Albert Canal, Arnau Canelles, Alba Casals, Alexandre Casas i Jordi Català
Bioremediació de plàstics sintètics. Mecanismes microbiològics per degradar-los o reduir-ne els efectes contaminants. Alternatives biològiques a la utilització de xenobiòtics per a la fabricació de plàstics.
La paraula plàstic prové del grec “plastikos” , que significa que es pot modelar o transformar. Per tant, quan parlem de polímers sintètics, ens referim a materials obtinguts mitjançant processos de polimerització de les cadenes moleculars llargues, extrets majoritàriament dels compostos orgànics derivats del petroli [1].
Actualment, la producció de polímers sintètics ronda les 140 milions de tones anuals. Aquesta enorme producció, juntament amb el fet que els plàstics són extremadament difícils de degradar (tant de forma abiòtica com biològica). Alhora, una gran acumulació de plàstics, pot donar lloc a problemes econòmics, socials (sanitaris) i ambientals (afectació a la faunaà Documental Midway). Tots aquests factors comporten que els plàstics siguin una de les majors problemàtiques ambientals d’avui dia, es remarcable “l’illa de brossa” del Pacífic Nord.
Els processos de degradació són canvis físics o químics del polímer com a resultat de factors ambientals (llum, calor, humitat, productes químics) o de l’activitat biològica (biodegradació). Aquests processos de biodegradació, poden actuar tant en plàstics sintètics com en plàstics biodegradables o biològics [1].
Fig. 1: Illa de brossa del Pacífic Nord s'estima que té una superfície de 1.400.000 km2 [16]
Fig. 2: Albatros mort per la ingesta de plàstics [17]
Tràiler del Documental Midway (Chris Jordan):
Els plàstics sintètics
Els plàstics sintètics (Taula 1), són difícilment biodegradables o no es poden biodegradar. Requereixen en la seva estructura substàncies que faciliten la biodegradació o necessiten d’un pretractament fisicoquímic [1], [2] i [4].
Taula 1: Classificació i usos dels plàstics sintètics.
Els microorganismes encarregats de dur a terme la biodegradació són en general fongs i bacteris [4]. La dinàmica dels plàstics sintètics no sol seguir un patró general en la seva degradació. Depenent del plàstic i del microorganisme associat, varien els rendiments de degradació (Taula 2).
Taula 2: Classificació dels plàstics sintètics, processos de biodegradació i microorganismes associats.
A continuació s’exposen els processos de biodegració dos dels plàstics sintètics més comuns (PVC i Polietilè):
Processos de biodegradació de polietilè i PVC:
Biodegradació del polietilè: Aquest plàstic no es pot biodegradar de forma directe. Abans de l’actuació dels microorganismes, es donen un seguit de processos abiòtics (hidròlisi/oxidació i fotodegradació)que modifiquen les característiques del plàstic [1], [2] i [3].
1- Hidròlisi/oxidació: Requereix compostos de polietilè amb midó dins la seva estructura o compostos de polietilè fabricats amb pro-oxidants, ja que a més del pretractament, es requereixen d’altres additius per poder permetre els processos metabòlics dels bacteris. Els microorganismes capaços de degradar aquests compostos són: bacteris (gènere Streptomyces) i fongs generadors de biofilm (gèneres Aspergillum, Mucor i Penicillum) [1].
2- Fotodegradació: Cal tractar el compost amb llum UV i àcid nítric a temperatures elevades. El microorganisme iniciador de la biodegradació és un fong del gènere Penicillium. Permetent posteriorment la degradació definitiva pels fongs del gènere Fusarium [1].
Biodegradació del PVC: Aquest plàstic presenta propietats de gran resistència física, química i biològica. Els processos de biodegradació es donen sobretot en PVC de baix pes molecular, amb certes modificacions en la seva estructura (pPVC) o amb cert contingut en cel·lulosa [1], [4], [8], [11] i [15].
1- PVC de baix pes molecular: Es dona un pretractament amb tetrahidrofuran en condicions aeròbies, mesòfiles i acidòfiles. La biodegradació es realitza pels fongs White-Rot fungi. El principal fong és el Poliporus versicolor (també són destacables els gèneres Pleurotus i Phanerochaete). Aquests fongs en condicions limitants de carboni degraden el plàstic amb ligninases [8].
