Física, química y biología: ciencias aliadas para la degradación del plástico

Física, química y biología: ciencias aliadas para la degradación del plástico

¿Sabía que el plástico es uno de los materiales que más se usa en la actualidad? Imagine que suena su despertador, hecho de polipropileno o polietileno; lo apaga, se levanta y se va para el baño. Allí, limpia su boca con un cepillo de dientes hecho a base de PVC y cerdas de nailon, luego le agrega crema dental que está introducida en un empaque de plástico laminado, para después pasar finos filamentos de teflón diente por diente hasta retirar cualquier exceso. Por último, pero no menos importante, acaba el proceso con un enjuague bucal contenido en una botella PET. ¿Cuántos elementos fabricados con plástico contó en esta rutina?

El plástico, un polímero derivado de la industria petroquímica, ha sido un material sintético usado y alabado por las personas desde su aparición en los años 50 debido a su maleabilidad, versatilidad y resistencia. Sin embargo, su producción masiva ha ocasionado graves problemas ambientales como las montañas de desechos que navegan en los mares de todo el mundo contaminando el agua y causando la muerte masiva de peces debido a la ingesta de restos de esos elementos. Por este motivo, en 2018 el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) aseguró que la presencia de este tipo de residuos en mares y océanos conforma una las seis emergencias ambientales más graves del planeta.

 

“Si la población mundial alcanza los 9.600 millones de personas en 2050, se necesitaría el equivalente de casi tres planetas para proporcionar los recursos naturales precisos para mantener el estilo de vida actual”: Organización de las Naciones Unidas (ONU).

 

Preocupado por esta situación, Luis David Gómez-Méndez, microbiólogo, magíster en Microbiología, doctor en Ciencias Biológicas y líder del semillero Degradación en Polímeros Plásticos Contaminantes de la Pontificia Universidad Javeriana, conversó con Pesquisa Javeriana sobre su tesis doctoral, con la cual le apunta a integrar reacciones físicas, químicas y biológicas como alternativa para reducir el tiempo de degradación de los plásticos, que actualmente se estima va de 100 a 1.000 años.

Pesquisa Javeriana (PJ): ¿Cuál es la propuesta de su tesis doctoral? 

Luis David Gómez (LDG): Sabemos que los plásticos son de difícil biodegradación, pero mi pregunta era qué tratamiento previo se podría hacer para facilitar este proceso natural. En principio sabía que el tratamiento debía ser físico o químico y posteriormente tenía que pasar por una transformación biológica. Por eso decidí usar plasma -el cuarto estado de la materia-, que al ser sometido a descargas eléctricas, se ioniza y cambia las propiedades superficiales de muchos materiales. En este caso, láminas de polietileno de baja densidad (PEBD), un tipo de plástico.

En general, los plásticos son hidrofóbicos, esto significa que repelen el agua; sin embargo, al someterlos al plasma, logré modificar su superficie volviéndolos hidrofílicos para que tuvieran adherencia del agua. Con esto fue posible que los microorganismos, que necesitan ambientes húmedos para crecer y desarrollarse, hallaran una superficie húmeda en el plástico y se “pegaran” a él para intentar colonizarlo y, si su capacidad metabólica lo permitía, alimentarse de él.  El resultado: la capa superficial del PEBD tratada con plasma de oxígeno modificó su hidrofobicidad y rugosidad al descascararse. Estas dos condiciones fueron esenciales para el crecimiento microbiano. Este fue el pre-tratamiento físico.

PJ: También mencionó un tratamiento químico. ¿En qué consistió? 

LDG: En esta fase usé la fotocatálisis: una reacción química que usa el dióxido de titanio en presencia de luz ultravioleta, para generar moléculas reactivas que tienen la capacidad de degradar diversos tipos de contaminantes solubles en agua, como pesticidas o colorantes. La apuesta de esta técnica fue emplearla sobre un contaminante no soluble en agua: el PEBD. Al usar este método, obtuve un resultado impactante: la fotocatálisis generó huecos en la superficie del material lo cual es importante, porque una superficie porosa facilita la colonización de los microorganismos.

