¿La cafeína es un contaminante?

Tema: La cafeína es un alcaloide psicoestimulante contenido naturalmente en los granos de café, las nueces de cola y las hojas de numerosas plantas, como el té, que son utilizadas para saborizar infusiones y preparar refrescos y bebidas energéticas. Esta molécula también está presente en las vainas de cacao y, por lo tanto, en los chocolates, y en numerosos medicamentos. A nivel mundial, el volumen de café consumido en 2024 se estimó en 180 millones de sacos de 60 kilogramos por año y su concentración en mares, ríos y lagos presenta tendencia al incremento lo que podría implicar a futuro, potenciales impactos negativos en los organismos acuáticos. Considerando lo anterior, la biotecnología representa un reservorio táctico de métodos y técnicas a utilizar para realizar investigaciones de alta resolución que nos permitan identificar los efectos de la cafeína en organismos y ecosistemas.

1. Introducción

Las investigaciones sobre la presencia y efectos de la cafeína (C8H11N4O2) en sistemas acuáticos comenzaron a desarrollarse junto con el estudio de fármacos como el acetaminofén y el diclofenaco (Wilkinson et al., 2022; Mahgoub et al., 2024). Actualmente, la cafeína se considera un contaminante pseudo persistente cuyos residuos tienen una amplia distribución en costas, ríos y estuarios de todo el planeta, y pueden estar presentes tanto en agua como en los sedimentos (Wilkinson et al., 2022; Yan et al., 2024). A nivel mundial, se ha reportado que los residuos de cafeína afectan el metabolismo de los carbohidratos, inducen estrés oxidativo, peroxidación lipídica, neurotoxicidad, y pueden afectar el crecimiento, la reproducción y la supervivencia de los organismos acuáticos (Vieira et al., 2022; Wilkinson et al., 2022). Además, su impacto en la biota marina, esta molécula contribuye a acentuar el efecto de la acidificación de los océanos (Munari et al., 2020). Sin embargo, el conocimiento que se tiene sobre la relevancia ecológica de la cafeína como contaminante, y sobre su impacto en la morfología, conducta y fisiología de los organismos acuáticos aún es muy limitado. 

2. Orígenes de la cafeína

La cafeína se descubrió y aisló por primera vez en 1819 por el químico alemán Friedrich Ferdinand Runge, al analizar las características químicas del café, pero su estructura química se determinó hasta 1875. Las especies de café Coffea arabica y Coffea canephora son las más representativas a escala comercial para la obtención de cafeína (Pardo-Lozano et al., 2007), sin embargo, este compuesto está presente en más de 60 especies de plantas, aunque sólo algunas de ellas son popularmente conocidas (Tabla 1).

Tabla 1. Plantas que contienen cafeína y su uso (basado en Yang et al., 2024).

Otros productos frecuentemente consumidos por la población, como refrescos y bebidas energéticas, contienen cafeína en concentraciones por debajo de los límites máximos permisibles (20 mg/100 mL, NOM-218-SSA1-2011) (Amezquita-Cazarez et al., 2018). Según estudios realizados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés), el consumo de cafeína recomendado para adultos sanos es de hasta 400 mg al día. La cantidad de cafeína contenida en una taza de café depende del tipo de café, el tipo de grano, el tostado, la forma de preparación y la capacidad de la taza (Tabla 2).

Tabla 2. Estimaciones de contenido de cafeína en diversas presentaciones de café (basado en Wikoff et al., 2017; FDA, 2018).

Aunque la mayoría de los productos que contienen cafeína son de color pardo al momento de su consumo, en estado puro la cafeína es un polvo blanco, inoloro y de sabor amargo. La cafeína es producida a partir de la xantosina (precursor). En las plantas de café o té se produce un grupo de enzimas llamadas N-metiltransferasas que introducen cambios a la xantosina, agregando o quitando átomos, produciendo la cafeína. Se ha determinado que la producción de cafeína en las plantas de café comenzó con mutaciones del gen de N-metiltransferasa y los estudios sobre el genoma y evolución de las plantas de café y de té han determinado que la producción de cafeína es el resultado de millones de años de evolución, que adicionalmente les ha permitido controlar su entorno, facilitar la polinización y repeler insectos depredadores (Denoeud et al., 2014).

