“Bacterias que comen plástico” una vista panorámica en el proceso de la Biorremediación

Por: Hilary Karina Vega Carty
Marzo 5, 2021

Carmen Carreño Farfán

La botella de plástico que arrojamos a la basura el día de hoy perdurará por lo menos unos 100 años en el mar o zonas naturales antes de poder degradarse. Esta es una de las principales razones por las que el creciente problema de la contaminación provocada por los plásticos, está teniendo una repercusión mortal sobre distintas especies, es por ello, que  la REVISTA SCIENTIA con la finalidad de informar a la población sobre las nuevas perspectivas de biodegradación como métodos de biorremediación ambiental se place en presentar: «BACTERIAS QUE COMEN PLÁSTICO», una vista panorámica de los biodegradables a cargo de la doctora en ciencias biológicas por la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Carmen Carreño Farfán, investigadora en ciencia y tecnología del SINACYT y docente principal en la misma universidad.

Ella, incentivada por su afán de divulgar ciencia, aceptó concedernos un periodo breve de su tiempo y proporcionar sus conocimientos para difundir y promocionar el desarrollo de nuevas técnicas en el proceso de la biorremediación.

Carmen Carreño
Fuente: https://www.researchgate.net/profile/Carmen-Carreno-Farfan

Muy buenas tardes Dra. Carmen, espero haya tenido un excelente día. Para iniciar esta entrevista le comento que no toda la población está acostumbrada a la terminología aquí empleada. Entonces ¿Qué son los biodegradables? ¿Los plásticos son considerados materiales biodegradables? Si no es así explíquenos el porqué.

Bien, hoy hablaremos de los llamados petroplásticos.

Empecemos contestando la pregunta ¿Qué son los biodegradables? Los biodegradables son materiales que tienen la propiedad de biodegradarse. Biodegradarse es la propiedad que tienen algunos materiales complejos de ser transformados a materiales mucho más sencillos mediante procesos biológicos. Ahora, si lo vemos desde el punto de vista de la contaminación, la biodegradabilidad es la propiedad que tienen algunos materiales complejos tóxicos de ser transformados a productos sencillos cuya toxicidad ha sido disminuida o se ha eliminado por completo mediante diversos procesos biológicos. Entonces, existe cierta asociación entre la complejidad de dichos elementos con su toxicidad. Veamos un ejemplo, el dióxido de carbono es un compuesto orgánico que será mineralizado a un compuesto inorgánico, pero este no es el único proceso de biodegradación que existe actualmente, ya que debido a los altos índices de contaminación la comunidad científica acepta otras definiciones intermedias.

El mineralizado, como ya lo hemos explicado , es cuando un compuesto orgánico se degrada por completo en un compuesto inorgánico. De igual manera, la biodegradación primaria, es un proceso observado en el caso de los plaguicidas tóxicos, estos tienen un compuesto halógeno similar al cloro, que es cambiado de un lugar a otro por algunos organismos con el fin de disminuir la toxicidad. En el caso de los residuos lignocelulósicos; residuos producidos por las hojas de los jardines, las ramas de los árboles u otros polímeros contaminantes, son reducidos a moléculas más pequeñas, pero siempre se mantiene el monómero estructural que es la glucosa, a este proceso se le llama biodegradación parcial. Por lo tanto, tenemos 3 tiempos de biodegradación, la total o mineralización, la primaria y la parcial, todas diferentes, pero con la misma finalidad u objetivo en común, el reducir lo más posible la toxicidad del compuesto o material.

Ahora ¿Los plásticos son materiales biodegradables?

Los plásticos se han convertido en un gran problema a nivel mundial, tanto para el hombre como para cada hábitat natural por no poseer la propiedad de biodegradación. Estos al igual que muchos otros productos de uso cotidiano, son xenobióticos, esto quiere decir, que son fabricados por el hombre y no por la naturaleza. Este acto tiene relevancia en el hecho que usualmente no existe microorganismos que pueden ser capaz de transformar el plástico de manera natural y debemos esperar que estos se vayan adaptando, y es lo que hemos estado haciendo. Como resultado los plásticos son de muy bajo costo, persistentes y no se degradan, y al no ser degradados se acumulan, contaminan el suelo y forman una problemática global.

¿Cuáles son los beneficios de emplear bacterias en la degradación de plásticos? ¿Cuáles son las más utilizadas?

Bien, ya hemos hablado de la problemática, de su origen y ahora toca hablar sobre la tecnología de remediación, aquella biotecnología utilizada para contrarrestar poco a poco los efectos del problema principal. Para esto, se utiliza fundamentalmente entes biológicos. Entes como hongos, bacterias, nemátodos e inclusive plantas, que trabajan individual y/o en conjunto para limpiar poco a poco cada hábitat natural; a esto se le denomina biorremediación.

