Una bacteria que degrada y asimila el poli(tereftalato de etileno)
La producción de plásticos baratos, duraderos y adaptables se ha disparado en las últimas décadas al infiltrarse en todos los ámbitos de nuestra vida; pero este polímero, antaño deseable, tiene un lado oscuro. Los plásticos pueden tardar cientos de años en degradarse y, con una producción a niveles astronómicos (más de 350 millones de toneladas al año en todo el mundo), la contaminación por plásticos es uno de los problemas medioambientales más acuciantes a los que se enfrenta el mundo en la actualidad.
La asombrosa cifra de 150 millones de toneladas de plástico llega a los vertederos o se libera en el medio ambiente cada año y más de 8 millones de toneladas son transportadas por los ríos a los océanos del mundo. La mayor parte no se degrada, sino que se descompone en micropartículas. Estos microplásticos, bien documentados, se encuentran en el agua de los océanos, dentro de los animales marinos e incluso en las profundidades del sistema gastroentérico de los seres humanos. La contaminación por plásticos es uno de los problemas medioambientales más críticos a los que se enfrenta la humanidad hoy en día y los investigadores se han dedicado a buscar respuestas a este desconcertante problema del plástico.
Los plásticos están hechos de polímeros, es decir, de largas cadenas creadas mediante la repetición de bloques de monómeros. La mayoría de los plásticos más utilizados son termoplásticos o termoestables. Los termoplásticos, como el acrílico, la poliamida y el polietileno, se vuelven blandos y moldeables a altas temperaturas y se endurecen al enfriarse. Esta propiedad hace que sean relativamente fáciles de reciclar porque se pueden ablandar y volver a moldear en nuevos productos, aunque la disminución de la calidad limita el beneficio. Los plásticos termoestables, como el poliuretano, la resina epoxi y la resina de melamina, se endurecen al calentarse y son casi imposibles de reciclar. Las dificultades que plantea el reciclaje tanto de los termoplásticos como de los termoestables hacen que todos los plásticos acaben contribuyendo a la contaminación medioambiental.
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.
Degradación del polietileno
La degradación de los polímeros es la reducción de las propiedades físicas de un polímero, como la resistencia, causada por cambios en su composición química. Los polímeros, y en particular los plásticos, están sujetos a la degradación en todas las etapas del ciclo de vida del producto, incluyendo su procesamiento inicial, su uso, su eliminación en el medio ambiente y su reciclaje[1] El ritmo de esta degradación varía significativamente; la biodegradación puede tardar décadas, mientras que algunos procesos industriales pueden descomponer completamente un polímero en horas.
Se han desarrollado tecnologías para inhibir o promover la degradación. Por ejemplo, los estabilizadores de polímeros garantizan que los artículos de plástico se produzcan con las propiedades deseadas, prolongan su vida útil y facilitan su reciclaje. A la inversa, los aditivos biodegradables aceleran la degradación de los residuos plásticos mejorando su biodegradabilidad. Algunas formas de reciclaje de plásticos pueden implicar la degradación completa de un polímero de vuelta a monómeros u otros productos químicos.
En general, los efectos del calor, la luz, el aire y el agua son los factores más importantes en la degradación de los polímeros de plástico. Los principales cambios químicos son la oxidación y la escisión de la cadena, que conducen a una reducción del peso molecular y del grado de polimerización del polímero. Estos cambios afectan a propiedades físicas como la resistencia, la maleabilidad, el índice de fluidez, el aspecto y el color. Los cambios en las propiedades suelen denominarse “envejecimiento”.
La degradación enzimática de los polímeros: una breve revisión
Buscando una forma de estabilizar las enzimas, los investigadores utilizan portadores inorgánicos. Estos portadores actúan como una especie de protección para la enzima. Como explica Rosencrantz “Utilizamos partículas inorgánicas, por ejemplo, que son muy porosas. Las enzimas se unen a estos portadores incrustándose en los poros. Aunque esto restringe la movilidad de las enzimas, éstas permanecen activas y son capaces de soportar temperaturas mucho más altas”.
Rosencrantz subraya, sin embargo, que no existe un proceso de estabilización de aplicación general: “No hay dos enzimas iguales. El soporte y la tecnología más adecuados para el proceso de incrustación siguen siendo específicos para cada enzima”.