N.74 – Plásticos y microplásticos en el medio ambiente

Los plásticos son polímeros orgánicos económicos y ampliamente utilizados, pero de difícil biodegradación. En anteriores números del Newsletter DPT se presentaron noticias referidas a la contaminación producida por los miles de millones de toneladas de desechos plásticos y microplásticos que se acumulan tanto en entornos terrestres como marinos y fluviales.(*)

Los microplásticos representan una amenaza importante para la vida silvestre y para toda la cadena alimentaria, ya que se ingieren fácilmente y pueden transportar sustancias tóxicas, contaminantes o patógenos peligrosos.

La presente reseña comprende siete (7) artículos referidos a la problemática de los microplásticos y a opciones para abordarla. En el primero (1) se destaca que las tierras agrícolas europeas podrían ser el mayor reservorio global de microplásticos y se sugieren mejoras regulatorias y tecnológicas para afrontar los efectos perjudiciales. En el segundo (2) se señala que ciertos patógenos fecales terrestres adhieren a microplásticos para su supervivencia, traslado y propagación marina, y se enuncian los posibles riesgos de contaminación alimentaria. El tercero (3) focaliza en las capacidades de las lombrices terrestres para degradar microplásticos. En el cuarto (4) se enuncian diversas aplicaciones del micelio como sustituto del plástico. En el quinto (5) se presenta una variante enzimática creada por ingeniería que descompone -en horas- plásticos contaminantes que normalmente demoran siglos en degradarse. En el sexto (6) se informa acerca de una enzima (PHL7) que descompone al PET en tiempo récord. El séptimo (7) trata sobre el uso de “supergusanos” para verificar, expresar y caracterizar funcionalmente enzimas eficientes en la degradación de poliestireno.

1.- Primer artículo: Las tierras agrícolas europeas podrían ser el mayor reservorio global de microplásticos (1.1.) (1.2.)

Todos los países europeos utilizan lodos resultantes de la depuración de aguas residuales como fuente de fertilizantes agrícolas. Ello responde, en parte, a directivas de la Unión Europea (UE). En el estudio aquí reseñado –de investigadores de la Universidades de Cardiff y de Manchester, ambas en el Reino Unido- se estima que las tierras de cultivo en toda Europa son el mayor reservorio mundial de microplásticos, debido a las altas concentraciones de éstos en los fertilizantes derivados de lodos provenientes de depuradora.

Se cuestiona si los microplásticos se están eliminando realmente en las plantas de tratamiento de aguas residuales o si se continúan desplazando a través del medio ambiente. Se sugiere que eventuales deficiencias de las compañías depuradoras para gestionar los microplásticos en los lodos de aguas residuales, podría implicar que éstos -esparcidos en tierras de cultivo- sean transportados de regreso al curso de agua natural por medio de las corrientes superficiales o la infiltración a las aguas subterráneas.

El equipo tomó muestras de la planta de tratamiento de aguas residuales de Nash en Newport, Gales del Sur, que sirve a una población de 300.000 habitantes. Su análisis reveló que cada gramo de lodo de depuradora contenía hasta 24 partículas microplásticas, que representaban aproximadamente el 1% de su peso. Luego, estos datos se utilizaron para evaluar el impacto en toda Europa utilizando cifras de la Comisión Europea y Eurostat sobre el uso y la aplicación de lodos de depuradora como fertilizante en todo el continente. Se demostró que el Reino Unido tiene potencialmente la mayor cantidad de contaminación por microplásticos en sus suelos, seguido de España, Portugal y Alemania.

Dado que, en la actualidad, no existe una legislación europea que limite o controle los microplásticos en los lodos de aguas residuales reciclados, el estudio concluye señalando la prioridad de aumentar el monitoreo estandarizado de concentraciones de microplásticos en los lodos de aguas residuales y en suelos agrícolas.

2.- Segundo artículo: Patógenos fecales terrestres adhieren a microplásticos para supervivencia, traslado y propagación marina (2.1.) (2.2.)

Sin perjuicio de los crecientes estudios sobre la problemática de los microplásticos, hasta la fecha no se había indagado acerca de éstos como medios de supervivencia, traslado y propagación marina de patógenos de origen terrestre, incluidos los parásitos protozoarios zoonóticos.

