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Aug 05, 2023

Hierro

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 13565 (2023) Citar este artículo 381 Accesos Detalles de métricas Se presenta un nuevo enfoque de fortificación del agua potable para combatir la deficiencia de hierro

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13565 (2023) Citar este artículo

381 Accesos

Detalles de métricas

Se presenta un nuevo enfoque para la fortificación del agua potable para combatir la anemia por deficiencia de hierro (IDA) en todo el mundo. La idea es lixiviar Fe de un lecho que contiene hierro metálico granular (Fe0), utilizando principalmente ácido ascórbico (AA). El AA forma complejos muy estables y biodisponibles con el hierro ferroso (FeII). Se pueden añadir diariamente cantidades calculadas de solución de FeII-AA al agua potable de hogares o guarderías para niños y adultos (p. ej. hospitales, guarderías/escuelas, campos de refugiados) para cubrir las necesidades de Fe de la población. El Fe0 granular (p. ej., hierro esponjoso) en los filtros se considera un portador de Fe disponible localmente en entornos de bajos ingresos, y el AA también se considera asequible en los países de bajos ingresos. La idea principal de este concepto es estabilizar el FeII del filtro de Fe0 mediante el uso de una solución de AA adecuada. Un experimento demostró que se pueden lixiviar hasta 12 mg de Fe diariamente a partir de 1,0 g de una esponja de hierro comercial utilizando una solución de AA 2 mM. La fortificación con Fe del agua potable es un método practicable, asequible y eficiente para reducir la IDA en comunidades de bajos ingresos.

Se informa que la deficiencia de hierro es la deficiencia nutricional más prevalente en todo el mundo y afecta a alrededor de 5 mil millones de personas1,2,3,4. La deficiencia de hierro es la principal causa de anemia (anemia ferropénica – IDA) en niños y mujeres4,5. La prevalencia de la anemia es cinco veces mayor en los países de bajos ingresos que en los de altos ingresos6,7. Otra razón importante de esta alta prevalencia es que las enfermedades infecciosas como las infecciones bacterianas, los anquilostomas, el virus de la inmunodeficiencia humana o el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (VIH/SIDA), las infecciones parasitarias intestinales, la malaria y la tuberculosis son afecciones comunes asociadas con una reducción de los componentes de la sangre. incluido el hierro1,2,4. La deficiencia de hierro perjudica el desarrollo cognitivo en los niños, reduce la capacidad laboral en los adultos, aumenta el riesgo de morbilidad, induce malos resultados en el embarazo y deteriora la inmunidad1,3,4,8. La deficiencia de hierro está considerada una de las enfermedades más costosas del mundo, según la Organización Mundial de la Salud (OMS)3,4,8,9,10,11. Esto se debe a que la AIF induce pérdidas económicas en forma de (1) pérdidas cognitivas entre los niños, (2) menor productividad entre los adultos y (3) mayores gastos médicos asociados para todos los grupos9,11. Afortunadamente, la AIF se puede prevenir y curar, y hacerlo es una prioridad para la OMS10,11. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos concertados para la suplementación con hierro (p. ej., bebidas, enriquecimiento de alimentos, inyecciones, jarabes, medicamentos, píldoras, enriquecimiento de sal, tabletas), no se han logrado muchos avances en las últimas tres décadas3,4,7,12,13,14 ,15,16. La AIF mantiene su primera posición como principal causa de años vividos con discapacidad y aún contribuye a hasta 120.000 muertes maternas por año3,11,17.

A lo largo de los años se han desarrollado muchas estrategias para prevenir y tratar la AF2,4,7,12,18,19,20. La Tabla 1 ofrece una descripción general de las herramientas utilizadas en función de las características dependientes del estado de oxidación de las fuentes de hierro utilizadas (Fe0, FeII y FeIII). Las cuatro estrategias más comúnmente utilizadas son: (1) diversificación de la dieta, (2) fortificación de alimentos con Fe, (3) suplementación con múltiples micronutrientes y (4) tratamiento de infecciones parasitarias que contribuyen a la deficiencia de hierro2,3,5. Una quinta estrategia, que ha sido reportada sólo en Brasil, es la fortificación del agua potable con hierro ferroso (FeII) soluble7,12,21,22,23,24. En este esfuerzo, una estrategia favorecida a corto plazo y rentable que es relativamente fácil de implementar a gran escala es el uso de programas de fortificación en jardines de infancia y escuelas5. Para la prevención de la AIF, la OMS recomienda una suplementación diaria de hierro durante tres meses consecutivos al año a todas las mujeres premenopáusicas, niñas adolescentes y niños pequeños en la mayoría de los países3,11.

El mayor desafío en la lucha contra la AIF es el control de la biodisponibilidad del hierro7. Las fuentes de hierro están ampliamente disponibles en el mercado, pero no todas son biodisponibles (Tabla 1). La Tabla 1 muestra que la mejor fuente de hierro (biodisponible) es el sulfato de FeII con FeII estable. Los cloruros de FeII también son altamente solubles en agua, pero no estables en condiciones fisiológicas. Las fuentes de Fe0 y FeIII son menos solubles y, en consecuencia, su biodisponibilidad es baja. En otras palabras, el Fe soluble debe estar presente como FeII estable para ser absorbido por el cuerpo humano2,7,17,25. Esta es la razón por la cual el consumo simultáneo de dietas ricas en Fe y vitamina C (ácido ascórbico—AA) ha tratado de manera consistente y exitosa la IDA2,7,22,24,26. El ácido ascórbico es un fuerte agente reductor del FeIII y forma complejos muy estables con el FeII [FeII-AA]27,28,29. Los complejos FeII-AA son fácilmente absorbidos por el cuerpo humano. Por lo tanto, suministrar a las personas soluciones FeII-AA tiene el potencial de disminuir la IDA7,12.

