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Use of commercial adsorbents for the removal of antibiotics from agricultural soil. Process efficacy and interaction mechanisms

Este estudio demuestra que la incorporación de un adsorbente de organoarcilla comercial (PM199) en suelos agrícolas inmoviliza eficazmente una mezcla de ocho antibióticos, particularmente amoxicilina, trimetoprima, sulfametoxazol y clindamicina, mediante la adsorción superficial heterogénea con interacciones competitivas limitadas, ofreciendo así una estrategia prometedora para evitar que la contaminación por antibióticos entre en los cuerpos de agua.

Autores originales: Úrsula Gallardo-Gómez, Carmen Mejías, Julia Martín, Alberto Zafra-Gómez

Publicado 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autores originales: Úrsula Gallardo-Gómez, Carmen Mejías, Julia Martín, Alberto Zafra-Gómez

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El suelo bajo nuestros pies es un archivo vivo y palpitante de la actividad humana, pero también es una víctima silenciosa de nuestra medicina moderna. Cuando las personas y los animales toman antibióticos para combatir infecciones, una parte significativa del fármaco pasa por sus cuerpos sin cambios y termina en el medio ambiente, a menudo transportada por el estiércol o las aguas residuales hacia los campos agrícolas. Una vez allí, estos potentes fármacos no simplemente desaparecen. En cambio, permanecen en la tierra, ejerciendo una presión sutil pero peligrosa sobre la vida microscópica que prospera allí. Esta presencia constante y de bajo nivel fomenta que las bacterias evolucionen defensas, creando un reservorio de resistencia que eventualmente puede dejar inútiles nuestros medicamentos más eficaces. El desafío para los científicos no es solo detectar estos residuos invisibles, sino encontrar una forma de atraparlos en el suelo antes de que se laven hacia los ríos y lagos, donde pueden propagarse aún más.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron probar una solución práctica para este problema: mezclar un tipo especial de arcilla en el suelo para que actúe como una esponja para la contaminación por antibióticos. Se centraron en ocho antibióticos comunes que se encuentran en el medio ambiente, que van desde fármacos de tipo penicilina hasta compuestos sintéticos más fuertes. El equipo comenzó examinando ocho materiales comerciales diferentes, todos basados en minerales de arcilla que habían sido tratados químicamente para atraer mejor los productos químicos orgánicos. Mezclaron cada material con una muestra de suelo agrícola real y añadieron una solución que contenía los ocho antibióticos para ver qué combinación funcionaba mejor para retener los fármacos en su lugar. El objetivo era encontrar un material que pudiera añadirse fácilmente a los campos para evitar que los antibióticos se filtren, sin requerir maquinaria compleja o procesos costosos.

El proceso de selección reveló que un material específico, una arcilla orgánica disponible comercialmente conocida como PM199, era muy superior a los demás. Cuando los investigadores mezclaron esta arcilla en el suelo en una proporción de veinte por ciento de arcilla por ochenta por ciento de suelo, los resultados fueron sorprendentes para ciertos fármacos. La mezcla mejoró significamente la retención de amoxicilina, trimetoprima, sulfametoxazol y clindamicina, con eficiencias de retención que oscilaron entre el 57,5% y el 84,6%. Para algunos de estos fármacos, la mejora fue dramática; el sulfametoxazol, por ejemplo, pasó de ser apenas retenido por el suelo natural a ser atrapado con más del 80 por ciento de eficiencia. Otros antibióticos, como la ciprofloxacina y la tetraciclina, ya estaban siendo retenidos bastante bien por el suelo natural por sí solo, por lo que la arcilla ofrecía solo un pequeño beneficio adicional para esos compuestos específicos.

Para comprender cómo ocurrió este atrapamiento, el equipo observó el proceso desarrollarse a lo largo del tiempo. Descubrieron que los antibióticos se comportaban de dos maneras distintas. Los cuatro fármacos que mostraron la mayor mejora —amoxicilina, trimetoprima, sulfametoxazol y clindamicina— siguieron un patrón de dos pasos. Fueron capturados rápidamente por la superficie de las partículas de arcilla y, luego, más lentamente, se desplazaron hacia el interior de los diminutos poros dentro del material para encontrar un lugar seguro. Esto sugiere que la arcilla ofrece tanto una atracción superficial inmediata como un almacenamiento más profundo y lento. En contraste, los otros cuatro antibióticos alcanzaron su capacidad máxima de retención casi instantáneamente, dentro de los primeros minutos de contacto, lo que indica que encontraron sus lugares en la superficie inmediatamente y no necesitaron buscar más profundamente.