2- pPVC (Clorur de Polivinil plastificat): La biodegradació es realitza per dos fongs: Aureobasidium pullulans (colonitzador) i Aspergillus nidulans (degradador) en un cultiu amb base d’agar i làmines de pPVC (exposat a l’exterior amb clima tropical) [15].
PVC amb cel·lulosa: La biodegradació es realitza en un medi de cultiu amb: pPVC, estearat de calci-magnesi, estabilitzadors, compatibilitzadors i cel·lulosa (enterrat en una mostra de sòl boscós). Els fongs utilitzats són: Trichoderma koningi, Fusarium oxysporum, Penicillium sp. i Streptomyces sp [11].
Plàstics biològics
L’alternativa més propera als plàstics sintètics (petroli i derivats), són els plàstics biològics. Es tracta de materials fets a base de polímers obtinguts a partir de matèries primeres procedents de vegetals i microorganismes. Estructures simples que són fàcilment degradables a la natura pels propis microorganismes, en un període de temps curt. Cal matisar que no és el mateix un plàstic biogenerat que un plàstic biològic. Un plàstic biogenerat és aquell que s’ha produït mitjançant matèries orgàniques però no té perquè ser biodegradable en canvi els plàstics biològics sí es degraden al medi natural i per tant resulten una alternativa real als plàstics sintètics [20].
Trobem diferents tipus de plàstics biològics segons la procedència dels seus components en la Taula 3.
Taula 3: Classificació dels plàstics biològics [19]
Fig. 3: Exemple de bossa biodegradable [21]
Com a plàstics biogenerats, també mal anomenats plàstics biològics, trobem exemples com el Poliamida 11, procedent de les llavors d’una planta anomenada ricí (Ricinus communis), el nylon, procedent de la degradació de la glucosa per part de bactèries com Esterichia coli, polímers cel·lulòsics i derivats de l’etanol.
Processos de biodegradació dels plàstics biològics
La biodegradació dels plàstics biològics es basa en que aquests polímers són substrats dels microorganismes (típics en la natura). Gràcies a l’actuació d’exoenzims els polímers es converteixen en el seus monòmers. Aquests polímers són massa grans per travessar les membranes cel·lulars, de manera que primer han de ser descomposats a monòmers, abans de poder ser absorbits i biodegradats dins de les cèl·lules microbianes i finalment mineralitzats (CO2).
Els microorganismes que actuen en la biodegradació venen determinats per les condicions ambientals (oxigen, temperatura, salinitat, etc.). En el cas específic dels plàstics biològics, és especialment remarcable el factor oxigen, ja que els microorganismes aerobis principalment destrueixen els materials complexos mentre que els microorganismes anaerobis majoritàriament deterioren/preparen aquests polímers [1].
El PHA pot ser biodegradat per una amplia varietat de microorganismes (gèneres Bacillus, Pseudomonas y Streptomyces) en diferents ecosistemes, tant en condicions aeròbies com anaeròbies. Un exemple de microorganisme és el Aspergillus sp. aquest pot degradar el PHa un 90% al cap de 5 dies de cultiu a 500C [18].
Pel que fa el PLA, un dels microorganismes que és capaç de biodegradar-lo és Amycolatopsissp sp. que descomposa un 60% del PLA al cap de 14 dies a 300C. També el bacteri termòfil Bacillus brevis, pot descomposar un 20% del PLA desprès de 20 dies a 600C.
Polímers derivats del midó, aquests són els que generalment es degraden millor i amb temps menors. Alguns dels microorganismes associats són dels gèneres: Bacillus, Corynebacterium, Clostridium, Paenibacillus, Pantoea, Pectobacterium, Pseudomonas, Streptomyces.
Conclusions
A partir de la recerca sobre la temàtica de plàstics sintètics i plàstics biològics, hem pogut arribar a les següents conclusions:
- L’acumulació i generació de residus plàstics és un dels problemes principals del segle XXI (econòmicament, socialment i ambientalment). Tot i la seva importància, és un tema infravalorat i poc mediàtic.
- Actualment existeix una gran tipologia de plàstics sintètics. A més, tot i la creença general, la majoria dels plàstics sintètics poden ser biodegradats (amb pretractaments o additius).
- Tot hi haver-hi alternatives als plàstics sintètics, aquestes són escasses i poc desenvolupades.