Esta comunicación presenta el diseño de un dispositivo para generar localmente una solución FeII-AA para la fortificación de agua potable. Se coloca Fe0 granular en una columna y se lixivia con una solución de AA. Se agrega una cantidad calculada de lixiviado al tanque de agua potable para producir la concentración de hierro necesaria diaria. Se discuten herramientas para la implementación de este tipo de dispositivos en guarderías para niños y adultos.

La presentación comienza con una descripción del sistema Fe/AA (sección "Antecedentes del concepto FeII-AA"), seguida de una discusión de los usos actuales de Fe0 para el control de IDA (sección "Uso actual de Fe0 para el control de IDA"). La sección "Lixiviación de FeO con ácido ascórbico: prueba de concepto" presenta algunos datos experimentales sobre la lixiviación de FeO con ácido ascórbico (por ejemplo, prueba de concepto), la sección "Diseño de una unidad portadora de FeII" prepara la realización del concepto analizando un FeII-AA. unidad de producción. "La AIF y el suministro de agua potable: ¿matar dos pájaros de un tiro?" Esta sección formula algunas recomendaciones para combinar el control de IDA y el suministro de agua potable. Una breve conclusión (sección "Observaciones finales") cierra la presentación.

La capacidad de mejorar el nivel de hierro en las poblaciones depende en gran medida de la comprensión de la bioquímica y la absorción del Fe en el cuerpo humano2,7,17,28. Hay dos tipos de hierro: hierro hemo (que se encuentra en la carne roja) y no hemo (que se encuentra en alimentos de origen vegetal). La absorción de hierro en el tracto gastrointestinal es menor para las fuentes de hierro no hemo. La literatura contiene muchos hallazgos contradictorios con respecto a los parámetros pertinentes a la absorción efectiva de Fe por parte de los humanos3,5,17. Parece establecido que las sales ferrosas son mejores que el hierro hemo para combatir la IDA; sin embargo, algunas formulaciones de hierro más nuevas han afirmado lo contrario30,31. Afortunadamente, se ha informado de manera inequívoca que una combinación de ácido ascórbico (AA) y dietas que contienen Fe mejora el nivel de hierro en las poblaciones7,30. Al ser un ácido débil, el AA es un fuerte agente reductor del FeIII y un excelente agente complejante del FeII7,28,29. Esto significa que, cuando sea necesario, el AA reduce el FeIII-FeII acuoso y forma el complejo Fe-AA muy estable que está disponible para el cuerpo humano (Hecho 1: el AA reduce el FeIII acuoso y forma un complejo Fe-AA estable). Por tanto, los complejos Fe-AA están biodisponibles en el cuerpo humano7.

Las personas que viven en entornos con aguas subterráneas con alto contenido de hierro han demostrado un mejor nivel de hierro o sufren menos de IDA32,33,34,35,36,37,38. La razón de este hallazgo es que el agua subterránea rica en Fe contiene FeII que se oxida a FeIII al entrar en contacto con el aire (20% O2)39. Esto implica que la cantidad de FeII biodisponible también depende de la duración del almacenamiento. Tras la oxidación, el FeIII precipita como hidróxidos/óxidos de Fe o forma complejos con especies menos biodisponibles o no biodisponibles. El agua subterránea rica en Fe contiene FeII biodisponible. Siempre que se disponga de agua subterránea limpia rica en Fe como fuente de agua potable, basta con estabilizar el FeII, por ejemplo añadiendo AA o zumo de limón, para mejorar el nivel de Fe de la población25,40,41.

En conjunto, suministrar a las poblaciones agua potable que contenga Fe estabilizado en forma ferrosa (FeII) es suficiente (Hecho 1). Esta idea no es nueva, ya que se ha aplicado con éxito en el Brasil rural durante las últimas tres décadas7,21,22,23,24,26. En su forma original, cada familia debía tener una vasija de barro con una capacidad de aproximadamente 10 litros para almacenar agua potable. Las familias recibieron una solución concentrada de hierro (10 g/L) en forma de sulfato ferroso (FeSO4) y ácido L-ascórbico en la relación molar FeII:AA = 1:3, dispensada en frascos de 10 ml21. El éxito de este enfoque ha motivado su extensión a las guarderías7,24. El presente trabajo busca lixiviar FeII a partir de hierro metálico (Fe0). De este modo, el sulfato ferroso comercial se sustituye por un FeO granulado más asequible, que además está disponible fácilmente, por ejemplo, en forma de limaduras de hierro, alambre de hierro, chatarra, hierro esponjoso (hierro de reducción directa) o lana de acero. Las fuentes de FeO que se consideren en este contexto no deben contener ningún elemento de aleación tóxico. El hierro esponjoso es sin duda el mejor material que cumple este requisito. La composición mineralógica típica (en %) del hierro esponjoso es 42,43: Fe (total): 92–95; Fe0: 85–90; C: 1,0–1,5; S: 0,005–0,015; P: 0,02–0,09, SiO2: 1,0–2,0 y equilibrado por el gange. El grupo son los óxidos residuales no reducidos, que comprenden principalmente Al2O3, CaO, FeO, MgO, MnO y SiO2. La densidad de masa típica del hierro esponjoso es 1600 kg m-3 y su densidad aparente es 3200 kg m-342.