Los investigadores examinaron luego cómo interactuaban estos fármacos con el suelo cuando todos estaban presentes al mismo tiempo, simulando un escenario del mundo real donde se mezclan múltiples antibióticos. Descubrieron que los fármacos no luchaban entre sí por el espacio. En cambio, cada tipo de antibiótico parecía encontrar su propio lugar preferido en la superficie compleja e irregular de la mezcla de arcilla y suelo. Aunque hubo una ligera reducción en cuánto podía retenerse cada fármaco cuando todos estaban juntos, la competencia fue mínima. Este es un hallazgo crucial porque significa que el método puede manejar la realidad desordenada de la contaminación agrícola, donde hay muchos productos químicos diferentes presentes simultáneamente, sin perder su eficacia.

El estudio concluye que añadir esta arcilla comercial específica al suelo agrícola es una estrategia viable para bloquear los peligrosos residuos de antibióticos. Al crear una superficie que es químicamente diversa y llena de diferentes tipos de sitios de unión, la arcilla permite que diversos fármacos se asienten sin desplazar a otros. Este enfoque ofrece una forma de mantener estos contaminantes peligrosos lejos de filtrarse de los campos hacia el suministro de agua, ralentizando potencialmente la propagación de genes de resistencia en el medio ambiente. El trabajo proporciona un método concreto y probado para que agricultores y gestores de tierras utilicen materiales industriales existentes para proteger el suelo y el agua de los efectos persistentes de la medicina moderna.

Resumen Técnico: Uso de Adsorbentes Comerciales para la Eliminación de Antibióticos en Suelos Agrícolas

Planteamiento del Problema
La contaminación del suelo por residuos de antibióticos presenta un riesgo significativo para los ecosistemas terrestres y acuáticos, principalmente al impulsar el desarrollo y la propagación de la resistencia antimicrobiana (RAM). Los suelos agrícolas actúan como reservorios clave de genes de resistencia a los antibióticos (GRA), debido en gran medida a la aplicación de estiércol, lodos de depuradora y aguas residuales tratadas que contienen antibióticos no metabolizados. Si bien el biochar y otros adsorbentes han mostrado ser prometedores para inmovilizar estos contaminantes, muchos estudios existentes dependen de diseños experimentales con altas relaciones agua-suelo y concentraciones de antibióticos que exceden las realidades ambientales. Además, el comportamiento de los adsorbentes aplicados directamente como enmiendas de suelo bajo condiciones agrícolas realistas sigue siendo insuficientemente comprendido, particularmente en lo que respecta a las interacciones multicomponente complejas y los mecanismos de adsorción competitiva.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque experimental de dos fases para evaluar la eficacia de los adsorbentes comerciales para la remediación del suelo:

Tamizaje Preliminar: Se evaluaron ocho adsorbentes industriales comerciales (minerales de arcilla modificados, incluyendo tipos de sepiolita y esmectita) frente a un suelo agrícola contaminado artificialmente con una mezcla multicomponente de ocho antibióticos: amoxicilina (AMX), trimetoprim (TMP), sulfametoxazol (SMZ), clindamicina (CLDM), ofloxacina (OFL), tetraciclina (TCN), ciprofloxacina (CIP) y azitromicina (AZM). Se realizaron experimentos de lote para optimizar la relación adsorbente-solución y la proporción de masa suelo-adsorbente.
Análisis Detallado de Cinética y Equilibrio: El adsorbente más eficaz, identificado como PM199 (una organoarcilla comercial), fue seleccionado para un estudio posterior. Los experimentos se realizaron utilizando una mezcla de suelo-PM199 (80:20 p/p).
- Cinética: Las tasas de adsorción se monitorearon durante 3,900 minutos. Los datos se ajustaron a cinco modelos empíricos: pseudo-primer orden (PFO), pseudo-segundo orden (PSO), un modelo mixto PFO+PSO, el modelo de difusión intrapartícula de Weber-Morris y el modelo de Elovich.
- Isotermas: Los datos de equilibrio para los cuatro antibióticos que mostraron la mejora más significativa (AMX, TMP, SMZ, CLDM) se ajustaron a los modelos de Langmuir, Freundlich y Sips.
- Modelado Multicomponente: Las interacciones competitivas se analizaron utilizando el modelo de Sheindorf-Rebhun-Sheintuch (SRS) y un enfoque global basado en Freundlich para determinar los coeficientes de interacción ( $\alpha_{ij}$ ) y evaluar cómo la presencia simultánea de antibióticos afecta las capacidades de adsorción individuales.