El objetivo del estudio aquí reseñado –del Department of Pathology, Microbiology, and Immunology, School of Veterinary Medicine, University of California, Davis, CA, USA- fue investigar la asociación de protozoos zoonóticos con superficies microplásticas. Para ello se combinaron experimentalmente 3 patógenos transmitidos por heces (Toxoplasma gondii, Cryptosporidium parvum y Giardia enterica) con dos tipos de microplásticos (microesferas de polietileno y microfibras de poliéster) en agua de mar, para determinar si esos patógenos podrían adherirse y vivir en las partículas. Se señala que la selección de esos 3 patógenos respondió a que en 2010 fueron reconocidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS) como causas subestimadas de enfermedades en humanos por consumo de mariscos. Esos protozoos son persistentes en agua de mar y se han informado como contaminantes predominantes de mariscos comerciales en todo el planeta. Asimismo pueden causar enfermedades en la vida silvestre acuática y, en particular, las infecciones por T. gondii son sumamente frecuentes en las poblaciones de mamíferos marinos.

Los resultados del estudio muestran que los referidos patógenos pueden asociarse con microplásticos en agua de mar contaminada, con más parásitos adhiriéndose a las superficies de microfibra en comparación con las microesferas. Se revela así una vía novedosa por la cual los contaminantes antropogénicos pueden estar mediando la transmisión de patógenos en el ambiente marino, con ramificaciones importantes para la vida silvestre y la salud humana.

3.- Tercer artículo: Lombrices terrestres como degradadoras de desechos plásticos (3.1.) (3.2.)

Las lombrices de tierra (Eisenia fetida) exhiben una notable capacidad de degradación de materia orgánica y de reciclado de nutrientes en el suelo, produciendo un compost natural resultante del proceso digestivo de estos anélidos. Estudios anteriores ya habían mostrado que las lombrices también pueden degradar el plástico.

En el artículo aquí reseñado, un equipo de investigadores (del Moe Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria/Tianjin Key Laboratory of Environmental Remediation and Pollution Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin, China) muestra la capacidad de las lombrices para digerir plásticos sintéticos y biodegradables, e intenta determinar sus preferencias.

En su cotidianeidad subterránea, las lombrices excavan el suelo y consumen lo que encuentran a su paso, incluyendo microplásticos. Hasta ahora se desconocía el comportamiento alimentario de las lombrices en relación a distintos tipos de plástico y las consecuencias de estos compuestos en sus organismos. Al estudiarlo, los investigadores observaron que las lombrices eran atraídas (quizás olfativamente) por suelos que contenían principalmente partículas de dos tipos de plásticos: (a) ácido poliláctico (PLA), un tipo de plástico biodegradable, y (b) tereftalato de polietileno (PET), un tipo de plástico sintético derivado del petróleo.

Las lombrices no son la única especie animal conocida con capacidad de consumir plástico. También se determinó que la larva de la polilla de la cera (Galleria mellonella) es excelente consumidora de polietileno. También hay bacterias, hongos, algas y plantas que han mostrado capacidad de metabolizar y degradar plásticos y otros tipos de contaminantes. Estos estudios se encuadran en la biorremediación, una rama de la biotecnología que utiliza organismos vivos, e incluso enzimas derivadas de algunos de ellos, para liberar al medio ambiente de contaminantes de alto impacto (hidrocarburos, organoclorados, metales pesados, entre otros).

4.- Cuarto artículo: El potencial del micelio como sustituto de los plásticos (4.1.) (4.2.) (4.3.)

Los hongos conforman un entramado de energía vital para la Tierra. Si los hongos se extinguieran, también se extinguirían las distintas formas de vida del planeta. Biólogos y ambientalistas comparten una creciente preocupación por preservar la acción de más de 1,5 millones de especies de hongos que impulsan la vida bajo y sobre la tierra. El micelio, la base fúngica, es una fina red de filamentos tubulares que absorbe nutrientes de árboles y otras plantas a través de la secreción de enzimas digestivas y puede organizar las moléculas que produce en estructuras sumamente complejas que permiten que grandes redes de árboles y otras plantas intercambien nutrientes, así como información sobre parásitos y otros depredadores. Como la base bioquímica del micelio es la quitina, los materiales basados en micelio son inherentemente compatibles con la naturaleza, por lo que pueden regresar pasivamente al suelo al final de su ciclo de vida útil.