3. La cafeína como contaminante en el medio acuático

En ríos, lagos, estuarios, aguas subterráneas, las concentraciones de cafeína suelen determinarse en nanogramos por litro (un ng = 0.000000001 gramo, o 1X10-9 g) de agua. El contenido de cafeína en el tejido de los organismos o en los sedimentos de los ecosistemas acuáticos, se expresa usualmente en nanogramos por gramos (ng/g) de tejido o sedimento. En estudios de laboratorio es posible controlar algunas condiciones y exponer a los organismos a concentraciones experimentales significativamente mayores, por lo que frecuentemente, además de nanogramos por litro (ng/L), se utilizan concentraciones del orden de los microgramos por litro (µg/L) o miligramos por litro mg/L). 

Aunque las concentraciones de cafeína que actualmente se detectan en los ecosistemas acuáticos son miles de veces menores a las comúnmente ingeridas por la población humana, se ha descubierto que la cafeína está presente en más del 50% de los 1052 puntos de muestreo estudiados en 258 ríos de todos los continentes, lo que representa una huella ecológica de 471,4 millones de personas (Wilkinson et al., 2022). Las mayores concentraciones de cafeína en aguas marinas (11,000 ng/L) fueron reportadas en Darwin Harbour, Australia (French et al., 2015). En Europa, su presencia se ha registrado en 13 países, observando las mayores concentraciones en el Mar Egeo (3,068 ng/L) y en Portugal (804 ng/L) (González-Rey et al., 2015). En Japón se reportan concentraciones de 8,230 ng/L (Murakami et al., 2011), mientras que en China se han registrado 3,060 ng/L (Sun et al., 2016). En Estados Unidos se han reportado 5,860 ng/L (Knee et al., 2010), mientras que en Canadá y Brasil concentraciones de 1,400 y 1,300 ng/L respectivamente (Roveri et al., 2020).

En México, la mayoría de las investigaciones reportan a la cafeína como marcador de contaminación antropogénica (Martínez‑Casales et al., 2022; Vázquez-Tapia et al., 2022), pero no profundizan en el daño que provoca en los organismos acuáticos, tanto en ambientes naturales como en sistemas de cultivo. La cafeína, junto a productos farmacéuticos como el naproxeno, el diclofenaco, el triclosán, el atenolol, el ibuprofeno y el estradiol, han sido reportados en aguas de desecho, en aguas superficiales y en aguas subterráneas del Valle Mezquital y de la Ciudad de México (Vázquez-Tapia et al., 2022). En lagunas costeras de la península de Yucatán, se han reportado concentraciones de hasta 2,390 ng/L (Martínez‑Casales et al., 2022).

4. Efectos de la cafeína en los organismos acuáticos

Las investigaciones realizadas en organismos acuáticos pueden dividirse en estudios realizados en hábitats naturales, y estudios en laboratorio (Vieira et al., 2022).

4.1 Estudios en hábitats naturales

En el hábitat natural, las investigaciones se limitan a reportar las concentraciones de cafeína encontrada en los organismos estudiados, pero no profundizan en su impacto fisiológico. Las cantidades de cafeína que se reportan en los organismos del medio natural son considerablemente inferiores a las cantidades contenidas en chocolates, refrescos e infusiones, por lo que no se les confiere a estos productos per se un efecto tóxico agudo sobre la biota acuática. Sin embargo, la preocupación actual es motivada por la elevada magnitud de la liberación constante de la cafeína y por la variación de la eficacia de las plantas de tratamiento para eliminarla, lo que plantea riesgos potenciales para los ecosistemas, la salud humana y los organismos acuáticos.

En algas del Mar Rojo se han detectado niveles de cafeína de 2 a 42 ng/g, y en esponjas de los arrecifes coralinos de las islas Maldivas entre 15 y 37 ng/g (Rizzi et al., 2020). En tejidos del mejillón verde (Perna viridis) que habita los manglares de Singapur se han encontrado niveles entre 0.4 y 5 ng/g (Bayen et al., 2016), mientras que, en otros mejillones de las costas de California, los niveles reportados oscilan entre 19 y 68 ng/g (Maruya et al., 2014). En tejidos de varios peces de interés comercial distribuidos en las islas Maldivas (Gerres oyena, Chanos chanos, y Lethrinus nebulosus) se han detectado niveles de 0 a 74, de 2 a 6, y de 0 a 8 ng/g respectivamente (Rizzi et al., 2020). En Corea del Sur, se reportó que el 65 % de la concentración de cafeína cuantificada en las zonas costeras (387 ng/g), fue encontrada en músculo e intestino de especies cultivadas como el pez de roca negro Sebastes schlegelii, el salmonete común Mugil cephalus, y el salmonete dorado Pagrus major (Kim et al., 2017).