Se sabe que los materiales seleccionados en el presente documento para uso en la unidad de fortificación con Fe son eficaces para producir soluciones estables de FeII solubles en condiciones ambientales. La disponibilidad y el costo también se consideran en el proceso de selección porque se necesitarían cantidades sustanciales para la producción descentralizada. Las partículas de Fe0 utilizadas no deben contener elementos de aleación tóxicos (p. ej. Cr, Ni). Afortunadamente, este es el caso de muchos materiales de Fe0 fácilmente disponibles, como el hierro fundido y el acero de baja aleación. Por ejemplo, Lufingo et al.29 analizaron nueve lanas de acero comerciales para determinar su composición elemental y encontraron que el contenido de Fe0 era constantemente superior al 99%, mientras que el nivel de (Cr + Ni) era inferior al 0,7% en todas las muestras. Estos datos sugieren que una solución que contenga unos 10 mg/L de Fe contendría niveles no detectables de (Cr + Ni). Sin embargo, lo ideal es que las muestras de Fe0 utilizadas estén libres de Cr, Ni y Pb. Por lo tanto, existe la necesidad de (1) determinar la composición química de los materiales potenciales de FeO y (2) probarlos con respecto a la capacidad de lixiviación de elementos tóxicos relevantes antes de su uso para la fortificación del agua potable. La siguiente sección presenta una prueba de concepto, limitada a ilustrar la capacidad de lixiviación de Fe de una solución de AA 0,02 M (pH = 3,5) de cuatro muestras de Fe0 seleccionadas, en cinco experimentos paralelos.

Actualmente, el FeO se considera una fuente adventicia de hierro biodisponible con efectos tanto adversos como beneficiosos para la salud humana (Tablas 1, 2)44,45,46,47,48,49,50. Por un lado, la ingesta excesiva de Fe (p. ej., sobrecarga de Fe o intoxicación por hierro) se atribuye a intoxicación por metales derivados de alimentos y bebidas preparados en recipientes a base de FeO2,18,19,20,44,45. Por otro lado, se recomienda el Fe lixiviado de utensilios de cocina a base de Fe0 para prevenir y curar IDA18,19,20,40,49,50. Cuando los utensilios de cocina de Fe0 no están disponibles, no son asequibles o no son socialmente aceptados, se han utilizado lingotes de Fe0 reutilizables51,52,53,54,55, por ejemplo en utensilios de cocina a base de Al (Fig. 1). La Figura 2 muestra la fotografía de un lingote de hierro con forma de pez utilizado para el enriquecimiento de alimentos in situ en Camboya, así como un lingote de hierro con forma de hoja utilizado en la India55,56.

Fotografía de una olla de aluminio al fuego en Bamena (Camerún rural). Fotografía tomada por Serge Ndokou-Nana, octubre de 2021.

Fotografía de un Pez de Hierro de la Suerte y una Hoja de Hierro de la Suerte. Fotografía tomada por Gerhard Hundertmark, noviembre de 2021.

El FeO en forma de polvo de hierro también se ha utilizado ampliamente en la fortificación de alimentos14,17,56. En este contexto, la absorción de Fe se rige por el grado de disolución de los polvos de Fe0 usados ​​en el líquido gástrico17. Por tanto, el grado de absorción de Fe depende de la reactividad intrínseca del FeO utilizado en el fluido gástrico humano. La falta de caracterización de la reactividad intrínseca del FeO parece ser una deficiencia importante, ya que se han probado y utilizado muchos tipos diferentes de FeO sin un control de calidad adecuado58. Un control de calidad adecuado caracterizaría la biodisponibilidad relativa de Fe de los polvos de FeO usados. Por ejemplo, se han utilizado ampliamente polvos de Fe0 reducidos en H para fortificar las harinas de cereales, mientras que la OMS recomienda únicamente el polvo de hierro electrolítico14. La recomendación de la OMS se basa en evidencia de campo de la absorción de Fe en estudios de eficacia. Sin embargo, hubiera sido mejor desarrollar un parámetro operativo (por ejemplo, un índice de disolución) para evaluar la tendencia de disolución del Fe0 en diferentes condiciones fisiológicas (en el tracto gastrointestinal).

Si bien está claro que el Fe0 es una fuente de Fe relevante para curar y/o prevenir la IDA, no está claro por qué se utiliza preferentemente una fuente específica de Fe0 y qué condiciones operativas específicas son óptimas para satisfacer las necesidades diarias de un ser humano2,7 ,17,23. Las fuentes relevantes de Fe0 incluyen: (1) recipientes para cocinar y almacenar Fe0 (ollas y tambores)44,45,59, (2) lingotes de Fe0 reutilizables51,52,53,55,60 (https://luckyironfish.com, Access 2021/ 10/25), y (3) polvos de Fe02,56,61,62.