PJ: Entonces, ¿el plástico estaba listo para su descomposición?

LDG:  Después de usar las descargas de plasma y la fotocatálisis, lo sometí por cinco meses al hongo de podredumbre blanca, Pleurotus osteatrus, el cual es reconocido por degradar materiales tan complejos como la madera. Con esto esperaba que el microorganismo creciera sobre la superficie modificada del PEBD y lo degradara. El resultado fue interesante ya que conseguí que este proceso físico, químico y biológico, modificara propiedades mecánicas y químicas del PEBD en un 30%.

PJ: ¿Esta es una alternativa para minimizar el impacto que tienen los plásticos en el ecosistema?

LDG: Sí, ya que hay que pensar qué hacer con los millones de toneladas de residuos plásticos que están abandonados y hallar estrategias de degradación acelerada como la que propongo. También es necesario considerar otras alternativas; por ejemplo, hacer uso de plásticos biodegradables, los cuales emplean como materia prima fuentes naturales como celulosa o almidón. Además, hay que minimizar su uso, dejar de comprar tanto plástico y evitar las bolsas si no se requieren. Claro, son necesarias para colocar los residuos del baño o de la cocina, pero no son indispensables para llevar tres tomates y un plátano de la tienda de la esquina, para eso están las bolsas de tela.

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PJ: Según su respuesta, ¿también se trata de un problema cultural? 

LDG: ¡Por supuesto! Los plásticos surgieron en los años 50 y fue un ‘boom’ por sus características de maleabilidad, capacidad de estiramiento, de resistencia y durabilidad. Sin embargo, el problema empezó en los años 60 con la bonanza económica estadounidense, donde la gente empezó a asociar sus prácticas de derroche con la posibilidad de botar los plásticos, ya que estos se vendían como “desechables”. En ese momento no se proyectó ni el impacto medioambiental que estos causarían años después, ni el impacto cultural al introducirnos en una sociedad de pensamiento desechable: comprar y botar.

“Se estima que de 1950 a la actualidad se han producido más de 8.000 millones de toneladas de plásticos y se calcula que para el 2030 la cifra llegue a 12.000 millones de toneladas”, afirma Gómez.

 

PJ: ¿Cómo se puede cambiar esta mentalidad?

Hay que hacerle entender a la gente que no necesariamente tiene que usar pitillos o colocarle tapa plástica a los vasos plásticos que usará por mucho, cinco minutos. Si puede, emplee vasos de vidrio o porcelana. Hay que interiorizar en nuestro cerebro las tres R: reutilizar, reciclar y reducir. Es necesario entender que el plástico sirve de muchas maneras, pero en la medida en que se pueda reutilizar, reciclar o reducir el consumo, se disminuirá su impacto ambiental.

PJ: Con relación a la actual crisis sanitaria, ¿cuál es el efecto del uso de los plásticos?

LDG: El impacto es altísimo. Debido a la pandemia por la Covid-19, el consumo de guantes, tapabocas y el hecho de que ahora muchos productos de consumo vienen envueltos en plásticos, cuando antes no lo estaban, ha disparado la generación de estos residuos.

PJ: ¿Qué hacer para mitigar sus efectos? 

LDG: En primer lugar, se debe disminuir el consumo de guantes quirúrgicos, por ejemplo, lavándose muy bien y frecuentemente las manos y emplear tapabocas de tela. En lo posible, comprar alimentos que no estén envueltos en plásticos, pero si lo están, darle un segundo uso a ese material. No obstante, el problema con los guantes quirúrgicos y tapabocas es que estos materiales, después de su uso, deben ser tratados como “elementos de riesgo biológico” por lo que requieren de un manejo especial: deben colocarse en bolsas rojas y no mezclarse con residuos ordinarios, pero en este momento donde su uso se ha masificado y están en la mayoría de los hogares, es muy difícil darle esa disposición… ¡Se están convirtiendo en residuos ordinarios al mezclarse con los residuos de cocina!

Finalmente, algunas alternativas de contención serían incinerar estos elementos en hornos especiales que no permitan que los gases salgan a la atmósfera, pero eso requiere de una infraestructura, logística, normatividad y, sobre todo, de una cultura del manejo de residuos, que no tenemos.

