BACTERIAS QUE SE ALIMENTAN DE PLÁSTICO: ¿UNA SOLUCIÓN A LOS PROBLEMAS DE CONTAMINACIÓN?

La creación de los plásticos hace más de cien años cambió el  estilo de vida de las personas, así como de la tecnología, las comunicaciones, el comercio, etc., debido a la infinidad de usos que presentan así como su resistencia y capacidad de ser moldeados en cualquier forma.  Sin embargo, contrario a sus ventajas inmediatas para la vida cotidiana, está más que declarado el serio problema que representan como contaminantes persistentes en el ambiente. A pesar de este triste escenario, la naturaleza es maravillosa y “nos ha provisto” de microorganismos capaces de degradar este tipo de basura resistente. Esto gracias a la capacidad que tienen de adaptarse y usar como alimento sustancias químicas no encontradas inicialmente en la naturaleza.  En este artículo vamos a describir algunos de los hallazgos en esta materia a nivel nacional e internacional.

Los plásticos son polímeros que son maleables en presencia de calor y provienen de materias primas derivadas del petróleo. Están compuestos de carbón, hidrógeno, silicon, oxígeno, cloro y nitrógeno unidos por enlaces químicos [1]. Pueden permanecer inalterables cientos de años y su degradación consiste principalmente en su fragmentación en partículas más pequeñas que se pueden dispersar en todo el ambiente [2]. Dos de los principales de plásticos contaminantes son:

-Poliuretano

Conocido como hule espuma, representa a los plásticos en forma de espuma blanda y flexible (materiales acolchados para muebles, vehículos, tenis) y rígida y resistente (revestimiento aislante de edificios y refrigeradores) Fig. 1. Puede tardar 100 años  en descomponerse ya que es muy resistente a la degradación ambiental y biológica, incinerarlo no es una buena opción puesto que produce compuestos muy tóxicos. También puede reciclarse, sin embargo, no puede utilizarse para fabricar productos con el mismo valor que los originales [3] [4].

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Fig. 1. Tipos de productos fabricados a partir de poliuretano

-Tereftalato de polietileno (PET).

Es un miembro de la familia poliéster, la mayoría con fines textiles, pero el PET se empezó a emplear en películas fotográficas y en las cintas de audio y video. Su fama se alcanzó en las ventajas que le da a los envases: transparencia y capacidad para impedir la entrada de oxígeno (Fig.2) [3]. En EU el PET es el plástico que más se recicla (31%) y en México en el 2013 se reciclaron más de 428 mil toneladas [5] [6]. A pesar de esto, cada año se acumulan millones de toneladas de PET en los vertederos de basura.  El proceso de descomposición química del PET es lento y requiere altas temperaturas y presiones [5].

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Fig. 2. El PET constituye uno de los plásticos más empleados sobre todo para almacenar líquidos.

Una de las opciones más utilizadas en el ámbito de la biorremediación es aislar microorganismos de zonas contaminadas, estudiar su capacidad para degradar el  contaminante o extraer alguna molécula que produzcan y que permita degradar un compuesto en particular. Es así como se ha hecho para tratar derrames de petróleo y en la eliminación de metales pesados. Para degradar plásticos se sigue una estrategia semejante.

Si necesito bacterias que degraden plástico, ¿dónde busco?.. En un basurero

Y así fue, el Dr. Javier Cruz Gómez de la facultad de química de la UNAM, debido a antecedentes recientes de otras bacterias que degradan poliuretano, junto con la Dra. Herminia Loza Tavera  del Departamento de Bioquímica,  buscaron bacterias que pudieran degradar este plástico en el basurero ubicado en el Bordo de Xochiaca en Nezahualcóyotl, Edo. de México y tomaron muestras de hule espume deterioradas [4].

Colocaron muestras de este hule en matraces con un medio de cultivo con algunas sales minerales y poliuretano como fuente de carbono (como su alimento principal). Aislaron las bacterias que crecieron y las identificaron como del género Alicycliphilus sp (Fig. 3) [7]. Ya que las bacterias no tienen boca para alimentarse, liberan al medio que las rodea enzimas que les permite degradar el poliuretano en moléculas más pequeñas para absorberlas por su pared celular.

La enzima que puede hacer esto es una enzima denominada esterasa que rompe los fuertes enlaces del poliuretano.  Después de este hallazgo lo que ha proseguido es identificar los genes que están involucrados en esta actividad de degradación y crear bacterias transgénicas más eficaces que expresen estas enzimas.  Asimismo es de interés de la Dra. Loza identificar consorcios bacterianos (diversas especies de bacterias que en conjunto degraden el poliuretano) y la identificación de los genes involucrados en la degradación de un solvente ampliamente usado en la industria  la: N-metilpirrolidona, un agente considerado teratógeno [8].