Hoy se sabe que el micelio podría sustituir a todos los poliuretanos que se utilizan en la industria automotriz y de la confección, así como utilizarse como material de construcción industrial. El micelio puede cultivarse en campo, con recursos locales, su procesamiento puede descentralizarse y, si se mantiene su bioactividad, hasta podría autorrepararse proactiva y automáticamente. Concluye señalando que cuanto más exploremos el biomimetismo y usemos la naturaleza como base para tratar mejor a la naturaleza, más sostenible será el mundo que podremos crear.

5.- Quinto artículo: Una variante enzimática creada por ingeniería descompone -en horas- plásticos contaminantes que normalmente tardan siglos en degradarse (5.1.) (5.2.) (5.3.)

La degradación enzimática ofrece una ruta, potencialmente verde y escalable, para el reciclaje del politereftalato de etileno (PET). Dicha degradación permitiría lograr una economía circular del carbono para el PET a través de una rápida despolimerización enzimática seguida de repolimerización o conversión/valorización en otros productos.

Si bien la investigación sobre enzimas para el reciclaje de plástico avanzó notablemente durante los últimos 15 años, hasta ahora no se había descubierto cómo desarrollar enzimas que pudieran operar de manera eficiente a bajas temperaturas para que fueran portátiles y asequibles a escala industrial.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y de la Facultad de Ciencias Naturales de Cockrell utilizaron un modelo de aprendizaje automático para generar mutaciones novedosas en una enzima natural llamada PETasa, que permite que las bacterias degraden los plásticos PET. El modelo predice qué mutaciones en estas enzimas lograrían el objetivo de despolimerizar rápidamente el plástico residual a bajas temperaturas. El proyecto se centró en el tereftalato de polietileno (PET), un polímero que se encuentra en la mayoría de los envases de consumo y representa el 12% de los residuos globales. La enzima pudo completar un “proceso circular” de descomponer el plástico en partes más pequeñas (despolimerización) y luego volver a unirlo químicamente (repolimerización). Una variante de enzima creada por investigadores de la Universidad de Texas en Austin puede potenciar el reciclaje a gran escala, descomponiendo -en horas o días- residuos plásticos que normalmente tardarían siglos en degradarse. Ello permitiría a las principales industrias reducir su impacto ambiental mediante la recuperación y reutilización de plásticos a nivel molecular.

Se utilizó un algoritmo de aprendizaje automático para diseñar una hidrolasa de PET robusta y activa. La combinación diseñada (FAST-PETasa: PETasa funcional, activa, estable y tolerante) contiene cinco mutaciones en comparación con la PETasa natural. Se verificó que FAST-PETase puede degradar (despolimerizar) casi por completo, en 1 semana, envases de consumo sin tratar de 51 productos termoformados diferentes, 5 fibras y telas de poliéster diferentes y botellas PET. Finalmente, se demostró un proceso de reciclaje de PET de circuito cerrado mediante el uso de FAST-PETase y la resintetización de PET a partir de los monómeros recuperados.

“Este trabajo muestra realmente el poder de unir diferentes disciplinas, desde la biología sintética hasta la ingeniería química y la inteligencia artificial”, dijo Andrew Ellington, profesor en el Centro de Sistemas y Biología Sintética, cuyo equipo dirigió el desarrollo del modelo de aprendizaje automático.

Concluye señalando que los resultados demuestran una ruta viable para el reciclaje enzimático de plástico a escala industrial, y que los investigadores trabajan ahora án para aumentar la producción de enzimas para aplicaciones industriales y ambientales (limpieza de vertederos, remediación ambiental. ecologización de industrias).

6.- Sexto artículo: Una enzima (PHL7) descompone al PET en un tiempo récord (6.1.) (6.2.)

