Degradación microbiana y enzimática de plásticos sintéticos
ResumenLa gestión y el reciclaje de los residuos plásticos se han convertido en un grave problema mundial, ya que afectan a los seres vivos de todos los ecosistemas. Los investigadores han estudiado la biodegradación del polietileno (PE) midiendo los cambios en diversas características fisicoquímicas y estructurales mediante técnicas como la espectroscopia infrarroja por transformación de Fourier (FTIR), el microscopio electrónico de barrido (SEM), etc. Sin embargo, estas pruebas no son suficientes para demostrar la biodegradación exacta del PE. En esta revisión, resumimos la biodegradación microbiana del polietileno y discutimos los desarrollos recientes de las enzimas microbianas candidatas y su posible papel en la degradación del PE. Además, hablamos de las tecnologías avanzadas utilizadas correctamente para medir la degradación del PE utilizando PE marcado con isótopos para averiguar su metabolismo en los productos finales como el 13CO2.
Appl Biol Chem 63, 27 (2020). https://doi.org/10.1186/s13765-020-00511-3Download citationShare this articleAnyone you share the following link with will be able to read this content:Get shareable linkSorry, a shareable link is not currently available for this article.Copy to clipboard
Degradación del polietileno
El polipropileno, abreviado como PP, es un polímero termoplástico reciclable ampliamente utilizado en muchos productos diferentes. El PP es robusto y resistente a diferentes disolventes químicos, ácidos y bases. El código de identificación de la resina del PP es el 5, y es reciclable.
El punto de fusión y la resistencia del PP lo convierten en el material de envasado de plástico más popular en Estados Unidos, con una producción de aproximadamente cinco mil millones de libras al año en este país (2010). Sin embargo, según las cifras de producción y reciclaje de PP proporcionadas por el American Chemistry Council, el PP es uno de los plásticos menos reciclados después del consumo, con una tasa inferior al 1% de recuperación después del consumo.
Debido a la corta vida útil de los envases fabricados con PP, la mayoría de estos termoplásticos acaban en los vertederos como residuos. La Agencia de Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos afirma que aproximadamente el 20% de los residuos sólidos producidos están compuestos por algún tipo de plástico, entre los que se encuentra el PP. Los productos fabricados con PP se degradan lentamente en los vertederos y tardan entre 20 y 30 años en descomponerse por completo. Esta característica plantea graves problemas medioambientales. Los aditivos utilizados en los productos de plástico pueden contener toxinas como el plomo y el cadmio. Los estudios sugieren que el cadmio contenido en los productos de plástico tiene el potencial de filtrarse y puede tener consecuencias extremadamente dañinas para una serie de biosistemas. Además, la combustión de termoplásticos como el PP puede liberar dioxinas y cloruro de vinilo.
Degradación enzimática del plástico
La contaminación ambiental por residuos plásticos se registró por primera vez en la década de 1970 (Carpenter y Smith, 1972). La creciente cantidad de residuos plásticos se ha convertido en una preocupación mundial. A pesar de los crecientes esfuerzos por reducir los residuos de plástico mediante la recogida selectiva y el reciclaje, una cantidad considerable de residuos sólidos de plástico sigue depositándose en los vertederos. De toda la producción de plástico en 2017 (8.300 millones de toneladas), tras el reciclaje, la incineración (recuperación de energía) de los residuos y el cálculo de los plásticos en uso en el ámbito doméstico; alrededor del 60% ha quedado en el medio ambiente, incluido el 95% en los vertederos y el 5% en los océanos y otras zonas terrestres (Ragaert et al., 2017). Los residuos plásticos en el medio ambiente se degradan en la naturaleza por despolimerización foto, bio y termo-oxidativa, así como por fricción (Barnes et al., 2009; Browne et al., 2011). Aunque la biodegradación de estos plásticos es factible en el medio natural, puede llevar largos periodos de tiempo: de 50 a más de 100 años (Tabla 1).
La degradación de los plásticos por medios microbianos y/o enzimáticos (Figura 2) es una estrategia prometedora para despolimerizar los petroplásticos de desecho en monómeros para su reciclaje, o mineralizarlos en dióxido de carbono, agua y nueva biomasa, con la producción concomitante de bioproductos de mayor valor (Grima et al., 2000; Montazer et al., 2019, 2020a). La biodegradación de los plásticos implica la excreción de enzimas extracelulares por parte del microorganismo, la fijación de la enzima a la superficie del plástico, la hidrólisis a intermediarios poliméricos cortos, que finalmente son asimilados por las células microbianas como fuente de carbono para liberar CO2. A pesar de que estos plásticos representan sustancias químicas no naturales, en los últimos años se han identificado varios microorganismos capaces de metabolizar estos polímeros. Se sabe que más de 90 microorganismos, entre ellos bacterias y hongos, degradan plásticos derivados del petróleo (Jumaah, 2017) sobre todo en condiciones in vitro.
Articulos de degradación de polimeros polietileno polipropileno 2021
donde mi es la masa inicial, m es la masa momentánea en cada instante de tiempo y temperatura, mf es la masa final y wtloss es la pérdida de peso a cualquier temperatura [2 3]. La tasa de conversión, siguiendo la cinética, en el estado sólido puede describirse como la primera derivada de la conversión mediante la ecuación (2):dαdx=k(T)f(α)=Ze-EaRT f(α)(2)
donde k(T) es la constante cinética generalmente expresada por la ecuación de Arrhenius. Z es el factor preexponencial, Ea es la energía de activación aparente, T es la temperatura absoluta y R es la constante de los gases. f(α) es el modelo de reacción gobernante, que es una función del mecanismo de reacción que pronuncia los cambios físicos o químicos durante la reacción de degradación.El valor de la energía de activación (Ea), que es esencial para evaluar el modelo cinético más adecuado para el proceso de degradación, puede determinarse a partir de la pendiente de un gráfico de dos parámetros dados por las ecuaciones matemáticas de los modelos. En la Tabla 2 se indican varios métodos [30,31] que se emplearon para calcular los valores de Ea a grados progresivos de conversión. Se realizó una regresión lineal para determinar la Ea a partir de la pendiente de las curvas (mencionadas en la tabla), tomando como criterio el valor R-cuadrado ajustado para obtener el poder descriptivo de la regresión.Tabla 2Modelos cinéticos utilizados para calcular la energía de activación (Ea).Modelo cinéticoEcuación