Contaminación por plásticos: estrategias biotecnológicas para su manejo.

Tema: A nivel mundial, la producción de plástico supera los 400 millones de toneladas por año (PlasticsEurope, 2019). Desafortunadamente, una gran cantidad de este plástico termina en el medio marino, afectando todos los ecosistemas acuáticos. No queda ningún entorno marino intacto, ya que se han detectado residuos en: aguas superficiales, columna de agua media, sedimentos y playas, desde latitudes árticas hasta los trópicos. Si no actuamos desde ahora, tan solo en esta década los desechos plásticos que fluyen hacia los ecosistemas acuáticos podrían triplicarse para 2040 (PNUMA, 2021). Por lo que, en esta ocasión, nos enfocaremos en la contaminación por plásticos haciendo énfasis en su impacto en la salud de los ecosistemas y en el hombre, así como en las estrategias biotecnológicas que podemos usar/implementar, para mitigar su impacto.

1. Introducción

1.1 ¿Qué es el plástico?

Un plástico es un polímero (Fig. 1), es decir, un material formado por la unión repetitiva de miles de átomos hasta formar moléculas de gran tamaño, conocidas como macromoléculas. Se componen de compuestos orgánicos integrados principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, cloro, azufre, silicio y fósforo. Existen distintos tipos de polímeros, aquellos que están formados por un mismo monómero unido de manera repetitiva, y los que están constituidos por dos o tres monómeros diferentes (Santillan, 2018).

Figura 1. Estructura química del etileno (izquierda) y polietileno (derecha) (tomado de Mariano, 2013).

1.2 ¿Cuáles son los tipos de plásticos?

Generalmente, cuando hablamos de “plásticos” tenemos la idea que se trata de un solo tipo de material, pero no es así. Así como sabemos que existen diferentes tipos de metales con diferentes propiedades, los plásticos también son una extensa familia de materiales diferentes. Cada plástico está diseñado con características específicas que lo hacen ideal para la aplicación a la que está destinado, proporcionando soluciones muy eficientes. Según su estructura, existen tres tipos de materiales plásticos (Tabla 1):

Tabla 1. Clasificación y propiedades de los plásticos de acuerdo con su estructura (elaborado a partir de Kerus, 2010; Valavanidis, 2023).

1) Termoplásticos: son plásticos que se ablandan con el calor, por lo que pueden moldearse con nuevas formas que se conservan al enfriarse. En este tipo de materiales, las macromoléculas están unidas por fuerzas (enlaces) débiles que se rompen con el calor. Se pueden comparar con la cera, que la fundimos y la moldeamos de una forma concreta, la volvemos a fundir y la moldeamos dándole otra forma igual o distinta (Fig. 2A).

2) Termoestables: son materiales infusibles e insolubles. Este tipo de plástico no puede ser reciclado, ya que si se incrementa la temperatura el polímero no funde, sino que se degrada. Por establecer un símil por todos conocido, es como cocer un huevo; si volvemos a elevar la temperatura una vez cocido y enfriado, el huevo no sufre ninguna transformación, y si elevamos la temperatura demasiado, el huevo se quema (Fig. 2B).

3) Elastómeros: son materiales que pueden ser deformados por aplicación de una tensión. Se estiran con facilidad y, en general, también resisten a la compresión. La deformación es reversible (Fig. 2C).

Figura 2. Tipos de plásticos de acuerdo con su estructura (tomado de Kerus, 2010). A) Termoplásticos, B) Termoestables, y C) Elastómeros.

Los materiales plásticos se pueden producir a partir de diferentes fuentes. Los plásticos son compuestos procedentes de sustancias naturales o también de compuestos orgánicos que han sufrido una gran transformación química. Estas sustancias pueden ser de origen: 1) mineral, como el petróleo, la hulla o el gas natural; 2) vegetal, como la madera, el algodón, algunas plantas oleaginosas, las gomas vegetales y la resina de algunos árboles, o 3) animal, fundamentalmente la leche y sus derivados, en particular la caseína. 