La tecnología de biorremediación es muy utilizada en distintas ocasiones en la actualidad, por ejemplo, en los suelos contaminados con hidrocarburos totales de petróleo, que al ser sometidos a esta práctica dan como resultado fuente de carbono y energía y el suelo queda libre de contaminación. Se pueden utilizar, en el caso de los plásticos, distintos microorganismos, sobre todo bacterias y hongos. Entre las bacterias más utilizadas tenemos algunas especies de pseudomonas, una bacteria que en los hospitales causa problemas con los las personas que sufren quemaduras; el género bacillus, que son bacterias que tienen la capacidad de sobrevivir formando unas estructuras de resistencia; acinetobacter, bacteria intrahospitalaria que es capaz de sobrevivir a distintas superficies; entre otras. Cada especie ha sido estudiada y ha demostrado su capacidad para degradar los plásticos derivados del petróleo, pero no son las únicas, como ya lo habíamos dicho, algunos hongos filamentosos como aspergillus y penicillium también poseen dicha propiedad.

¿Qué tan factible es el uso de bacterias remediadoras en la degradación del plástico?¿Cuáles son las condiciones que se deben de prever?

Como ya lo había mencionado, la biorremediación es una tecnología que se utiliza actualmente en múltiples casos, uno de ellos es limpiar aguas contaminadas con cianuro procedente de la extracción de minas de oro. Es una tecnología que no contamina. Y ¿Por qué no contamina? ¿Qué es lo que se utiliza? No contamina porque trabaja fundamentalmente con seres propios de la naturaleza que de una u otra forma han sido adaptados. Estos microorganismos provenientes del suelo son aislados, estudiados en condiciones de laboratorio, seleccionados y luego incrementados en grandes cantidades para ser reintroducidos a los ambientes de donde se sacaron. Entonces, al ser los mismos microorganismos que retornan a su hábitat natural, no existe contaminación, lo cual es su principal beneficio.

Entre las principales condiciones a prever está el número de microorganismos que disponemos para trabajar. Es así como, si usted va a un lugar contaminado por petroplásticos lo primero que debe determinar es si existen microorganismos con la capacidad para degradar los mismos. Deben de existir. Pero si existen y el número de microorganismos es muy bajo lo que se hace es sacarlos, caracterizarlos, seleccionarlos, propagarlos; es decir, incrementarlos y nuevamente reintroducirlos, a este proceso se le denomina bioaumentación. Caso contrario, si ve que por alguna razón hay bastantes microorganismos poseedores de esta capacidad, no hay necesidad de llevar a cabo este procedimiento, y se da paso a la bioestimulación, proceso en el cual se debe agregar nutrientes para el correcto funcionamiento de los microorganismos, ya que no solo necesitan fuentes de carbono sino también de nitrógeno, fósforo, potasio, oxígeno, humedad entre otras condiciones.

En conclusión, ¿Qué condiciones debo prever? El número de microorganismos y la cantidad de nutrientes que existen. Con base a esto, veré qué procedimiento debo seguir, la bioaumentación, es decir, reintroducir una mayor cantidad de microorganismos al medio o la bioestimulación, en donde aportaré nutrientes necesarios para que los mismos puedan trabajar.

¿Cuál es el procedimiento a realizar dentro del laboratorio para la degradación de plástico a partir de las diversas bacterias?

¿Qué es lo que hacemos? Los microorganismos degradadores se encuentran donde están los contaminantes. Si busco un microorganismo degradador de hidrocarburos de petróleo, entonces iré a un suelo que esté contaminado con petróleo. Si busco degradadores de plástico, me iré a un lugar donde están los plásticos. ¿Y de dónde consigo las muestras? De los botaderos o rellenos sanitarios, allí están los plásticos, el sustrato, y, por ende, los microorganismos que degradan plástico. En tal caso, debo obtener una muestra y trasladarla al laboratorio; pero,¿cuál sería el problema? El no obtener microorganismos aislados. En esta muestra encontraré hongos y bacterias de todos los géneros formando una comunidad y así no los puedo estudiar. Necesito separarlos. Por lo cual los coloco en un medio de cultivo, que es tipo una gelatina, para su correcto aislamiento. De esta manera iré colocando pequeñas cantidades de muestra en tubos con un caldo o medio líquido que contengan un pedazo de plástico, allí crecerán los microorganismos que puedan utilizar ese plástico como fuente de carbono en un tiempo aproximado de 30 a 120 días.

Ahora, qué métodos me permiten detectar y cuantificar la degradación del plástico, es decir, ¿realmente el microorganismo lo está degradando? Hay dos tipos de métodos: Métodos que me permiten la detección y métodos que me permiten la cuantificación.

Detección: Voy a observar los cambios físicos del plástico. Veo si hay grietas, fisuras, agujeros, cambios de color, etc. Esto se realiza mediante la observación bajo el microscopio. Pero no se usa un microscopio simple sino un microscopio de rastreo o barrido, un poco más complejo. ¿Qué más puedo observar? Si hay biopelícula, si los microorganismos están creciendo sobre el plástico, se hace una calificación cualitativa en general.

