernos.

“Los científicos son servidores del mundo y, como tales, debemos preguntarnos constantemente: '¿Cómo podemos utilizar nuestros hallazgos para llegar a las personas donde están e inculcarles el deseo de realizar cambios?'”

Cada año se desperdician alrededor de 119 mil millones de libras de alimentos en los Estados Unidos, según las estadísticas publicadas por Feeding America. Eso equivale a 130 mil millones de comidas y más de 408 mil millones de dólares en alimentos desperdiciados anualmente. De hecho, casi el 40 por ciento de todos los alimentos en Estados Unidos se desperdician.

Los alimentos se desperdician en cada etapa de la producción y distribución: desde la granja hasta la empacadora, desde los transportistas hasta los fabricantes y desde los minoristas hasta los consumidores. El desperdicio de alimentos en los hogares representa alrededor del 39 por ciento del total, mientras que el desperdicio de alimentos comerciales representa alrededor del 61 por ciento de esa cifra.

Los alimentos que terminan en los vertederos representan el mayor componente de los desechos municipales del país. Estos residuos generan emisiones de gases de efecto invernadero y conllevan una pérdida económica anual de aproximadamente 165 mil millones de dólares por los alimentos, el agua, la energía y los productos químicos invertidos en la cadena de suministro de alimentos.

A principios de este año, investigadores de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida recibieron una subvención de 2,4 millones de dólares del Departamento de Agricultura de EE. UU. para crear bioplásticos a partir de desechos de alimentos desviados de los vertederos. A diferencia de los plásticos tradicionales elaborados a partir de materiales a base de petróleo, los bioplásticos se elaboran a partir de elementos biológicos como aceites vegetales o animales y se degradan naturalmente en el abono y los cursos de agua.

La subvención de tres años probará la escalabilidad y viabilidad de convertir estos desechos en bioplásticos a escala nacional y global, manteniendo los costos de los bioplásticos lo más bajos posible.

El proyecto también aborda los desafíos ambientales resultantes de la contaminación plástica oceánica. Según el Fondo Mundial para la Naturaleza, los microplásticos afectan a casi el 88 por ciento de todas las especies marinas. Debido a que los plásticos creados a partir de desechos de alimentos se biodegradan rápidamente en el agua, tienen el potencial de reducir los efectos adversos sobre la vida marina en todo el mundo.

El proyecto piloto, primero de su tipo, se centrará en el desarrollo de un sistema de bioprocesamiento para producir bioplásticos biodegradables a partir de desechos de alimentos.

"Este proyecto piloto marca un hito en la producción de plásticos", afirmó Zhiwu "Drew" Wang, investigador principal, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Biológicos y director del Centro de Investigación e Innovación Aplicadas al Agua. "Proporcionaremos un modelo de cómo producir plásticos biológicos en masa".

Los plásticos tradicionales se fabrican a partir de aceite a base de petróleo. Siguiendo un principio similar, el bioplástico se puede fabricar a partir de aceite biológico, como grasa animal, aceites de origen vegetal o “grasa” microbiana.

Los investigadores emplean microorganismos para consumir desechos de alimentos, animándolos a producir grasas o aceites biológicos. Luego, esas grasas se cosechan, purifican y procesan en bioplásticos.

Haibo Huang, profesor asociado del Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, y Young Kim, profesor asociado de sistemas y diseño de envases del Departamento de Biomateriales Sostenibles de la Facultad de Recursos Naturales y Medio Ambiente, también son involucrados con el proyecto.

El equipo de Huang se centra en la separación y purificación de polihidroxialcanoatos (PHA), las grasas poliméricas producidas mediante la fermentación de residuos de alimentos por las células microbianas.

El trabajo de Kim utiliza los PHA purificados para fabricar productos bioplásticos de alto valor, como sistemas de embalaje domésticos rígidos y flexibles compostables, incluidas botellas, películas de embalaje y cartones recubiertos de PHA para productos de embalaje de un solo uso, que tienen una gran demanda debido a la pandemia. .

Por Courtney Sakry / David Fleming / Chelsea Seeber / Suzanne Miller / Steven Mackay / Erica Stacy / Suzanne Irby y Max Esterhuizen