Fotos tomadas por Luis David Gómez en el Museo de la Extinción de Greenpeace en Bogotá.
Esta muestra presenta empaques plásticos que fueron abandonados. Muchos de ellos salieron del mercado hace más de 20 años y aún están intactos, contaminando el planeta.

Microplásticos, ¿el ‘pan de cada día’ de los peces?

Microplásticos, ¿el ‘pan de cada día’ de los peces?

“Si yo me como un pedazo de bolsa plástica, puede que no me pase nada. Pero si constantemente estoy comiendo plástico, eso sí me va a hacer daño; hasta la muerte me podría causar”.  La frase es de Andrea Luna, directora del semillero Aquasistemas, de la Facultad de Estudios Ambientales y Rurales de la Pontificia Universidad Javeriana, y aunque ella misma dice que la comparación puede parecer absurda, retrata un aspecto crucial sobre la presencia de microplásticos en los ecosistemas marinos y sobre los posibles impactos en la salud de los animales e incluso en la salud humana.

Estas partículas son fragmentos de plástico que miden menos de cinco milímetros. Por su tamaño, su manejo como desecho contaminante es mucho más difícil. Por eso, los microplásticos están generando un impacto muy importante en las especies marinas. Este tema es relativamente nuevo en la investigación científica, y particularmente en Colombia no se ha estudiado a profundidad. Esta cuestión llevó a Valeria Jiménez Cárdenas, ecóloga javeriana, a analizar su presencia en los peces de Isla Grande, Bolívar.

La investigación se centró en la extracción de partículas plásticas del tracto digestivo de 60 individuos de peces pertenecientes a 5 especies diferentes distribuidas en los ecosistemas de arrecife de coral y de manglar. El primer resultado es contundente: todas las especies analizadas tenían este material en su tracto digestivo. “Estas fragmentos, al ser tan pequeños, son confundidos con alimento por los peces, ya que las especies analizadas son depredadoras visuales”, explica Jiménez. Este tema es especialmente sensible para el desarrollo normal de estos animales. “Ellos se sienten satisfechos porque sus estómagos están llenos, pero en realidad no se están alimentando con nutrientes que son importantes. Así, pueden presentar deficiencias por falta de recursos energéticos, en las defensas inmunitarias, el desarrollo y la reproducción”, agrega  Luna.

Pero eso no es todo. El acopio de microplásticos en el organismo del pez causa tres impactos principales: bloqueos internos, lesiones en el tracto digestivo y exposición a químicos contaminantes.

La acumulación interna genera obstrucciones en su sistema digestivo, que no permiten la circulación normal del alimento y la expulsión de los desechos. “En uno de los individuos se encontró un fragmento con forma de esfera, como un tapón en el inicio de los intestinos, y este tenía un aspecto muy similar a un huevo de pez”, detalla Jiménez. Es precisamente a este efecto que se refería Andrea Luna con su frase. “Ya cuando uno ve cómo hay plásticos dentro de los peces y no es solo algo que está en la literatura, es impactante”, dice. Comparar esta situación que viven los peces con el cuerpo humano podría dimensionar mejor el problema.

Además de lo mencionado, se encontró mayor cantidad de plásticos en las hembras. Para Valeria Jiménez esto se puede explicar por la mayor demanda de energía que requieren los individuos de sexo femenino para el proceso de reproducción y la producción de óvulos saludables. “En algunas especies a las hembras les toma un año más madurar sexualmente, comparado con los machos. Esto hace que consuman mucho más alimento y potencialmente, más plástico”, detalla.

Pero los efectos de la acumulación de este material van más allá.  Como el organismo no puede degradar dichas partículas, las hembras en especial no se nutren adecuadamente y esa desnutrición tendrá impactos directos en la descendencia. Esto puede hacer que las crías no tengan todos los elementos requeridos para su desarrollo así, podrían nacer con ciertos problemas neurológicos, desnutridos y de menor tamaño.