1.3 Obtención

Para la obtención de los plásticos (polímeros de síntesis), generalmente se utilizan los recursos fósiles. De ellos, el petróleo es la materia prima base para su obtención, ya que es muy fácil su extracción y transformación. De las fracciones obtenidas de la destilación del petróleo, la nafta (que es una mezcla de hidrocarburos de más de cinco átomos de carbono y que tiene un punto de ebullición de hasta 150 °C; Fig. 2), es la que se utiliza para la fabricación de los plásticos sometiéndola previamente a los procesos de craqueo y reformado.

1.4 Demanda-Producción

De acuerdo con la Asociación de Fabricantes de Plásticos en Europa (PlasticsEurope) y la Asociación Europea de Organizaciones de Reciclaje y Recuperación de Plásticos (EPRO), en 2018, la producción mundial de plásticos casi alcanzó los 360 millones de toneladas principalmente de termoplásticos, poliuretanos, termoestables, elastómeros, adhesivos, revestimientos, selladores y fibras de polipropileno. De ellas, Europa produjo 62 millones de toneladas y solo China produjo casi de 108 millones de toneladas, convirtiéndose en el país con mayor producción de plástico a nivel mundial (Fig. 3A). Los polímeros más demandados y usados son el polietileno o PE, y el polipropileno o PP (Fig. 3B) (PlasticsEuropa, 2019) y son en los que debemos reforzar esfuerzos para disminuir su uso y reforzar estrategias de reciclamiento.

Figura 3. Producción-Demanda- de plásticos en el mundo (tomado de PlasticsEuropa, 2019). A) Distribución global de producción de plásticos y, B) Demanda de plásticos por tipo de resina.

2. Diagnóstico

La basura marina y la contaminación plástica se están acumulando en los océanos del mundo a un ritmo inimaginable. Por ello, la contaminación plástica ya forma parte del registro fósil de la Tierra y se considera una característica de la era geológica actual (Antropoceno) (WWF, 2024). Se ha estimado que el volumen de plásticos que se encuentra actualmente en los océanos oscila entre 75 y 199 millones de toneladas métricas (PNUMA, 2021), distribuyéndose en sedimentos del fondo marino, en las playas y en muchos otros lugares del mundo. Los desechos marinos llegan al océano directa o indirectamente a través de la tierra, los ríos y la atmósfera. Se prevé que la producción mundial acumulada de plásticos desde 1950 crezca de 9.2 billones de toneladas en 2017 a 34 billones de toneladas en 2050 (PNUMA, 2021). Por ello, es urgente disminuir la producción de plásticos vírgenes, reducir los volúmenes de desechos no controlados o mal gestionados que llegan a los océanos y aumentar el nivel de reciclaje de los desechos plásticos, que actualmente se estima en menos del 10%. Además, la fabricación de plásticos produce importantes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), lo que contribuye a sus efectos sobre el clima (Rukikaire, 2021).

Las principales fuentes de plástico en el océano son los flujos incontrolados de desechos en la tierra, los vertidos de aguas residuales (tratadas y no tratadas), el desgaste normal de los productos plásticos (incluidos los textiles y los neumáticos de automóviles), la escorrentía terrestre, las fugas de los plásticos utilizados en la agricultura y las aportaciones directas de las industrias marítima. El plástico flotante, aparentemente, se acumula en cuerpos de agua semicerrados y giros subtropicales, lo que explica de alguna forma la existencia de altas concentraciones de plástico en 5 parches de basura plástica en el océano (Fig. 4A). De estos, el parche de basura del Pacífico Norte” es el más grande formando una gigantesca “isla de basura” que navega por el océano Pacífico y que contiene aproximadamente 1,8 billones de fragmentos de plástico, lo que equivale alrededor de 80,000 toneladas de desechos plásticos flotantes (Fig. 4B) (Vaksmaa et al., 2024).

Figura 4. Parches de basura en los océanos. A) En el mapamundi se muestran los 5 grandes parches de basura en los océanos, en las que se acumulan grandes cantidades de residuos plásticos. B) La isla de basura del Pacífico Norte, es una superficie de más de 1.6 millones de kilómetros cuadrados y 100 millones de toneladas formada en su mayoría de desechos de plástico.