- Tant pels plàstics sintètics com pel biològics, emprem el terme de biodegradació. Tot i això, opinem que parlar de biodegradació en plàstics sintètics no es adequat. Ja que els polímers sintètics requereixen de pretractaments fisicoquímics o additius per ser degradats en el medi natural. Per tant la biodegradació d’aquests, no és un procés completament natural/biològic.
1- Shah AA, et al: Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnology Advances 26 (2008). Pàgines 2467-2650.
2- Sivan Alex: New perspectives in plàstic biodegradation. Current Opinion in Biotechnology 22 (2011). Pàgines 422-426.
3- Shimao Misayuki: Biodegradation of plàstics. Current Opinion in Biotechnology 12 (2001). Pàgines 242-247.
4- Pointing S. B: Feasibility of bioremediation by white-rot fungi. Applied Microbiological Biotechnology 57 (2001). Pàgines 20-33.
5- Tachibana Koichiro, et al: Isolation and characterization of microorganisms degrading nylon 4 in the composted soil. Polymer Degradation and Stability 95 (2010). Pàgines 912-917.
6- Jeyakumar J., et al: Synergistic effects of pretreatment and blending on fungi mediated biodegradation of polypropylenes. Bioresource Tachnology 148 (2013). Pàgines 78-85.
7- Kaplan David, et al: Biodegradation of Polystyrene, Poly(methyl methacrylate) and Phenol Formaldehyde. Applied and Environmental Microbiology (1979). Pàgines 551-553.
8- Kirbas Z., et al: Biodegradation of Polyvinylchloride (PVC) by White Rot Fungi. Environmental Contamination and Toxicology 63 (1999). Pàgines 335-342.
9- Howard Gary T.: 7. Microbial biodegradation of polyurethane. Recent Developments in Polymer Recycling (2011). Pàgines 215-238.
10- Arutchelvi A., et al: Biodegradation of Polyethylene and Polypropylene. Indian Journal of Biotechnology (2008). Pàgines 9-22.
11- Kaczmarek Halina, et al: Biodegradation of Plasticized Poly(Vinyl Chloride) Containing Cellulose. Wiley InterScience www.interscience.wiley.com (2006).
12- Hadad D., et al: Biodegradation of polyethylene by the thermophilic bacterium Brevibacillus borstelensis. Journal of Applied Microbiology 98 (2005). Pàgines 1093-1100.
13- Sharon Chetna, et al: Studies on Biodegradation of Polyethylene terephthalate: A synthetic polymer. Journal of Microbiology and Biotechnology Research 2 (2012). Pàgines 249-257.
14- Artham Trishul, et al: Fouling and Degradation of Polycarbonate in Seawater: Field and Lab Studies. Journal of Polymers and the Environment 17 (2009). Pàgines 170-180.
15- Webb Jeremy S., et al: Fungal Colonization and Biodeterioration of Plasticized Polyvinyl Chloride. Applied and Environmental Microbiology (2000). Pàgines 3194-3200.
16- Adelantando el mundo. 2013. 15 novembre 2013.
17- Oceanographer’s Choice. 2010. Chris Jordan. 15 novembre 2013.
18- González Garcia Yolanda, et al: Síntesis y Biodegradación de Polihidroxialcanoatos: Plàsticos de Origen Microbiano. Revista Internacional de Contaminación Ambiental 29 (2013). Pàgines 77-115.
19- Informe sobre biodegradavilidad de envases BPL. ECOEMBES. 2008. 16 de novembre 2013.http://www.ecoembes.com/es/documentos-e-informacion/estudios-idi/Documents/Pl%C3%A1sticos/Informe%20sobre%20biodegradabilidad%20te%C3%B3rica%20de%20envases%20BPL.pdf
20- Polímeros. 2005. Textos Científicos. 18 novembre 2013.
21- Symphony Environmental Technologies eyes market growth for its products. 2013. Labels and labeling. 20 novembre 2013.
Bones tets! Felicitats pel treball! Només volia que m'aclarissiu, si és possible, una petit dubte. En la fotodegradació, el fong iniciador del procés (gènere Penicillium) actua conjuntament amb els fongs que degradaran deifinitivament el polietilè o només inicia el procés? Gràcies.