4.2 Estudios en laboratorio

En estudios de laboratorio, se han considerado algunas especies que han sido expuestas a niveles de cafeína preestablecidos determinando, en cada caso, los daños más representativos asociados a una exposición prolongada o crónica. A la fecha, la mayoría de los impactos cuantificados han sido bioquímicos (metabólicos y hormonales). Sin embargo, se requiere de estudios que evalúen el contenido y los efectos a nivel de tejidos particularmente en organismos que viven en zonas costeras, particularmente aquellas especies de interés comercial. En condiciones experimentales los grupos más estudiados han sido bivalvos y poliquetos, sin embargo, algunas especies de algas y crustáceos han sido expuestos a las mayores concentraciones (Vieira et al., 2022). En la microalga Isochrysis galbana se ha reportado inhibición de crecimiento a concentraciones de 50 a 500 mg/L. En la bacteria Vibrio fischeri se observó una gradual inhibición de la bioluminiscencia cuando se expuso a concentraciones de hasta 18,000 mg/L (Aguirre-Martínez et al., 2015). El poliqueto marino de playas y estuarios (Hediste diversicolor) es una de las especies más utilizadas como bioindicador de contaminantes emergentes, y se ha demostrado que su sistema de defensa antioxidante es insuficiente para inhibir los daños provocados por la cafeína a concentraciones de 0.5 a 18 µg/L (Pires et al., 2016b).

En Ruditapes philippinarum, (almeja japonesa) se ha observado que niveles de cafeína de 0.1 a 50 µg/L, producen estrés oxidativo y neurotoxicidad, con daños adicionales en el ADN de las células de la glándula digestiva (Aguirre-Martínez et al., 2016), mientras que en Mytilus galloprovincialis (mejillón gallego), se ha observado que menores concentraciones de cafeína (0.005 a 0.5 µg/L) producen atrofia de los hemocitos (Munari et al., 2020), lo que puede comprometer la respuesta inmune de los organismos ante enfermedades, variaciones ambientales y/o presencia de contaminantes.

En adultos y larvas de Palaemonetes pugio (camarón marino) expuestos a concentraciones de 20 mg/L de cafeína se han observado trastornos en el proceso reproductivo, crecimiento y supervivencia. Estos efectos son más severos cuando los organismos se exponen de manera simultánea a 60 mg/L de cafeína y el antibiótico sulfametoxazol (García et al., 2014). En Ampelisca brevicornis, una de las pocas especies estudiada en sedimentos, la exposición a una concentración de cafeína entre 0.15-15,000 µg/g), produce alteraciones en el ADN e induce estrés oxidativo (Maranho et al., 2015).

5. Perspectivas

Actualmente, la contaminación mundial por cafeína representa una amenaza global para el futuro del medio ambiente y de los organismos acuáticos silvestres o cultivados. Ante esa situación de riesgo potencial, es un desafío cuantificar la magnitud del problema en el mediano y largo plazo al generar datos ambientales (en campo) y experimentales (en laboratorio), por lo que la biotecnología representa un reservorio táctico de técnicas y métodos a utilizar. En el Laboratorio Experimental de Homeopatía Acuícola y Semillas Marinas del Programa de Acuicultura del Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C., (CIBNOR), estamos desarrollando estudios experimentales para determinar el impacto de la cafeína en especies de interés para la industria acuícola, como el camarón blanco (Penaeus vannamei). Nos interesa reducir impactos nocivos aplicando tratamientos experimentales profilácticos y ecoamigables como los Compuestos Bioactivos Altamente Diluidos (CBAD). Lo anterior se realiza mediante un proyecto posdoctoral, con apoyo económico de la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti).

6. Referencias

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Amezquita-Cázarez K., et al. 2018. Extracción, caracterización y cuantificación de cafeína en bebidas energéticas más populares de México, y su consumo por estudiantes del CUCEI de la Universidad de Guadalajara. Revista de Aplicación Científica y Técnica, 4(13), 18-27.

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