3. ¿Qué es la plastisfera?

La"plastisfera" es un nuevo ecosistema en el Océano Pacífico que el humano ha creado al no eliminar y desechar los residuos plásticos (por ejemplo, el parche de basura del Pacífico Norte; Fig. 4B). La realidad es que millones de microbios e insectos viven actualmente en los plásticos que flotan en el medio del océano. Este plástico se convierte en hábitats marinos albergando varios tipos de microorganismos. Por su naturaleza hidrofóbica (repelen el agua), en las superficies plásticas se estimula la rápida formación de biopelículas (Reisser et al., 2014) que funcionan como soporte para diversas actividades metabólicas, y para el crecimiento tanto de microorganismos como macroorganismos (Davet at al., 2000). En un estudio reciente se identificaron más de 1,000 especies de bacterias y algas sujetas a desechos de microplásticos, incluyendo miembros del género Vibrio, el cual incluye a las bacterias que causan el cólera y otro tipo de enfermedades gastrointestinales. Algunas de estas bacterias brillan y se piensa que esto atrae a los peces que se comen a los organismos que colonizan el plástico, y estos después se alimentan del estómago de los peces (Zettler, 2014).

La plastisfera de los desechos plásticos incluyen microorganismos autótrofos, heterótrofos y simbiontes, siendo su composición muy diferente a la de otros materiales “naturales” flotantes como plumas y/o algas, ya que su velocidad de biodegradación es diferente. Algunos micoorganismos pueden acelerar la biodegradación de materiales plásticos, y cuando esto sucede, el plástico se degrada en partes más pequeñas, hasta formar microplásticos, que tienen una alta probabilidad de ser consumidos por el plancton, por lo que esta puede ser su entrada a la cadena alimentaria. Cuando el plancton es comido por organismos mayores, el plástico finalmente se puede acumular en los peces que son consumidos por los humanos. Sin embargo, no solo la ingestión es la vía de entrada de micropartrículas de plástico a nuestros cuerpos, sino también estas particulas ingresan a traves de la inhalación y la piel, desde donde se pueden acumular en: sangre, pulmón, riñón, hígado, piel, cerebro y placenta. En la figura 5 se enlistan las enfermedades relacionadas con los productos químicos asociados a la degradación y/o presencia de microplásticos (PNUMA, 2021).

Figura 5. Efectos en la salud humana de la exposición a productos químicos asociados al plástico (tomado de PNUMA, 2021).

4. Reciclaje

El reciclaje es el proceso de recolección y transformación de materiales para convertirlos en nuevos productos. De otro modo, estos desechos serían descartados como basura. Casi todos los tipos de plásticos se pueden reciclar (Tabla 2), sin embargo, el grado depende de factores técnicos, económicos y logísticos. El informe de la OCDE (OCDE, 2022) es el panorama más interesante de la gestión de plásticos y residuos plásticos a escala global.

Se han desarrollado varios tipos de reciclaje: A) el reciclaje avanzado de residuos plásticos, que consiste en una serie de procesos que descomponen el material plástico; B) el reciclaje químico, se basa en altas temperaturas, presión o catalizadores químicos para descomponer el plástico en sus componentes moleculares y utilizarlo para fabricar nuevos productos poliméricos; estos métodos incluyen: pirólisis, gasificación, hidrocraqueo y despolimerización, y C) El bioreciclaje o reciclaje biológico de residuos plásticos mediante enzimas microbianas. El reciclaje biológico se convirtió hace muchos años en una tecnología emergente para los residuos plásticos. Estas técnicas comenzaron a utilizar enzimas de microbios para descomponer los desechos plásticos en sus componentes básicos, para su reutilización en la producción de nuevos productos plásticos o combustible.

Tabla 2. Simbología de reciclaje de plásticos (Economía Sustentable, 2023; Tamapack, 2024).