Posteriormente nos preguntamos ¿Qué tanto se ha degradado? Normalmente con una balanza analítica se determina el porcentaje de peso perdido de plástico en un tiempo estandarizado. De igual manera, con equipos sofisticados como la espectrometría infrarroja, puedo determinar cuáles son los compuestos estructurales que aparecen  y desaparecen como consecuencia de los cambios estructurales; con la cromatografía de gases puedo identificar los compuestos volátiles o semivolátiles que se producen como consecuencia de la degradación, entonces, la ventaja de estos métodos de cuantificación es que son mucho más específicos y me permiten cuantificar los componentes que se estén produciendo como consecuencia de la biodegradación, así estén en mínimas cantidades.

Esto también responde a la pregunta del por qué el trabajo de biodegradación recién ha tomado auge,y esto era porque para observar que el plástico estaba siendo biodegradado había que esperar por lo menos de uno, dos o hasta tres años. Ahora ya no, gracias a las técnicas modernas que son mucho más sensibles al detectar esos pequeñísimos cambios en periodos cortos de 30 a 120 días.

Resumiendo, empezamos este procedimiento obteniendo una muestra que puede ser un plástico del botadero, del suelo o de agua residual, la llevamos al laboratorio, separamos los microorganismos y seleccionamos los mejores mediante métodos de detección y de cuantificación para así proceder a los procesos de biorremediación.

¿Algunos informes demuestran que también existen hongos filamentos con esta misma capacidad? Coméntenos al respecto

Efectivamente, además de las bacterias existen hongos que también tienen la capacidad de degradar el plástico;los más comunes son los hongos filamentosos de los géneros aspergillus, fusarium y cladosporium. 

Las ventajas y desventajas de utilizar uno u otro microorganismo dependerá del tipo de metodología a utilizar. Los hongos pueden ser vistos a simple vista, sin embargo, es más ventajoso trabajar con bacterias que con hongos ¿Y por qué? Porque son más fáciles de manipular, de maniobrar; porque las bacterias son microorganismos menos sofisticados que los hongos, son más inferiores y al ser más inferiores se puede trabajar fácilmente con ellas. Es así como, las bacterias se reproducen más rápido que los hongos, son más resistentes a las condiciones adversas, sobreviven mucho más tiempo y por ello es mucho más beneficioso trabajar con ellas.

En la actualidad se habla de combinar bacterias y hongos en consorcios mixtos, es decir, implementar procedimientos que utilice ambos microorganismos de manera que, lo que no puedan hacer las bacterias lo hagan los hongos y viceversa.

¿Es posible evaluar la tasa de crecimiento de estos microorganismos con respecto a la cantidad de material sintético que son capaces de asimilar?

Hablemos entonces del rendimiento denominado X/S, donde X es la biomasa y S el sustrato. Así, el rendimiento se calcula por la cantidad de biomasa generada en función del sustrato consumido, por ejemplo, al generar 2 gramos de biomasa a partir del consumo de 4 gramos de plástico por un microorganismo. Por otro lado, si 2 microorganismos cumplen la misma función es muy importante medir la velocidad con la que realizan el proceso, porque de repente un microorganismo genera la biomasa en 15 minutos mientras que el segundo, genera la misma cantidad de biomasa con la misma cantidad de sustrato en 4 horas.

Entonces ¿Qué es lo más importante?

La velocidad con que el microorganismo utiliza el contaminante plástico para formar la biomasa en función al sustrato, a esto se le llama rendimiento.

«Si bien esta alternativa suena alentadora, es importante tener en cuenta que estos microorganismos no pueden considerarse como una solución al enorme problema plástico que enfrentamos como sociedad

¿Qué retos se vienen con el uso prolongado de esta técnica en nuestro país y el mundo?¿Cuál es el futuro que nos espera a partir de la «Degradación de plásticos a partir de bacterias»?

Trabajar las bacterias en el laboratorio, aislarlas, seleccionarlas y luego optimizar las condiciones en las que trabajan para alcanzar el mayor rendimiento posible, es el reto que actualmente todos los investigadores tratamos de suplir. 

Usualmente el hablar de condiciones óptimas u óptimo valor, hace referencia a ciertas condiciones necesarias para llevar a cabo este procedimiento, tales como, pH, porcentaje de humedad, concentración de nutrientes, concentración del inóculo, cantidad de bacterias u hongos, pretratamiento a los plásticos, entre otros. Esta última condición se lleva a cabo para acelerar el proceso de biodegradación, ya que, cuando el plástico es tratado con luz ultravioleta se degrada en aproximadamente 15 días, mientras que, cuando no es tratado el tiempo de degradación es mucho mayor. 

El reto de este procedimiento va a ser mayor en las aguas que en el suelo, porque como ustedes comprenderán es más fácil juntar todos los plásticos que existen en el suelo, que los encontrados en el agua, ya que en este medio puede sufrir ciertos cambios, como su fragmentación y conversión a microplásticos. Por lo general, el plástico es un reto en el cual todos debemos estar comprometidos a trabajar, ya que, es un material super dañino para  todas las especies en general. Un material que día tras día contaminan nuestros suelos y mares, un material perjudicial y sabemos que con el desarrollo de estas técnicas poco a poco podremos avanzar.

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