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Accelerating microplastics biodegradation, the solution to oceans pollution?

 

 

 

Esporles, 8 de febrero de 2021. Anualmente se generan más de 300 millones de toneladas de residuos plásticos y se estima que entre 4,8 y 12,7 millones de toneladas entran en los océanos. De estos residuos sintéticos los más comunes son el polietileno y el polipropileno, materiales flotantes con poca capacidad de degradación que, una vez en el medio marino, son dispersados con facilidad a cualquier rincón del planeta. Las evidencias científicas indican que plásticos como estos son peligrosos y ejercen un impacto negativo en el medioambiente. Sin embargo, olvidamos que ese peligro y ese impacto son consecuencias de nuestras propias acciones ya que estos materiales no deberían encontrarse en los medios naturales.

 

 

Si utilizáramos los plásticos con responsabilidad —reduciendo o eliminado usos innecesarios— y bajo criterios sostenibles, no solo llegaríamos a mitigar sus efectos nocivos, sino que también reduciríamos los efectos del cambio climático. Una prueba de ello es que los plásticos, debido a su ligereza y versatilidad, nos han permitido reducir enormemente el coste energético en el transporte y, por ello, la huella de carbono.

 

 

Colonización bacteriana del plástico, un nuevo nicho en un viejo entorno

 

Como ocurre con cualquier superficie que entra en un ecosistema acuático, estos residuos plásticos, incluso los de un tamaño inferior a 1 mm —microplásticos—, son rápidamente colonizados por organismos vivos. Estos organismos, mayoritariamente de tamaño microscópico, forman comunidades microbianas que reciben el nombre de plastisfera y su presencia condiciona la forma con la que los materiales plásticos interactúan con su entorno.

 

La plastisfera ha supuesto la aparición de un nicho completamente nuevo dentro de los ecosistemas marinos. Además, se ha observado que los plásticos y sus plastisferas presentan una alta productividad primaria debido a la gran capacidad para acumular nutrientes, lo que permite a los organismos fotosintéticos, que son pioneros en la colonización de los plásticos flotantes, desarrollarse en condiciones meso o incluso eutróficas —aunque el plástico colonizado se encuentre en un entorno marino típicamente ultraoligotrófico.

 

 

El origen de la plastisfera: agua, nutrientes y energía

 

Como cualquier otra forma de vida, la plastisfera se desarrolla a partir del agua y de los nutrientes que se acumulan y reciclan eficientemente —el nitrógeno y el fósforo, entre otros.

 

¿Pero de dónde proviene el carbono y la energía para sostener la comunidad? Como hemos mencionado, cuando los plásticos flotan —como el polietileno y el polipropileno— la plastisfera se encuentra en primera línea, expuesta al sol. La biopelícula obtiene el carbono gracias a sus organismos fotosintéticos quienes, además, son los responsables de abastecer de energía al resto de organismos de la comunidad. Aunque la mayor parte  de la comunidad microbiana prefiere los apetecibles azúcares que se obtienen de la fotosíntesis, el material plástico y sus aditivos que, a priori, son muy recalcitrantes y difíciles de degradar, pueden ser un plato de muy buen gusto para algunos organismos de esa misma comunidad. Por lo tanto, ellos son los responsables de la degradación del polímero, aunque diversas investigaciones han demostrado que su capacidad para hacerlo en medios naturales es muy reducida. ¿Pero por qué no se produce más biodegradación del plástico y cómo podríamos acelerar el proceso para solventar el problema de contaminación por plásticos en los océanos? Para ello necesitamos entender la ecología microbiana.

 

 

Adhesión, selección y sucesión de las comunidades de la plastisfera

 

Varios estudios han demostrado que existen grandes cambios en las comunidades de microorganismos durante las primeras etapas de colonización de un plástico. Estos cambios iniciales, así como la tasa de crecimiento de la plastisfera, vienen determinados por factores tales como la temperatura, la luz o la disponibilidad de nutrientes a los que el polímero está expuesto.