Otro de los hallazgos que menciona la investigación es que los plásticos encontrados tenían puntas filosas que potencialmente pueden causar heridas a lo largo del tracto digestivo. Frente al punto de exposición a sustancias químicas contaminantes, explican que las investigaciones avanzan para conocer las consecuencias reales, pero que ya se conoce que estos químicos pueden provocar disrupción endocrina, es decir, problemas en el equilibrio hormonal de los animales.

 

Innovación en Colombia

Para las investigadoras, este trabajo tiene un componente innovador pues compara la presencia de microplásticos en dos ecosistemas: manglar y arrecife de coral. Este es el primer estudio en el país que arroja información de este tipo y los resultados demuestran que las especies de manglar presentaron mayor cantidad de plásticos.

Ellas aseveran que esto podría estar relacionado con el Canal del Dique. El constante dragado y la apertura de las compuertas aportan grandes cantidades de sedimento al agua dulce que desemboca en las Islas del Rosario. El amplio caudal de esa plataforma permite que los residuos lleguen más lejos y los plásticos, por ser livianos, tienen mayor flotabilidad. Otras fuentes más directas pueden provenir de actividades en las islas como el turismo. Incluso las corrientes también pueden contribuir a este tipo de contaminación.

Los manglares actúan como un filtro en el que las raíces de los árboles atrapan una parte considerable de plásticos. Ambas investigadoras coinciden en que aún falta ahondar más en este tema, pero que su trabajo ya da un indicio de cómo es la distribución de plásticos en el mar, dónde se están acumulando y cuáles serían los principales ecosistemas para priorizar en la mitigación de esta problemática.

Esta investigación revela que los polímeros más encontrados en los peces fueron:

  • Poliéster: muy utilizado en el sector textil.
  • PVC: usado en láminas para empaque de productos durante el transporte
  • PET: material con el que se hacen las botellas plásticas
  • Polietileno: utilizado en envolturas de plástico y bolsas

Este resultado da un mayor acercamiento a las fuentes principales. Además, casi la mitad de los plásticos dentro de los peces eran negro y verde, colores que pueden ser similares a las presas de las cuales usualmente se alimentan.

La degradación del plástico

El plástico es un material relativamente nuevo en el planeta. Su producción se inició en los años 50 y se ha generalizado por todo el mundo. Si bien permite mucha practicidad en su uso, se ha evidenciado su impacto contaminante. Desde hace algunos años,  y como alternativa a este fenómeno, se lanzaron al mercado los plásticos oxo-biodegradables. “Estas son bolsas con ciertos aditivos químicos que cuando entran en contacto con la radiación solar y el oxígeno empiezan a romperse  en pedazos pequeños como un vidrio de seguridad”, explica David Gómez, tutor del semillero de Degradación en Polímeros Plásticos Contaminantes de la Facultad de Ciencias de la Javeriana, quien también aportó en esta investigación.

En teoría este tipo de material sería un avance para reducir la contaminación, pues al fracturarse en pedazos más pequeños su degradación sería más rápida. Pero los resultados del estudio muestran consecuencias diferentes. “Esta investigación es importante porque lo que aparentemente se vende como una solución ecológica y ambiental, parece no serlo del todo” agrega Gómez.

En este semillero trabajan en la búsqueda de estrategias que permitan minimizar la contaminación por plásticos. Uno de sus proyectos es liderado por este docente, que investiga los tipos de microorganismos capaces de biodegradarlo. Entre ellos se han reportado bacterias y hongos. Para él, los lugares ideales para encontrar estos microorganismos son aquellos en donde más tiempo han permanecido en contacto con estos materiales. Su trabajo consiste en cultivarlos y estudiarlos para medir su capacidad de biodegradación. “La universidad le está apuntando a crear estrategias fisicoquímicas, biotecnológicas  para poder minimizar el impacto ambiental que hemos causado durante tanto tiempo”, explica.

Los tres investigadores coinciden en que para atacar el problema hay varios frentes. Uno de ellos es la educación ambiental, tanto de las comunidades que habitan y visitan el mar, como las de las grandes ciudades, cuyas poblaciones suelen creer que no tienen responsabilidad en el tema, pero sus residuos son transportados por corrientes hídricas hasta los océanos.