La fortificación de alimentos se considera en gran medida la mejor estrategia para aumentar la ingesta de hierro de una población, especialmente de niños y mujeres embarazadas2,14,15,16,55. La OMS ha reconocido que el enriquecimiento de los alimentos es una posible herramienta universal para derrotar a la AIF en todo el mundo11. Sin embargo, hay varias preocupaciones que deben mencionarse: (1) al resolver un problema (IDA) en algunas personas, la fortificación universal exacerba la intoxicación por Fe en otras personas (universalidad cuestionada), y el envenenamiento por hierro es tan grave como el IDA2, (2) porque de bajos ingresos, una gran fracción de la población solo tiene acceso restringido a alimentos comerciales enriquecidos (asequibilidad cuestionada), y (3) no se sabe qué fracción de Fe0 en los alimentos se solubiliza efectivamente durante la digestión y qué proporción es absorbida por el cuerpo. de cada persona individual2,7,17,23.

Con el objetivo de resolver los tres problemas mencionados, esta comunicación sugiere una solución que sea beneficiosa para el segmento de la población (potencialmente) que sufre IDA. Esta solución se denomina fortificación "semiuniversal"2 y utiliza agua como vehículo7. Además, sólo el agua potable está fortificada y se considera asequible o al menos más asequible que los alimentos enriquecidos comerciales. En cuanto a la biodisponibilidad, el Fe se lixivia del Fe0 granular mediante ácido ascórbico y es estable a largo plazo y biodisponible7,21,22,23,24,26,28.

El presente estudio presenta un concepto para extraer FeII de muestras de Fe0, utilizando ácido ascórbico (AA) como agente lixiviante o lixiviante. Anteriormente, el AA se había utilizado para lixiviar y extraer metales de óxidos metálicos naturales (por ejemplo, MnO2 marino) mediante disolución reductora63,64,65,66. En este contexto, el AA es un agente reductor y lixiviante (quelante) para el procesamiento de minerales a temperatura ambiente y bajo presión normal. Una lección clave de este proceso hidrometalúrgico es que la lixiviación AA tiene buenas características dinámicas, alta cinética de reacción y requiere equipos simples. En este artículo, se utiliza AA para mantener la disolución oxidativa de muestras de Fe0. El Fe0 se oxida con agua (H+) (disolución oxidativa) (Ec. 1) y el Fe2+ resultante se estabiliza mediante quelación con AA (Ec. 2). En ausencia de AA, el Fe2+ se habría oxidado aún más a Fe3+ por el oxígeno presente en el aire (Ec. 3) y habría precipitado como Fe(OH)3 (Ec. 4)58,67,68,69,70. De la ecuación. (1), una herramienta para aumentar el grado de lixiviación de Fe2+ es reducir el valor del pH (adición de H+).

Una vez que se forman los complejos de Fe(AA)2+ (Ec. 2), permanecen estables incluso cuando el pH aumenta a valores tan altos como 8.071,72. En particular, Conrad y Schade71 demostraron que agregar NaOH a una solución (FeCl3 + AA) da como resultado un quelato de hierro soluble, mientras que agregar AA a una mezcla (FeCl3 + NaOH) da como resultado un Fe(OH)3 insoluble.

Los ácidos orgánicos (p. ej., ácido acético, ácido cítrico, ácido oxálico) y otros agentes quelantes (p. ej., ácido etilendiaminotetraacético, EDTA) se pueden utilizar como lixiviantes eficaces para las cenizas volantes y los minerales73,74. Actualmente se prueban mezclas de ácidos orgánicos para recuperar metales valiosos de baterías de Li gastadas75. Por ejemplo, el proceso descrito por Chen et al.74 utilizó ácido iminodiacético y ácido maleico para recuperar cuantitativamente Li+ y Co3+ a 60 °C. Luego, AA convierte Co3+–Co2+ y permite la recuperación selectiva de Co. El presente trabajo utiliza AA para mantener la disolución de Fe0 (Ec. 1). Enfoques comparables son los esfuerzos de nuestro grupo de investigación que utilizan dos quelatos orgánicos (EDTA y 1,10-fenantrolina) para caracterizar la reactividad intrínseca de las muestras de Fe029,58,76. Además, nuestro grupo de investigación ha estado utilizando habitualmente un AA 0,1 M como solución de lavado para liberar cristalería de óxidos de FeIII después de experimentos de descontaminación con Fe0.

Esta sección está adaptada de Ndé-Tchoupé et al.76, quienes caracterizaron la reactividad de doce materiales de Fe0 para la evolución de H2 en H2SO4. Se incluyeron los cuatro analizados aquí y mostraron una reactividad significativamente diferente. Este resultado se confirmó recientemente mediante una prueba recientemente desarrollada para la detección de FeO: la prueba del ácido ascórbico58.

La solución de trabajo se preparó a partir de polvo de ácido L-ascórbico (Merk, Darmstadt, Alemania). La 1,10-fenantrolina, el ascorbato de sodio y el estándar de hierro (1000 mgL-1) también fueron de Merck (Darmstadt, Alemania). Todos los productos químicos eran de grado analítico.