ResponEliminaHola Carles, la fotodegradació es un dels pretactaments que se li dona al polietilè per a poder-lo tractar posteriorment amb els fongs corresponents, en aquest cas fongs del gènere Penicilluim i Fusarium. Respecte el ordre que com actuen els fongs, sembla ser que, en aquest cas, s'utiliza primer el Pencillium i després el Fusarium. Sempre i quan el pretactament sigui amb raigs UV, acid nítric i temperatures elevedes.
EliminaGràcies!!
EliminaBones companys! felicitats pel treball!! Només volia comentar-vos uns petits dubtes que m'han sorgit. Quan parleu de plàstics com el PLA, que es degrada un 60% després de 14 dies a una temperatura de 30C, això vol dir que el 40% restant no es degradaria mai? Si variéssim la T canviaria la velocitat o el tant per cent de descomposició d'aquest plàstic? Moltes gràcies
ResponEliminaBones Pau! En la degradació dels plàstics biològics aquest 60% de degradació en 14 dies és un rendiment, és a dir que sí que es pot degradar el 40% restant, però necessita més temps. Si compares els rendiments de degradació dels plàstics sintètics amb els dels plàstics biològics la diferència és abismal. Respecte a la temperatura, varia segons el microorganisme que degrada el plàstic, però sempre és la temperatura òptima per a maximitzar el rendiment. Per al PLA hi ha dos microorganismes que el degraden, en el cas del Amycolatopsissp sp, degrada a 30ºC. En canvi, el Bacillus brevis ho fa a 60ºC.
EliminaMoltes gràcies
EliminaHola companys!
ResponEliminaMolt bon treball, la veritat és que el tema el trobo molt interessant i important!
Sobre el treball hi ha un punt que m'interessa i que potser expliqueu però a mi no m'han quedat gaire clar: en el cas del polietilè i el PVC primer es donen un seguit de processos. On es realitzen aquests processos? i que es fa amb els plàstics una vegada s'han realitzat aquests primers tractaments? vull dir, es llencen a abocadors?
Com a curiositat, sabeu quin % de plàstics produits reben aquests tipus de tractaments?
Moltes gràcies!
Molt bones Júlia.
EliminaRespecte a la teva primera pregunta, he de destacar que tots aquests processos inicials s’han portat a terme en laboratoris o instal•lacions de recerca associades (utilitzant làmpades de raigs UV, dissolucions creades al laboratori o encarregades a indústries químiques especialitzades, etc.). Cal destacar, que aquests pretractaments es realitzen en reactors o parts del laboratori separades de les zones de biodegradació (amb microorganismes).
En relació amb la segona pregunta, aquests plàstics al ser pretractats, es porten cap al medi de cultiu dels microorganismes dissenyats en el laboratori (sòl forestal, reactors amb dissolucions preparades, plaques amb medis de cultiu i altres mètodes de cultiu).
Finalment, en el cas d’Europa, segons la Comissió Europea, en el seu document “Green Paper” del 2013 sobre tractament dels residus plàstics, esmenta que avui dia, el 48,7% dels plàstics van ser dipositats en abocadors i el 51,3% restant va ser recuperat (valoritzat, reutilitzat o reciclat). Per tant com pots veure, aquest tractament microbiològic no està contemplat com a via de gestió actual pels residus de plàstics sintètics.
Espero haver sigut d’utilitat a l’hora de resoldre els teus dubtes, si no han quedat clars o la resposta no era el que esperaves, no dubtis en tornar a preguntar. A més, moltes gràcies per comentar en el nostre blog.
Moltíssimes gràcies! (m'ha quedat tot molt clar, merci)
EliminaHola! El tema és molt interessant i el treball molt clarificador. La meva pregunta és una curiositat: he sentit a parlar de les boses oxobiodegradables, un agent pro degradant dissocia els enllaços carboni-carboni perquè els radicals lliures es puguin oxidar, sabeu si aquestes bosses són més efectives que les de plàstics biològics en quan a la degradació?
ResponEliminaMoltes gràcies
Arnau, les bosses oxobiodegradables no són gaire més que bosses convencionals (fabricades a partir de derivats del petroli) a les que s'afegeix un component (poliolefina, un polímer amb base de carboni) que ajuda a descompondre-les en partícules molt petites, algunes d'elles tòxiques, però no s'arriben a degradar del tot, per tant segueixen resultant una problemàtica i contaminació, així que no les podem considerar com una alternativa real a les bosses convencionals.