El plástico debería ser uno de los materiales menos problemáticos porque se puede reciclar, pero para lograrlo hay que hacer un adecuado manejo de sus residuos. Otro frente pasa por las políticas públicas, si bien hay muchos debates sobre el cobro de impuestos al uso de bolsas, los investigadores afirman que se deben tomar más medidas que protejan el ambiente. Pero es necesario insistir, que lo más efectivo pasa por lo personal. Cada individuo debe tomar conciencia y responsabilizarse del uso adecuado y de la disposición final.

El preocupante futuro de los ecosistemas colombianos

El preocupante futuro de los ecosistemas colombianos

Buena parte de los ecosistemas naturales de la costa Caribe colombiana han sido transformados drásticamente por la actividad humana en las últimas décadas. “Ya casi no existen”, afirma el profesor investigador Andrés Etter, de la Facultad de Estudios Ambientales y Rurales de la Pontificia Universidad Javeriana. La construcción de carreteras y otras obras de infraestructura, la urbanización, pero principalmente la expansión de la frontera agrícola, son algunas de las razones para que esto ocurra.

Lo mismo ha sucedido con una gran extensión de las tres cordilleras que recorren el país de sur a norte. Y es en estas regiones donde también el Grupo de Ecología y Territorio de la Javeriana, en cabeza de Etter, ha identificado los ecosistemas en peligro crítico (CR): lo que queda del bosque seco tropical en el Caribe y el desierto tropical de la Guajira y la Tatacoa en el Huila; los ecosistemas secos de los Andes, como el Cañón del Chicamocha en Santander y, en menor escala, Dagua en el Valle del Cauca; los ecosistemas húmedos como los humedales que agonizan en el altiplano cundiboyacense empezando por Jaboque, en pleno Bogotá, y las áreas de bosque húmedo tropical del piedemonte llanero. Allí es donde la situación está más complicada.

Estos resultados podrían apoyar la toma de decisiones de quienes juiciosamente diseñan los Planes de Ordenamiento Territorial (POT) en los más de mil municipios del país, porque el trabajo de los investigadores javerianos lleva más de 30 años y tiene evidencia científica del cambio en el paisaje desde hace cinco siglos. El estudio, además de caracterizar el nivel de riesgo de los ecosistemas naturales que subsisten, permite establecer el nivel de protección en el sistema nacional de Áreas Protegidas. De los ecosistemas que se encuentran en peligro crítico (CR) o en peligro (EN), que en total son 38, no subsisten sino 19 millones en las 114 millones de hectáreas que tiene el territorio colombiano. El estudio también permite ubicar los tipos de ecosistemas que han desaparecido y los lugares que estos ocupaban, para identificar necesidades de restauración.

Figura 1. Mapa de la ubicación de los ecosistemas CR y EN que se perdieron por el proceso de expansión de la frontera agrícola y urbana, y que deberían ser la base para focalizar procesos de restauración.
Figura 1. Mapa de la ubicación de los ecosistemas CR y EN que se perdieron por el proceso de expansión de la frontera agrícola y urbana, y que deberían ser la base para focalizar procesos de restauración.

Con base en esto, Etter recomienda priorizar la restauración de aquellos ecosistemas que están en peligro crítico o en peligro. Hace énfasis en aquellas zonas rojas y naranjas del mapa (Figura 1), pero focalizándose en aquellas que presentan baja productividad y altos niveles de impacto ambiental. Sin demeritar los beneficios de la industria ganadera, llama la atención porque “la ganadería ha sido la gran transformadora de los ecosistemas colombianos”, y agrega que “el 80% de la frontera agrícola colombiana son vacas, frecuentemente con bajos niveles de productividad”, alrededor de 23 millones de reses. Si estuviera en sus manos, entre estas se enfocaría en aquellas áreas alejadas de las carreteras, cercanas a ecosistemas naturales y a ríos, entre otras características que viene analizando con sus colegas.