Se utilizaron cuatro materiales Fe0 seleccionados. Dos de ellos eran materiales disponibles comercialmente para la remediación de aguas subterráneas denominados: (1) “hierro esponja” y (2) “iPuTec”. El hierro esponjoso es Eisenschwamm de ISPAT GmbH, Hamburgo; mientras que iPuTec es Graugußeisengranulat de iPutec GmbH & Co. KG, Rheinfelden; ambos en Alemania. Los otros dos materiales eran chatarra de hierro de una empresa de reciclaje de metales (Metallaufbereitung Zwickau), denominados: “S15” y “S69”. El S15 era una mezcla de aceros dulces de diversos orígenes, mientras que el S69 era una mezcla similar de hierros fundidos. Además del hierro esponjoso, se utilizaron materiales de FeO en su estado y forma típicos (es decir, en el estado “tal como se recibieron”). El hierro esponjoso se trituró en trozos pequeños, se tamizó y se utilizaron partículas con tamaños comprendidos entre 1,0 y 1,6 mm, sin ningún tratamiento previo adicional.

La Tabla 2 resume las composiciones elementales de los materiales según los análisis realizados mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X. Se puede observar claramente que los materiales se diferencian principalmente por su contenido en carbono (C) y silicio (Si). Por lo tanto, según el contenido de C, los materiales probados se pueden dividir en tres clases: (1) iPuTec y S69 que contienen más del 3% de C (hierro fundido), (2) S15 que contiene menos del 2% de C (acero dulce), y (3) hierro esponja (1,9% C), perteneciente a la tercera clase, caracterizado por una tecnología de fabricación específica, que produjo materiales porosos42,43. Todos estos materiales eran de forma irregular (limaduras y virutas) con superficies rugosas. El hierro esponja tenía una superficie muy rugosa e incluso era poroso. iPutec y las dos chatarras (S15 y S69) estaban visiblemente cubiertas de óxido.

Se colocaron 1,0 g de cada material de Fe0 en una columna cromatográfica que contenía arena en su tercio inferior y la solución de AA 0,02 M en sus dos tercios superiores (Fig. 3). Se lixivió FeO diariamente durante cinco días consecutivos (lunes a viernes) cada semana con aproximadamente 180 ml de una solución de ácido ascórbico 0,02 M (pH = 3,5), a temperatura constante de 23 ± 2 °C. En cada evento de lixiviación se monitoreó el volumen exacto del lixiviado y se determinó su concentración de hierro. El experimento finalizó después de 55 eventos de lixiviación. Esto corresponde a una tasa de lixiviación del 53% para el hierro esponja (el material más reactivo). Se realizó un experimento complementario con 2,0 g de iPuTec para permitir la evaluación del impacto de la masa de Fe0 en el grado de lixiviación de Fe por AA.

Configuración experimental de columna para lixiviación de Fe0 mediante ácido ascórbico (2 mM). La fotografía fue realizada al final de los experimentos. El caño de la tercera columna se rompió durante los experimentos pero esto no tiene incidencia en el rendimiento del sistema.

El análisis de hierro se realizó mediante el método de fenantrolina. Aunque el Fe (AA) ya era Fe (II), se realizó la reducción para seguir el protocolo analítico que incluye la calibración de las soluciones estándar. Las concentraciones de hierro se determinaron mediante un espectrofotómetro UV-Visible Cary 50 (Cary Instruments, LabMakelaar Benelux BV, Zevenhuizen, Países Bajos) a una longitud de onda de 510,0 nm utilizando celdas de vidrio de 1,0 cm. Los valores de pH se midieron mediante electrodos de vidrio combinados (WTW Co., Weinheim, Alemania).

La Tabla 4 y la Fig. 4 resumen los resultados de la extracción de Fe de los cuatro materiales de Fe0 probados. En la Tabla 3 se ve que el hierro esponjoso exhibió el mayor grado de lixiviación de Fe con 529,5 mg o 53 % del 1,0 g inicial después de 55 eventos de lixiviación durante 129 días. El orden creciente de la reactividad del Fe0 con respecto al grado de lixiviación del Fe en AA 0,02 M es: S15

Extensión de la lixiviación de Fe dependiente del tiempo de las cuatro muestras de Fe0 analizadas: (a) masa por evento de lixiviación y (b) masas acumuladas. Condiciones experimentales: mirón = 1,0 g, [AA] = 0,02 M y T = 23 ± 2 °C.

La Figura 4a muestra que la dosis diaria de 2 a 12 mg de Fe podría lixiviarse de cada columna que contenga 1 g de Fe0.

Para cada material, la cantidad lixiviada fue alta al inicio del experimento, luego disminuyó progresivamente al aumentar los eventos de lixiviación (tiempo transcurrido) hasta aproximadamente 70 días. Luego aumentó nuevamente a valores comparables a los valores iniciales para todas las muestras de Fe0 excepto S15 hasta el día 110 (Tabla 5). Después del día 110 se inició una nueva disminución del nivel de Fe lixiviado. La tendencia fue la misma para todas las muestras de Fe0, incluido el S15, con sólo diferencias en magnitud. Curiosamente, alrededor del día 70, el hierro esponja exhibió el grado más bajo de lixiviación de Fe. La Figura 4b muestra el alcance acumulado de la lixiviación de Fe y muestra claramente que el hierro esponjoso es el mejor material en los 129 eventos de lixiviación.