EliminaFelicitats! Molt bon treball, aquest tema és bastant interessant i l'heu fet molt entenedor. En general no tinc dubtes sobre el que heu explicat i dir-vos que m'ha semblat impactant aquest vídeo que heu penjat del documental. Només volia preguntar-vos, ja que heu esmentat lo de la Gran Illa de Brossa que sura sobre el Nord del Pacífic, si sabeu si actualment existeix alguna organització o associació internacional que estigui investigant alguna manera de desfer-se de almenys d'una part d'aquesta brossa (que és d'una envergadura realment gran) la qual segurament la majoria està formada per plàstics i altres derivats del petroli i, si és el cas, quin mètode estan fent servir.
ResponEliminaGràcies,
Oscar González
Hola Oscar. El documental és molt impactant i de fet, gràcies a aquest, es va començar a fer força ressò d'aquesta problemàtica i se n'ha parlat molt a les xarxes socials, principalment. Pel que fa a les actuacions, l'any 2008, un instructor de busseig anomenat Richard Owen va fundar la Enviromental Cleanup Coalition (http://www.gyrecleanup.org/), per la neteja del medi natural. Les actuacions per a pal•liar l’Illa de brossa, consisteixen en una flota d'embarcacions, equipades amb uns embuts i comportes per recollir els plàstics, que seran tractats posteriorment.
EliminaBones,
ResponEliminaMolt bon treball i molt ben explicat tot. Com que queda tot molt ben entès i ja heu resolt comentaris dels quals podria tenir algun dubte, us volia preguntar, ja que heu parlat de la problemàtica que suposa avui en dia tot el plàstic que es genera i s'utilitza, que implica o en que beneficia el fet de posar preu a les bosses de plàstic en supermercats, etc. ( a part de conscienciar la gent sobre el reciclatge de bosses de plàstic i reduir el percentatge de plàstic utilitzat), en l’àmbit de gestió d’aquests residus, quin és l’objectiu dels cèntims que pagues, perquè els utilitzen,...
Moltes gràcies.
Mireia Salar Rodríguez
Mireia, m'agrada la teva pregunta, i per si et serveix, en l'empresa que treballo fem pagar les bosses de plàstic, el benefici dels diners és per l'empresa, per tant no els utilitzen de cap manera per per la gestió de residus. Espero que no sigui igual per totes les empreses, sabeu algun cas en que els diners van destinats a la gestió? o simplement és per educar al consumidor?
EliminaHola Mireia. L’únic que es pot dir és que el fet de posar preu a les bosses de plàstic en supermercat a part de conscienciar i reduir el plàstic utilitzat, és que també aporta beneficis quan les bosses que s’utilitzen són les ecològiques. Normalment, com molt bé diu la Nuria, el benefici dels diners de les bosses són per l’empresa, que és aquesta la que els gestiona. Això no significa que algun cas especial alguna empresa els destini a la gestió de residus. O sigui, que ficar preu a les bosses també beneficia a les empreses ja que redueixen despeses (bosses) i incrementen beneficis (diners obtinguts per les bosses).
EliminaD'acord amb l'Albert i la Núria un dels objectius principals, era reduir el consum de bosses de plàstic. Incrementant així l'ús de bosses reutilitzables, com són les bosses grans de tela
EliminaMoltes gràcies a tots per les respostes. Ho preguntava perquè a la empresa que vaig treballar al estiu, hem van explicar que el euro que pagues pel got de barraques, significa que pagues el preu del que contamina la seva fabricació, el "tems de vida",...i que quan el tornes et donen l'euro perquė en teoria es recicla. Per això preguntava, per saber si passava alguna cosa similar. Ja veig que es diferent
EliminaMoltes gràcies
Mireia salar rodriguez
L'autor ha eliminat aquest comentari.
ResponEliminaHola companys,
ResponEliminaBé, és evident que no n’hi ha prou en reciclar, si no que a més el que s’hauria de fer és consumir molt menys. M’ha impactat la illa de la brossa, exactament com hi convergeixen tots els plàstic en aquesta zona i d’on provenen?
Hola Marc. L'illa de la brossa, no és l'única que existeix, tot i que és de les més conegudes. Es forma a causa de les corrents oceàniques de pacífic nord (estan dibuixades a la imatge de l'illa de brossa) que transporten aquests plàstics. La provinença d'aquests plàstics és majoritàriament de residus continentals i la resta dels residus dels vaixells.
Elimina