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Fig. 3. La bacteria Alicycliphilus sp. fue aislada de hule espuma en descomposición hallado en el bordo de Xochiaca. Foto del Bordo: René Ramón (http://www.jornada.unam.mx/2012/08/10/estados/034n2est). Foto de Alicycliphilus sp: Efraín Mora [4].

¿Y si ahora buscamos en desechos de animales?

 La Ingeniera ambiental Angélica Abigaíl Ambriz Luna egresada de la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Zacatecas del IPN, (UPIIZ IPN) tiene como objetivo aislar bacterias que degraden PET. Su abordaje consistió en tratar de degradar el compuesto mayoritario de este plástico: el ácido tereftálico empleando la bacteria del género Dietzia aislada de excremento de caballo.  De manera similar al caso anterior se creció a la bacteria en un medio de cultivo con ácido tereftálico como única fuente de carbono. La investigadora encontró que la bacteria poseía una capacidad de degradación de 42.1 y 43.5 %.  Su meta final es construir un biorreactor que acelere el proceso de degradación del PET una vez que se estandarice los parámetros básicos de crecimiento de la bacteria [9].

¿Qué se ha encontrado en Japón?

 Investigadores del Instituto de Tecnología de Kyoto y de la Universidad de Keio analizaron 250 muestras de suelo, sedimento y agua contaminados con restos de PET en una fábrica de reciclaje en Sakai, Japón y encontraron un consorcio microbiano con la capacidad de degradar este plástico. De estos microorganismos se aisló una nueva especie de bacteria a la que nombraron Ideonella sakaiensis  capaz de degradar un trozo de PET de 20 × 15 × 0.2 mm. en 6 semanas (Fig.4) [10]. Esta bacteria puede degradar el plástico empleando dos enzimas:

-PETasa que rompe el plástico en su intermediario el ácido mono (2-hidroxietil) tereftálico o MHET por su abreviación en inglés.

-MHETasa que rompe el MHET en las partes más pequeñas que conforman el PET: el ácido tereftálico y el etilenglicol.

Aún con este hallazgo se necesitan varias mejoras debido a que la bacteria prefiere degradar el PET amorfo más que el PET cristalino (Fig. 5) además estas enzimas trabajan lentamente para emplearse en la industria [5].

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Fig. 4. La bacteria Ideonella sakaiensis (nombrada así por el lugar dónde fue aislada) puede degradar paulatinamente PET. Tomado de: http://cen.acs.org/articles/94/i11/Bacteria-feast-plastic.html

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Fig. 5. Existen dos tipos principales de PET: el APET (el PET amorfo) y el CPET (PET cristalino) que se diferencian en la disposición de las moléculas que provocan que uno sea transparente (moléculas desordenadas) y el otro opaco (moléculas parcialmente ordenadas). El conocimiento de estas características es esencial para los procesos de biodegradación.

Los desechos en el mar también pueden ser aprovechados por microorganismos

 En un estudio llevado a cabo por oceanógrafos de la Universidad Occidental de Australia, se analizaron muestras de agua en las costas de ese país que contenían microplásticos (fragmentos de plástico menores a 5 mm) para investigar qué clase de microorganismos podían habitarlos.

Los microplásticos constituyen un grave problema en la cadena alimenticia marina debido a que pueden ser ingeridos, transferidos y acumulados por diversos organismos desde el zooplancton hasta las ballenas.

El estudio se basó en colectar el plástico flotando en las costas y utilizar un microscopio electrónico que permite amplificar el tamaño de muestras miles de veces. En las imágenes analizadas encontraron diatomeas, invertebrados y células alargadas y en espiral, que son posibles bacterias que están colonizando el plástico y, muy probablemente, degradándolo (Fig. 6).

En una siguiente aproximación también se puede llegar a lo descrito anteriormente: aislar estas bacterias con fin de estudiar su papel en la degradación de plásticos. Con estos microorganismos se tendría la ventaja que pueden crecer en agua de mar, un sustrato mucho más barato que otros medios de cultivo [11].

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Fig. 6. Micrografía electrónica de barrido de bacterias creciendo en los microplásticos [11] .

A pesar de lo  sorprendentes que son estos descubrimientos, mostrándonos una vez más que la naturaleza puede arreglar por si misma los daños que le causamos, estamos muy lejos de solucionar el problema. Para que estos microorganismos, de forma natural, puedan degradar los plásticos se necesitaría mucho tiempo y, además, que dejáramos de verter más residuos en el ambiente.