Una combinación de (1) cinética no constante de la corrosión del hierro para materiales individuales y (2) diferentes leyes de la cinética de variación de la cantidad de materiales hacen que cualquier predicción del grado de lixiviación sea un desafío (Tabla 5). La Tabla 5 muestra que para los primeros 10 eventos de lixiviación, el orden creciente de reactividad fue iPuTec < hierro esponja < S15 < S69. Luego de este período inicial, S15 fue el material menos reactivo hasta t = 112 d, correspondiente al evento de lixiviación número 52. Entre el décimo evento de lixiviación y el 52 tampoco hay una tendencia uniforme en la variación del grado de lixiviación de Fe de los otros tres materiales. Sin embargo, es seguro que se pueden obtener varias cantidades de Fe(AA)2+ para preparar soluciones diluidas para prevenir o combatir la IDA variando los siguientes factores: (1) la masa de Fe0 (por ejemplo, 1,0 g, 2,0 g), (2 ) el tipo Fe0 (p. ej., esponja de hierro, iPuTec), (3) la concentración de AA (p. ej., 0,02 M, 0,2 M) y, finalmente, (4) acidificar la solución. El Fe0 puede lixiviarse primero con EDTA y la solución resultante (FeIIIEDTA) puede reducirse y estabilizarse a Fe(AA)2+. De hecho, experimentos preliminares (no se muestran los resultados) han demostrado que el EDTA es un lixiviante mucho mejor que el AA. La capacidad del AA para reducir el FeIIIEDTA está documentada y utilizada en química analítica29,58.

Este experimento ha demostrado inequívocamente que el uso de dos columnas que contienen la misma cantidad de una muestra de Fe0 (m) producirá un nivel de Fe de lixiviación mayor que una sola columna que contenga 2 veces los mismos materiales (2 * m). Esto se debe a la extrema complejidad de los fenómenos asociados con la corrosión acuosa del hierro (Tabla 1)29,57. En resumen, estos resultados demuestran que la lixiviación de Fe0 utilizando AA es un enfoque prometedor para generar soluciones estables de FeII para mejorar el estado del hierro en los seres humanos.

El diseño conceptual de una unidad de producción de FeII-AA involucra dos componentes: (1) una fuente reactiva de hierro metálico (Fe0) y (2) una solución de ácido ascórbico (AA). En principio, son posibles las operaciones de lixiviación por lotes y en columnas. Sin embargo, aquí se prefieren las operaciones en columna principalmente porque pueden funcionar durante varios meses con una mano de obra limitada (sección "Lixiviación de Fe00 con ácido ascórbico: prueba de concepto"). La sección "Lixiviación de Fe0 con ácido ascórbico: prueba de concepto" y los datos disponibles sobre la lixiviación de Fe0 mediante ácido etilendiaminotetraacético (EDTA)29 sugieren que es posible lixiviar cantidades constantes de Fe a partir de rellenos de Fe0, esponjas de hierro y lana de acero colocadas en un vaso. columna durante varias semanas77 (Fig. 5). La concentración de Fe en el efluente (C0) depende principalmente de la reactividad intrínseca del Fe0 usado, la masa de Fe0 utilizada, la velocidad del flujo de la solución de AA y la concentración de AA. El valor de C0 (Ec. 5) se selecciona de manera que un cierto volumen del efluente (V0) se agrega a un depósito de agua (V1) para obtener la concentración deseada de Fe en el agua potable fortificada (C1).

Representación esquemática del proceso de generar la solución FeII-AA (V0) y agregarla a un tanque de almacenamiento de agua potable segura (V1). Fe0 es una fuente de hierro reactivo. La arena se utiliza como material de relleno.

Suponiendo que el agua potable disponible no contenga hierro, el balance de masa de Fe implica que C0V0 = C1V1 (Ec. 1). Si se va a producir diariamente 1 m3 de agua fortificada con FeII-AA (V1 = 1000 L) que contiene 2 mg/L de FeII (C1) y se debe utilizar 1,0 L (V0) del efluente, entonces el valor de C0 debe ser de 2000 mg. /L o 2,0 g/L (C0 = 2000 mg/L). El desafío es encontrar la mejor combinación de materiales de Fe0 (por ejemplo, limaduras de hierro, esponjas de hierro), masa de Fe0, concentración de AA y velocidad de flujo de la solución de AA, produciendo 1 litro de un efluente de FeII de 2,0 g/l. En caso de que 2,0 g/L de Fe no sea realista, se debería intentar tener 10 L de efluente con 0,2 g/L de FeII (C0 = 200 mg/L).

La Figura 5 muestra un dispositivo operativo para la producción del efluente de FeII-AA para dilución. Para la realización de este concepto se necesitan dispositivos de laboratorio comunes y asequibles para pesar (Fe0, AA) y determinar analíticamente el Fe. Esto significa que para el desarrollo del método FeII-AA es necesario un pequeño laboratorio químico o un sensor de FeII. Sin embargo, una vez establecido el método, ya no es necesario un laboratorio y el personal capacitado puede construir columnas para lixiviar Fe0 y realizar la dilución en tanques de agua. Los cálculos se realizan aquí para 1 m3. Para poblaciones más grandes se puede utilizar como módulo el dispositivo de agua de 1 m3, pudiendo utilizarse tantos módulos como sean necesarios para cubrir las necesidades. El valor operativo C1 de 2 mg/L se considera de forma puramente arbitraria. Se deben seleccionar valores más relevantes para las pruebas.