4.1 Bioreciclaje y Bio-upcycling

El bio-reciclaje o la bio-conversión, consiste en utilizar seres vivos para convertir desperdicios creados por los seres humanos en materiales que pueden volver a ser útiles. Generalmente, en este tipo de estrategias de manejo se usa una sola especie como biodegradador aplicándose a un solo tipo de plástico. Sin embargo, dada la complejidad y la dificultad de clasificar los tipos de plástico en países poco desarrollados o en los que la cultura de la separación y el reciclaje de diversos tipos de materiales es complicada desde varios puntos de vista: social, gubernamental, empresarial, ambiental (como sucede en nuestro país), la comunidad científica mundial ha optado por estrategias más amigables como el bio-upcycling (Valavandis, 2023).

Bio-upcycling significa la bioconversión de desechos plásticos mezclados y sin clasificar, en biomateriales sostenibles y de valor agregado utilizando mezclas de enzimas diseñadas para la despolimerización y/o cultivos microbianos mixtos para el reciclaje de monómeros plásticos en productos de biomateriales valiosos.

Los microorganismos existen en la Tierra desde hace miles de millones de años, han desarrollado vías metabólicas muy diversas a lo largo de su evolución. Estos aliados naturales son organismos que podemos encontrar precisamente en los sitios contaminados, basta ser observadores y curiosos para indentificarlos. El común denominador de estos organismos es una gran versatilidad metabólica y/o adaptativa, por lo que podríamos encontrarlos aún en otros nichos. Dentro de los grupos más representativos se pueden mencionar: bacterias, hongos, microalgas y algunos insectos. A continuación, hablaremos brevemente de cada uno de ellos. 

Figura 6. Ejemplos de algunos aliados naturales para la degradación de plásticos. 1) Ideonella sakaiensis 201-F6 , 2) Pestalotiopsis microspora, 3-4) Anabaena sp y Chlorella sp., (tomado de Govindan et al., 2021), 5) larvas del escarabajo oscuro (Canva); 6) Tribolium castaneum o gorgojo castaño de la harina (Canva). 

4.1.1 Bacterias

La capacidad de la bacteria Ideonella sakaiensis 201-F6 (Fig. 6-1) para digerir plástico de un solo uso, como el de las botellas de refrescos (PET), se conoce desde 2016. La familia de los polietilenos consiste en polímeros de carbono e hidrógeno muy resistentes a la descomposición biológica, tanto así que se calcula que en 100 años se degrada menos del 0,5% del material. Sin embargo, en 2016 un equipo de científicos japoneses encontró una enzima fundamental en el proceso de degradación del polietileno tereftalato: la PETasa de I. sakaiensis, que es una enzima que divide las moléculas del plástico para usarlo como alimento (Yoshida et al., 2016). Siguiendo el estudio de esta enzima, científicos de diferentes países (Reino Unido, Estados Unidos, Brasil, China, etc.) han estudiado su estructura para entender y replicar su mecanismo de catálisis. Investigadores de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) y del Departamento de Energía de Estados Unidos, optimizaron la descomposición del plástico (10% más rápido) mediante una mutación en la PETasa, declarando que el siguiente paso en su investigación es transferir la enzima mutante a bacterias capaces de sobrevivir a temperaturas de hasta 70 °C. A esta temperatura, el PET es viscoso y se disuelve más rápido (Gascueña, 2020). El hecho de que la PETasa puede digerir el PET es muy relevante en términos medioambientales, ya que este tipo de plástico es una de las principales fuentes de contaminación. Como se muestra en la Tabla 3, hay una serie de bacterias en las que se han estudiado su capacidad de degradar varios tipos de plásticos, ya sea como especies únicas o en consorcios. En algunos casos los consorcios han resultado ser muy eficientes, y más, usando como sustrato, materiales no clasificados por tipo (Valavandis, 2023).

Tabla 3. Mecanismos enzimáticos de bacterias que participan en la biodegradación del plástico (elaborado a partir de Valavanidis, 2023).