El problema radica en que seguimos produciendo residuos difíciles de tratar, además de que son muy  demandantes y contamos con escasas alternativas biodegradables (aunque si las hay, algunas son más costosas).  Una solución plausible es el reciclaje, sin embargo en México se calcula que del total de residuos plásticos que se generan sólo el 12 por ciento se recupera para su reciclaje y, ¿qué es lo que lo dificulta? La separación de desechos, su limpieza para eliminar impurezas, se prefiere el PET transparente sin pigmentos, ya que incrementa su valor, el bajo valor económico del plástico, no existe la suficiente infraestructura para el reciclaje, el PET reciclado no puede usarse de nuevo en la industria de alimentos, debido a los estándares de higiene (aunque se puede usar en la industria textil) y se sigue produciendo para este fin. Además, somos muchísimas personas con demanda diaria de productos y contamos con una reducida cultura de reciclaje sumado a ello los escasos centros de acopio y reciclaje.

Lo que sí es un hecho es que la investigación científica en el área de los plásticos es muy importante y necesaria, además de nuevos esquemas de gestión.

Tristemente, ninguno de estos estudios expuestos tiene una aplicación práctica inmediata, el tema es muy complejo, se necesitaría abordar este método de degradación conjuntando el conocimiento actual de reciclado mecánico, químico y finalmente un tratamiento biológico para llegar a una solución factible.

Fuentes de consulta

[1] Ortiz M. 2013. El impacto de los plásticos en el ambiente.  La jornada. Disponible en: http://www.jornada.unam.mx/2013/05/27/eco-f.html. Fecha de consulta: 19 de marzo de 2016.

[2] http://www.ecointeligencia.com/2013/12/tipos-de-plasticos-habituales-2/

[3] Kale S, A. Deshmukh,  M.  Dudhare & V. Patil. 2015. Microbial degradation of plastic: a review . J Biochem Tech.6(1): 952-961.

[4] Guerrero V. 2008. Esperanza ambiental: bacterias contra el poliuretano. ¿Come vez? Disponible en: http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/117/esperanza-ambiental-bacterias-contra-el-poliuretano. Fecha de consulta: 19 de marzo de 2016.

[5] Halphord B. 2016. Bacteria Devour Polluting Plastic in Landfills. Disponible en: http://www.scientificamerican.com/article/bacteria-devour-polluting-plastic-in-landfills/. Fecha de consulta: 19 de marzo de 2016.

[6] http://www.ecoce.mx/datos-estadisticos.php. Fecha de consulta: 19 de marzo de 2016.

[7] Oceguera-Cervantes A., Carrillo- García A., López N., et al. 2007. Characterization of the Polyurethanolytic Activity of Two Alicycliphilus sp. Strains Able To Degrade Polyurethane and N-Methylpyrrolidone. Applied and Environmental Microbiology 73(19): 6214–6223

[8] Trabajo de egresada de la FQ, elegido como uno de los mejores en Congreso de Microbiología. Disponible en: http://www.quimica.unam.mx/cont_espe2.php?id_rubrique=&id_article=4069&color Fecha de consulta: 19 de marzo de 2016.

[9] Rodriguez E. 2016. Dietzia la bacteria devoradora de PET.  Disponible en: http://conacytprensa.mx/index.php/tecnologia/materiales/6019-dietzia-la-bacteria-devoradora-de-pet. Fecha de consulta: 18 de marzo de 2016.

[10] Yoshida S., K. Hiraga, T. Takehana, I. Hironao et al.,  2016. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351:1196-1199 DOI: 10.1126/science.aad6359.

[11] Reisser J, Shaw J, Hallegraeff G, Proietti M, Barnes DKA, et al. 2014. Millimeter-Sized Marine Plastics: A New Pelagic Habitat for Microorganisms and Invertebrates. PLoS ONE 9(6): e100289. doi:10.1371/journal.pone.0100289

GLOSARIO

 ENZIMA.  Proteína que acelera reacciones químicas en un organismo. Son altamente específicas, inducen la transformación de una sustancia concreta en un producto. Por ejemplo la amilasa degrada el almidón y lo convierte en maltosa.

 TERATÓGENO. Producto que administrado a una mujer o animal en estado de gestación puede provocar malformaciones en el feto.

DIATOMEA. Organismos acuáticos y fotosintéticos unicelulares de 0.01-0.2 mm de tamaño.

 

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