Un estudio de la literatura revela que se han administrado varias dosis de Fe a personas en estudios individuales. Por ejemplo, Ginanjar et al.25 discutieron los resultados de algunos estudios previos que utilizaron suplementos orales de una dosis de Fe de 0 mg (placebo) a 100 mg (terapia) en 200 ml de agua. Se añadió Fe como FeSO4 o NaFeEDTA y se administró a las personas de prueba después de al menos ocho horas de ayuno. En otras palabras, hasta 100 mg de Fe representa la dosis diaria para prevenir y/o curar la AF. Por otro lado, Rakanita et al.13 informaron que las mujeres necesitan entre 30 y 60 mg de Fe/día. La Organización Mundial de la Salud recomienda hasta 30 mg Fe/día para niños menores de cinco años11,54. La Tabla 6 resume las masas de FeSO4, fumarato de FeII, gluconato de FeII y NaFeEDTA necesarias para obtener 1 kg de hierro elemental (Fe). Se ve que (1) se necesitan de 3,0 a 8,0 kg de sales donde sólo 1 kg de Fe0 es suficiente, (2) el FeSO4 es más de 50 veces el precio de los clavos de hierro (Fe0). Sin embargo, la (bio)disponibilidad de Fe a partir de Fe0 es principalmente incierta. Para diseñar una unidad de producción de FeII-AA apropiada, la Ec. Se utiliza 5. El sistema funciona de manera que tres litros de agua potable (C1) aportan la dosis diaria de Fe necesaria para la prevención de IDA. Para problemas curativos (hasta 100 mg/d), se pueden desarrollar diseños apropiados sobre la misma base.

La lixiviación con Fe, tal como se utiliza en este documento, se emplea ampliamente en metalurgia extractiva y en la recuperación de medios mineros79,80,81,82. Los parámetros operativos que afectan la efectividad del proceso de lixiviación incluyen la concentración de la solución de AA, la duración de la operación de lixiviación (tasa de corrosión a largo plazo), el tamaño del grano de Fe0, la reactividad intrínseca del Fe0, la velocidad del flujo de la solución de AA (tiempo de contacto) y temperatura de lixiviación. Dado que la cinética de la corrosión del hierro no es constante ni lineal (consulte la sección "Lixiviación de Fe0 con ácido ascórbico: prueba de concepto")29,82,83,84, la vida útil de cada unidad de producción de FeII-AA (Fig. 5) no puede estar predeterminado. En otras palabras, la pregunta sobre cuándo recargar una columna de Fe0/arena con Fe0 nuevo sólo puede responderse mediante pruebas.

La presentación hasta aquí ha revelado que muchos entornos de bajos ingresos todavía están buscando salidas fiables a la crisis de deficiencia de hierro. Los intentos anteriores basados ​​en FeO para superar este problema incluyen: (1) usar utensilios de cocina de hierro, (2) agregar lingotes de hierro mientras se cocina con utensilios de cocina de aluminio y (3) consumir alimentos enriquecidos con polvos de FeO. Este último no es adecuado debido al acceso limitado a alimentos comerciales enriquecidos, especialmente para los hogares vulnerables y de bajos ingresos. Las tres herramientas sufren la disminución natural dependiente del tiempo de la cinética de la corrosión del hierro (disminución de la velocidad de corrosión o “pérdida de reactividad”)29,82,83,84,85,86,87. Por otro lado, el acceso limitado a la atención médica y a otros costosos suplementos de hierro hacen que otras herramientas disponibles para mejorar el nivel de hierro sean menos adecuadas para su uso generalizado en comunidades de bajos ingresos.

Durante las últimas tres décadas, un conjunto sustancial de evidencia ha demostrado que la ingesta de hierro del agua potable es un arma poderosa contra la AIF7,31,39. En este contexto, el FeII está disponible de forma natural, por ejemplo en aguas subterráneas30,31,34,35, o añadido artificialmente, por ejemplo como sulfato ferroso (FeSO4)21. Se informa que el FeSO4 es la sal de hierro más barata y soluble en agua disponible (Tabla 6)7. Dutra-de-Oliveira et al.21 utilizaron 10 mg de FeSO4 y 100 mg de ácido ascórbico (AA) por litro de agua de bebida. 10 mg de FeSO4 contienen 3,7 mg de Fe, 2,1 mg de S y 4,2 mg de O. Esto implica que sólo se necesitan 3,7 mg de Fe para 1 litro o unos 4,0 g para 1 m3 de agua. En otras palabras, 1 kg de Fe0 producirá más de 250 m3 de agua potable fortificada con Fe. El precio de 1 kg de Fe0 (3,00 euros)78 es mucho menor que el de 1 kg de FeSO4 (Tabla 6), y el Fe0 está fácilmente disponible, por ejemplo, en forma de clavos de hierro o hierro esponja77,88,89. Dutra-de-Oliveira et al.7 resumen la ventaja del agua como vehículo de Fe de la siguiente manera: “El agua se consume a diario, en todas partes y en todas las edades”, incluidos niños, mujeres embarazadas y adultos de todas las edades. En otras palabras, Dutra-de-Oliveira et al.7,90,91 ya han demostrado el éxito del agua potable enriquecida con hierro para mejorar el nivel de hierro de las poblaciones de bajos ingresos que consumen principalmente una dieta vegetal baja en hierro (FeII) y beben diariamente. agua local90,91,92,93,94,95,96. En consecuencia, siempre que el agua local sea de calidad potable, una solución universal para derrotar al IDA se hace más accesible y asequible mediante el uso del método FeII-AA presentado en este documento (sección "Uso actual de Fe0 para el control del IDA"). Los AA para la lixiviación de FeO están disponibles comercialmente. Por ejemplo, en julio de 2023 se podrán comprar 2,5 kg de ácido ascórbico (vitamina C) de calidad alimentaria en Amazon Alemania (www.amazon.de) por sólo 33 euros.