4.1.2 Hongos

La biodegradación de los plásticos sintéticos, es un proceso muy lento que involucra tanto factores medioambientales como la acción de especies microbianas silvestres. Considerando a los hongos, estos juegan un papel fundamental en la biodegradación y actúan sobre los plásticos al secretar enzimas degradantes (cutinasa, lipasa, proteasas y enzimas lignocelulolíticas); la presencia de algunos iones prooxidantes puede provocar una degradación más eficiente (Tabla 4). La oxidación o hidrólisis por enzimas, crea grupos funcionales que mejoran la hidrofilia (afinidad al agua) de los polímeros, por lo que es posible degradar polímeros de alto o bajo peso molecular, lo que provoca la degradación del plástico en pocos días. Algunas especies bien conocidas que muestran una degradación efectiva en los plásticos son varias especies de Aspergillus (A. nidulans, A. flavus, A. glaucus, A. oryzae, A. nomius, A tubingensis), Penicillium griseofulvum, Bjerkandera adusta, Phanerochaete chrysosporium, Cladosporium cladosporioides, etc., y algunos hongos comestibles del genero Pleurotus (Pl. abalones, Pl. ostreatus, Pl. eryngii), Agaricus bisporus y Pestalotiopsis microspora (Fig. 6-2), que también ayudan a la degradación de los plásticos al crecer sobre ellos. En algunos estudios se menciona que la degradación de los plásticos es más efectiva se utilizan foto-degradación y termo-oxidación combinados con el tratamiento microbiano (Srikanth, 2022; Valavandis, 2023).

Tabla 4. Mecanismos enzimáticos de hongos que participan en la biodegradación del plástico (elaborado a partir de Srikanth et al., 2022).

4.1.3 Microalgas

Como lo hemos visto, los dos posibles enfoques para reducir los residuos plásticos son: 1) desarrollar plásticos biodegradables a partir de combustibles fósiles y/o componentes básicos de recursos renovables (hidro-biodegradables) o 2) reingeniería de polímeros básicos de carbono (oxo-biodegradables) e identificar microalgas potenciales y/o sus toxinas para desarrollar un protocolo para biodegradar eficazmente los materiales poliméricos. Científicos de India, Malasia e Indonesia, realizaron un estudio para evaluar la diversidad de algas en áreas contaminadas con plástico. A partir de estos estudios se identificaron a Chlorococcum macrostigmatum, Anabaena torulosa (Gascueña, 2020), Cyanobacteria sp., Chlorella sp. (Govindan et al., 2021; Figs. 6-3 y 6-4) como candidatas útiles en la degradación de LDPE y LDPE (pre-tratados con luz UV) a través de su colonización y biodegradación, generando CO2, H2, O2 y nueva biomasa celular.

4.1.4 Insectos

La larva del escarabajo Tenebrio molitor puede alimentarse de espuma de PS (plástico usado como aislante) sobreviviendo al ingerirlo en su dieta normal (salvado). La capacidad de digerir plástico, no solo se ha observado en esta especie, sino en otras como las larvas del escarabajo oscuro (Zophobas atratus; Fig. 6-5), el gorgojo castaño de la harina (Tribolium castaneum; Fig. 6-6), las del escarabajo de la harina (Tenebrio molitor) o en el gusano de cera (Achroia grisella) (Tabla 3). La actividad de degradar plástico y nutrirse de él, en todos los casos anteriores se debe a una relación simbiótica entre estos insectos y bacterias que habitan su tracto digestivo (Yang et al., 2015; Gascueña, 2020; Valavandis, 2023).

5. Retos actuales para la eficiente implementación de las estrategias biotecnológicas

Como lo hemos descubierto a través de esta lectura, la conveniencia y el bajo costo de los plásticos nos han llevado a una cultura de descarte que revela la realidad de las tendencias ambientales en la sociedad humana moderna: en la última década, los plásticos de un solo uso representan el 40% del plástico producido, con una vida útil de unos minutos u horas, pero que pueden persistir en el medio ambiente durante cientos de años (Valavanidis, 2023). Es por ello por lo que la conciencia y la cultura del reciclaje es un tema tan importante que lo debemos considerar e implementar como uno mas de nuestros hábitos de vida.