Resultes Clave

Selección y Eficiencia del Adsorbente: El PM199 mejoró significativamente la retención de AMX, TMP, SMZ y CLDM en comparación con el suelo sin enmendar. Las eficiencias de eliminación de estos compuestos en la mezcla suelo-PM199 oscilaron entre el 57.5% y el 84.6%. En contraste, OFL, TCN, CIP y AZM ya exhibían una alta retención (>96%) en el suelo natural, mostrando solo una mejora marginal con la adición de PM199.
Comportamiento Cinético: Se observaron dos patrones de adsorción distintos:
- Grupo A (AMX, TMP, SMZ, CLDM): Exhibió un patrón de adsorción bifásico (una fase inicial rápida seguida de un acercamiento más lento al equilibrio). Esto se describió mejor mediante un modelo mixto PFO+PSO, lo que sugiere una ocupación rápida de los sitios de la superficie externa seguida de una difusión intrapartícula más lenta hacia sitios energéticamente heterogéneos.
- Grupo B (OFL, CIP, AZM, TCN): Alcanzó su capacidad máxima cercana dentro de los primeros 5 minutos, lo que se describe mejor mediante un modelo PFO simple, indicando una ocupación rápida de sitios de alta afinidad donde la difusión no era el paso limitante.
Equilibrio e Isotermas: La isoterma de Freundlich proporcionó el mejor ajuste para los cuatro antibióticos seleccionados ( $R^2$ = 0.970–0.999), lo que indica una adsorción en una superficie energéticamente heterogénea. El parámetro de heterogeneidad calculado ( $n$ ) fue menor a 1 para todos los compuestos, confirmando una adsorción favorable. Los modelos de Langmuir y Sips produjeron capacidades de adsorción máxima ( $q_{max}$ ) físicamente irreales, lo que sugiere que la saturación no se alcanzó dentro del rango de concentración probado.
Adsorción Competitiva: El modelado multicomponente reveló que, si bien existen interacciones competitivas, estas son limitadas. Los coeficientes de interacción ( $\alpha_{ij}$ ) estuvieron cercanos a la unidad (0.85–1.22), y la reducción en la constante de capacidad de Freundlich ( $K_F$ ) bajo condiciones competitivas fue moderada (29–35%). Esto sugiere que los antibióticos interactúan preferencialmente con sitios de adsorción distintos en la superficie heterogénea en lugar de competir directamente por los mismos sitios limitados.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que la incorporación de la organoarcilla PM199 en el suelo agrícola es una estrategia eficaz para la retención simultánea de mezclas de antibióticos. El estudio demuestra que la enmienda del suelo con organoarcillas puede aumentar sustancialmente la inmovilización de antibióticos que de otro modo serían móviles en los suelos naturales, particularmente AMX, TMP, SMZ y CLDM.

La investigación destaca que la naturaleza organomineral del adsorbente amplía el rango de mecanismos de interacción (incluyendo interacciones hidrofóbicas, apilamiento $\pi$ – $\pi$ y fuerzas electrostáticas), lo que permite la retención efectiva de diversas clases de antibióticos. Crucialmente, el estudio proporciona evidencia de que la inhibición competitiva entre estos antibióticos es relativamente débil. Esto implica que los suelos enmendados con organoarcilla pueden funcionar como sistemas de retención multicomponente robustos, mitigando potencialmente el riesgo de contaminación cruzada de antibióticos y su lixiviación hacia los cuerpos de agua naturales en entornos agrícolas que reciben aguas residuales tratadas o desechos orgánicos. Los hallazgos respaldan la viabilidad práctica del uso de adsorbentes industriales como enmiendas de suelo para abordar la contaminación por antibióticos bajo condiciones que simulan las interacciones realistas suelo-solución.

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