Las últimas dos décadas han sido testigos del desarrollo de soluciones asequibles para el suministro seguro de agua potable97,98,99,100,101,102. De estas tecnologías, una se basa en la filtración sobre Fe0/lechos de arena97,100,103,104,105,106,107. En principio, es posible diseñar un filtro de FeO capaz de liberar aproximadamente 2 mg/L de FeII en el efluente. En tal caso, basta con añadir una solución diluida de ácido ascórbico para estabilizar el FeII y ponerlo a disposición del cuerpo humano. Se necesita investigación para lograr la noción proverbial de “matar dos pájaros de un tiro”: (1) agua potable y (2) agua fortificada con hierro, de manera descentralizada. El problema del suministro de agua potable y la AIF coexisten o se yuxtaponen en los países de bajos ingresos108. Esto apunta a la novedad de combinar el suministro de agua potable basada en sistemas de filtrado de Fe0 con el enriquecimiento del agua potable para superar la IDA.

Hay tres enfoques principales para controlar la AIF: (1) suplementación con tabletas de hierro y ácido fólico, (2) fortificación con sales de hierro, hierro metálico y hierro disuelto, y (3) enfoques basados ​​en alimentos naturales. Los esfuerzos por implementar ampliamente los dos primeros enfoques realmente no han tenido éxito en la lucha contra la AIF durante las últimas tres décadas14,15,109,110,111,112. El tercer enfoque es atractivo porque se centra en la diversificación dietética y el enriquecimiento de las dietas con alimentos naturalmente ricos en hierro, pero es difícil ampliarlo a escala. Por lo tanto, todavía se necesitan herramientas más asequibles y aplicables.

El enfoque FeII-AA es una versión mejorada de un método de hace 30 años que utiliza sales de FeII altamente solubles disponibles comercialmente7. La fortificación casera del agua con hierro suministra hierro biodisponible a las poblaciones rurales y urbanas y es óptima para el suministro masivo en escuelas y otras instituciones. Se necesita investigación sistemática para desarrollar unidades productoras de FeII-AA escalables. Se necesitan experimentos bien diseñados para determinar la viabilidad de varios materiales potenciales de Fe0 para que sirvan como fuentes confiables de Fe y combatan la IDA.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementarios.

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Descargar referencias

Los autores agradecen la revisión previa del borrador del manuscrito realizada por Willis Gwenzi (Universidad de Kassel, Alemania). Se agradece el apoyo técnico a Serge Ndokou-Nana (Yaundé/Camerún), Gerhard Hundertmark (Universidad de Göttingen) y Huichen Yang (Universidad de Göttingen). Los datos de la sección 3 fueron obtenidos por Xuesong Cui, Ran Tao y Minhui Xiao (Universidad de Göttingen, Alemania).

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Centro de Estudios Indios Modernos (CeMIS), Universidad de Göttingen, Waldweg 26, 37073, Göttingen, Alemania

Chicgoua Noubactep y Sebastián Vollmer

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Yaundé I, PO Box 812, Yaundé, Camerún

Joseline Flore Kenmogne-Tchidjo

Departamento de Ciencias e Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente, Institución Africana de Ciencia y Tecnología Nelson Mandela, PO Box 447, Arusha, Tanzania

Chicgoua Noubactep

Facultad de Ciencia y Tecnología, Campus de Banekane, Université des Montagnes, PO Box 208, Bangangté, Camerún

Chicgoua Noubactep

Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Tierra, Universidad Hohai, Fo Cheng Xi Road 8, Nanjing, 211100, China

Chicgoua Noubactep

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Conceptualización: JFK-T., SV y CN; metodología: CN; escritura—borrador original: JFK,-T. y CN; redacción: revisión y edición: SV y CN; supervisión: SV y CN Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Chicgoua Noubactep.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Noubactep, C., Kenmogne-Tchidjo, JF y Vollmer, S. Agua fortificada con hierro: un nuevo enfoque para reducir la anemia por deficiencia de hierro en entornos con recursos limitados. Informe científico 13, 13565 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40600-z

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Recibido: 29 de noviembre de 2022

Aceptado: 14 de agosto de 2023

Publicado: 21 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40600-z

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