Como hemos visto, de los tres tipos de reciclaje (mecánico, avanzado y bioreciclaje) el reciclaje mecánico de plásticos es el método más extendido y adecuado para materiales termoplásticos. Sin embrago, y aunque existen importantes e innovadores avances y alternativas biotecnológicas para la degradación biológica, no se han considerado seriamente las ventajas que representan:

1) Pueden aplicarse a residuos plásticos contaminados o no limpios (con alimentos o suelo); 2) No requieren separación previa de las diferentes fracciones o tipos; 3) La selectividad de las enzimas permitirían la eliminación gradual de componentes específicos de los residuos plásticos mixtos, facilitando su procesamiento posterior; 4) Pueden ir más allá de los límites del reciclaje mecánico y químico, ya que las enzimas naturales y modificadas para la despolimerización de plásticos se han estudiado ampliamente. 

Por ello el principal reto para el manejo e implementación de soluciones biotecnológicas para el manejo de los residuos plásticos es implementar un sistema de economía circular que es un modelo de sistema cerrado que promueve la reutilización de productos plásticos, genera valor a partir de los residuos y evita el envío de plásticos recuperables a los vertederos. Los residuos plásticos deben considerarse como un recurso valioso que puede utilizarse para producir nuevas materias primas plásticas y fabricar los mismos u otros productos y piezas de plástico, o bien para generar energía cuando el reciclaje no es viable. Actualmente, el sector de los plásticos está buscando alternativas para sustituir los recursos fósiles por fuentes renovables y dióxido de carbono (CO2). El nuevo enfoque a lo largo de toda la cadena de valor (desde el diseño de producto hasta el reciclaje) se centra en aumentar el índice de residuos convertidos en reciclados, maximizar la eficiencia de recursos y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Para poder desarrollar plenamente el potencial de los plásticos en una economía circular, se requiere una combinación de medidas legislativas, inversiones en tecnologías innovadoras e iniciativas sectoriales, así como aumentar y mejorar el reciclaje e impulsar la calidad y reincorporación de los reciclados; definitivamente, la mejora de la calidad de los reciclados disparará su demanda en el mercado y ampliará el abanico de aplicaciones basadas en alternativas a las materias vírgenes (PasticsEuropa, 2019a).

6. Conclusiones

La contaminación por plástico, en sus diversas formas, es un problema que ha alcanzado las más recónditas ubicaciones en el planeta Tierra: están presentes en tierra, mar y aire. En algunos estudios se han encontrado que, incluso, llueve plástico (en forma de microplásticos aéreos). Sin embargo, el aire no es la única vía de entrada al cuerpo humano, ya que se ha demostrado que ingerimos en promedio hasta 50,000 partículas de plástico al año. La humanidad produjo la invasión por plásticos en los últimos 70 años, lo que nos exige, como sociedad, tomar conciencia del problema y realizar acciones conjuntas y coordinadas en materia de legislación, educación para el reciclaje y limitaciones en el consumo. Hay que poner especial énfasis en la reutilización, clasificación reciclaje y disminución del consumo, particularmente polietileno o PE y el polipropileno o PP, que tardan hasta 150 y 1,000 años (respectivamente) en degradarse.

El problema ambiental es una realidad, y aunque fuésemos capaces de frenarlo, tendremos que echar mano de la biotecnología para mitigar sus efectos al máximo. Además de desarrollar alternativas de reúso y producción de plásticos biodegradables, como hemos visto, la comunidad científica va un paso más allá y busca aliados naturales para facilitar su degradación usando las herramientas de la misma naturaleza (microorganismos, por ejemplo). Ahora, independientemente del tipo de materia prima, muchos tipos de plástico son biodegradables. Esto significa que, siempre que se recojan adecuadamente y se traten junto con los residuos orgánicos, pueden biodegradarse y convertirse en abono. Sea cual sea su origen, al final de su vida útil los materiales plásticos son recursos importantes que podemos aprovechar bien en forma de nuevos materiales o como fuente de energía alternativa una vez utilizados en instalaciones de valorización energética.

7. Referencias

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