Una lista roja de ecosistemas

Ahora que en Colombia tanto el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), como el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF), han presentado sus mapas de amenaza de los ecosistemas colombianos, Etter y sus colaboradores entregan la Lista Roja de Ecosistemas (LRE) que representa un nuevo estándar unificado de carácter global mediante el cual es posible evaluar el estado de todos los ecosistemas del mundo en riesgo, con una metodología basada en cuatro criterios básicos: la reducción en la distribución geográfica, el patrón que ha llevado a esa reducción, la degradación ambiental física, que incluye aspectos como el suelo y el clima, y la alteración de procesos bióticos asociados a los ecosistemas, como, por ejemplo, los cambios en los procesos de dispersión de semillas o de polinización. “Estamos mostrando en qué ecosistemas ha sido más severo el deterioro y cómo, si se juntan las variables, se puede valorar ese riesgo de una manera más transparente”, explica el ecólogo (Ver Figura 2). Esta metodología, originalmente ideada por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (IUCN), se empezó a diseñar en 2010, y en 2013 se publicó en el artículo titulado Scientific Foundations for an IUCN Red List of Ecosystems, de David Keith, Jon Paul Rodríguez y colaboradores.

Figura 2. Mapa que corresponde a la evaluación final de la Lista Roja de Ecosistemas de Colombia
Figura 2. Mapa que corresponde a la evaluación final de la Lista Roja de Ecosistemas de Colombia

Colombia ha sido uno de los pocos países que, junto con Costa Rica, Chile y Venezuela, iniciaron en América Latina el estudio con financiación internacional. La experiencia del investigador Etter al haber recorrido el país entero durante más de tres décadas y haber realizado análisis históricos de transformación de ecosistemas, sumado a insumos importantes liderados por otros investigadores como, por ejemplo. las tasas de deforestación en el país del IDEAM, permitieron avanzar en la investigación que, según Etter, es reconocida como una de las aplicaciones de la metodología más completas.

Los investigadores javerianos se concentraron en los ecosistemas terrestres, identificando 81 tipos: 54 corresponden a ecosistemas forestales, seis a ecosistemas arbustivos, 16 a sabanas y páramos, y cinco a humedales. “Los ecosistemas son la base del soporte de la vida humana. Conservándolos, conservamos oportunidades a futuro, en términos de la biodiversidad”. Pero también, resalta, como país megabiodiverso, “Colombia tiene una responsabilidad más allá de sus fronteras, en términos globales, de responder como guardianes de esa riqueza biológica”.


A futuro

Con base en los mapas históricos (Ver Figura 3), y si sigue la tendencia actual de lluvias, dentro de 20 o 30 años, el área con los mayores cambios será la península de la Guajira, seguida de la parte norte del departamento de Norte de Santander y la región central de Arauca y Casanare.

Figura 3. Transformación de los ecosistemas colombianos a través de los años.
Figura 3. Transformación de los ecosistemas colombianos a través de los años.

Desde el punto de vista de las tasas de pérdida o degradación de los ecosistemas en relación con la dispersión de semillas y polinización, las regiones que más sufrirán serán las ubicadas en la cordillera de los Andes, el norte de la Amazonia y el sur de la Orinoquia, unas 60 millones de hectáreas afectadas.

Si bien el ejercicio realizado hasta ahora ha contemplado las amenazas por el cambio climático de manera preliminar, los investigadores no dudan en que esta categoría empezará a jugar un papel más importante en futuras evaluaciones.


INVESTIGADOR PRINCIPAL: Andrés Etter Rothlisberger
COINVESTIGADORES: Ángela Andrade, Kelly Saavedra, Paula Amaya, Paulo Arévalo, Juliana Cortés, Camila Pacheco, Diego Soler.
COLABORADORES: Tito Muto, Andrés Páez, Mauricio Vejarano, Miguel A. Cañón, Laura Eraso, Yaneth Muñoz.
Facultad de Estudios Ambientales y Rurales, Pontificia Universidad Javeriana
Conservación Internacional, Colombia

Financiación
Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza, IUCN
Convention of Ecosystem Management, CEM
Provita
Fundación Moore

Apoyo institucional
Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible
Instituto de Investigación de Recursos Biológicos Alexander von Humboldt
Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras José Benito Vives de Andreis

PERIODO DE LA INVESTIGACIÓN: 2010 – 2017