Se sabe que las enzimas llamadas hidrolasas, que rompen el poliéster, también pueden degradar el tereftalato de polietileno (PET). Por ejemplo, la enzima LCC, descubierta en Japón en 2012, se considera una “devoradora de plástico” particularmente eficaz. En el marco de los proyectos MIPLACE y ENZYCLE financiados por la UE, el equipo dirigido por el Dr. Christian Sonnendecker, investigador de la Universidad de Leipzig, busca ejemplos aún no descubiertos de estos ayudantes biológicos. En una muestra de compost proveniente del cementerio Südfriedhof, de Leipzig, los investigadores hallaron una enzima (llamada PHL7) que descompone el PET a una velocidad récord en el laboratorio.

En los experimentos, los investigadores añadieron PET a contenedores con soluciones acuosas que contenía PHL7 o LCC (el anterior “líder” en descomposición de PET). A continuación, midieron la cantidad de plástico que se degradaba en periodos de tiempo determinados y compararon los respectivos valores. El resultado: en 16 horas, PHL7 hizo que el PET se descompusiera en un 90%, mientras que el LCC sólo lo degradó en un 45%. “Por tanto, nuestra enzima sería dos veces más activa que el estándar de oro entre las hidrolasas que rompen el poliéster”, explica Sonnendecker.

El reciclaje biológico del PET presenta varias ventajas en comparación con los métodos de reciclaje convencionales, que se basan principalmente en procesos térmicos en los que los residuos de plástico se funden a altas temperaturas. Mientras que los procesos térmicos consumen mucha energía y la calidad del plástico disminuye con cada ciclo de reciclaje, las enzimas sólo necesitan un entorno acuoso y una temperatura de entre 65° y 70°C para funcionar. Otra ventaja es que descomponen el PET en sus componentes -ácido tereftálico y etilenglicol- que pueden reutilizarse para producir nuevo PET, lo que da lugar a un ciclo cerrado.

Los investigadores de Leipzig esperan que la enzima PHL7 pueda hacer avanzar la práctica del reciclaje biológico y están buscando socios industriales para ello. Procuran ahora desarrollar un prototipo que permita cuantificar con mayor precisión los beneficios económicos del proceso de reciclaje biológico rápido.

7.- Séptimo artículo: Uso de “supergusanos” para verificar, expresar y caracterizar funcionalmente enzimas eficientes en la degradación de poliestireno (7.1.) (7.2.)

Las larvas del escarabajo oscuro Zophobas morio son conocidas como “supergusanos”, los cuales transitan ese estado durante más de 5 meses antes de convertirse en pupas para finalmente emerger como escarabajos. Se planteó la hipótesis de que los “supergusanos” podrían degradar mucho más poliestireno que las larvas de insectos de menor tamaño, como los gusanos de cera y los de la harina.

Investigadores de la Facultad de Química y Biociencias Moleculares de la Universidad de Queensland (UQ) alimentaron a grupos de “supergusanos” con diferentes dietas durante tres semanas: (a) poliestireno, (b) salvado, y (c) ayuno. El grupo al que solo se proporcionó poliestireno comenzó a alimentarse después de 24 horas, probablemente porque no disponía de otra opción alimentaria. Estos “supergusanos” no solo sobrevivieron, sino que incluso tuvieron aumentos marginales de peso; lo cual sugiere que obtienen energía del poliestireno, muy probablemente con la ayuda de sus microbios intestinales.

Aunque ha habido otros estudios sobre “supergusanos”, el aquí reseñado es el primero en emplear una técnica de metagenómica para indagar la estructura y función de secuencias enteras de nucleótidos aisladas y analizadas de todos los organismos en una muestra a granel. La técnica permitió a los investigadores recuperar todas las enzimas codificadas por los microbios en el intestino del “supergusano”. Los resultados del estudio proporcionan los primeros conocimientos metagenómicos sobre las vías metabólicas utilizadas por el microbioma intestinal de los “supergusanos” para degradar el poliestireno.

El actual objetivo es cultivar bacterias intestinales en el laboratorio y probar más a fondo la capacidad de las enzimas para degradar el poliestireno. En los próximos años se prevé verificar, expresar y caracterizar funcionalmente las enzimas con mayor detalle para encontrar las más eficientes que puedan mejorarse aún más con la ingeniería enzimática. En última instancia, se prescindirá de los “supergusanos” y se procederá a la degradación microbiana de micropástico en biorreactores, con posterior producción microbiana de compuestos de mayor valor como el bioplástico. Se prevé que este enfoque de reciclaje de plástico lo hará más económicamente factible.