 

 

Como en cualquier colonización primaria de un entorno deshabitado, se produce una proliferación de organismos que no tienen otra misión que crecer más rápido que el resto para cubrir la máxima superficie posible. Una vez concluida la fase de colonización, los recursos y el espacio se vuelven cada vez más limitados y los microbios se separan en nichos específicos para evitar la competencia. A medida que la biopelícula madura y su complejidad aumenta, comienza a producir sustancias poliméricas extracelulares que le ayudan a protegerse y reducir la depredación, así como metabolitos secundarios que controlan la percepción del quórum y/o ejercen un efecto antimicrobiano sobre los microbios competidores.

 

 

Si la plastisfera se alimentara únicamente del material plástico —biodegradación—, llegaría un momento en que inevitablemente el proceso se estancaría debido a la sucesión de las comunidades bacterianas. Este concepto es fácil de entender si utilizamos como ejemplo las fases de colonización y sucesión microbiana en comunidades que crecen a expensas de la quitina —polímero abundante y altamente biodegradable en los ecosistemas marinos:

 

  1. Adhesión/colonización estocástica de microbios pioneros, donde los organismos más abundantes son capaces de adherirse eficazmente a la superficie.
  2. Selección, donde proliferan los organismos capaces de degradar el polímero.
  3. Sucesión, donde estos degradadores son superados por competidores, virus y otros depredadores.

 

 

Por lo tanto, una vez que la biopelícula madura, la degradación de la quitina se reduce a valores insignificantes debido a que los microbios degradadores son superados por competidores y depredadores.

 

 

Puesto que lo que ocurre en la plastisfera de la quitina se puede extrapolar a la de otros polímeros, debemos encontrar la forma de evitar la supresión de los microbios degradadores para así favorecer la acción mineralizadora de plásticos presente en las plastisferas.

 

 

La microbiología y las comunidades sintéticas, los principales aliados para la degradación de los plásticos

 

Durante las primeras etapas de la colonización, los plásticos en el medio marino seleccionan organismos biodegradadores con un enorme potencial catabólico. Lamentablemente estos no son abundantes y estudiarlos dentro de las comunidades microbianas naturales resulta muy complejo debido a, como hemos mencionado, la competencia y depredación de organismos presentes en su misma plastisfera.

 

 

El gran reto de estudiar la biodegradación de los plásticos está en que es un proceso demasiado lento para los métodos de investigación tradicional de la microbiología, como pueden ser el crecimiento microbiano o el agotamiento del sustrato. Además, la elevada hidrofobicidad, insolubilidad y peso molecular que presentan los polímeros los convierten en un material prácticamente inaccesible para los microorganismos.

 

 

Un estudio liderado por Christie-Oleza, Nogales y Bosch, doctores de la Universitat de les Illes Balears y el Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados, tiene como objetivo la creación de una librería de cepas bacterianas con capacidad de biodegradar derivados plásticos. Esta colección, que cuenta con centenares de cepas aisladas procedentes de multitud de ambientes, será genética y metabólicamente caracterizada para identificar y acelerar la evolución de enzimas que catalizan la degradación de plásticos. Además, el estudio considera el ensamblaje modular de comunidades sintéticas para mejorar sustancialmente la biodegradación de los plásticos al ser capaz de evitar el proceso de sucesión de organismos propio de las plastisferas naturales.

 

 

Para llevarlo a cabo, los doctores Christie-Oleza, Nogales y Bosch cuentan con un excelente equipo de investigadores internacionales que aportan al estudio su experiencia y equipación tecnológica de vanguardia. Este equipo multidisciplinar contribuirá a mejorar los mecanismos existentes en la naturaleza relacionados con la eliminación de plásticos del medioambiente y, además, ayudará a descubrir nuevas aplicaciones dentro del campo de la biotecnología.

 

 


Fuente: IMEDEA (UIB-CSIC)

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