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.

Tomates eternamente jóvenes

Tomates eternamente jóvenes

Envejecer no es un problema solo de vanidad. Evitar el verse y sentirse viejo y arrugado ha llevado a la ciencia a recorrer caminos interesantes y algo controvertidos. Sin embargo, cuando se trata de verduras o frutas, las preocupaciones son otras: el envejecimiento en este caso implica pensar no solo en la pudrición, sino además en los evidentes cambios del sabor, color, textura y olor, que generan gastos a los comerciantes y un sentimiento de culpa a los consumidores por “no habérselo comido antes de que se dañara”.

La historia que viene a continuación es catalogada por sus investigadores como un “azar del destino”. Se presentó cuando las condiciones del medio, el tiempo y la observación llevaron a que el agrónomo y profesor de la Pontificia Universidad Javeriana Gerardo Moreno encontrara que un hongo restringía el proceso de envejecimiento y pudrición de la uchuva. Por esas situaciones que suceden de manera eventual en el mundo de la ciencia, conocidas como serendipias, el profesor Moreno notó que estas frutas, en contacto con unas levaduras, envejecían más lentamente que las que tenía habitualmente en su casa. Ya que la uchuva no era una fruta de alto impacto económico —como sí lo era el tomate—, y debido que los dos contaban con un alto contenido de agua en su interior y una piel o cutícula similares, resolvió tratar de entender cómo preservar tomates por mayor tiempo y en buenas condiciones. Así, un día decidió dejar en su oficina un tomate que al cabo de tres semanas ni se pudría ni perdía su color. Después de observarlo por varias semanas, resolvió abrirlo y tratar de aislar los microorganismos que se encontraban en su interior. Encontró una levadura llamada Candida guilliermondii.

Las preguntas que se hizo entonces el profesor Moreno fueron: ¿es este microorganismo el que lleva a evitar el envejecimiento y la pudrición del tomate? ¿Cuál fue la interacción de la levadura con el tomate para que este se preservara? El físico Alfonso Leyva y la estudiante de doctorado Pilar Infante buscaron la respuesta utilizando herramientas como la microscopía óptica, la microscopía de fuerza atómica y la imagenología de resonancia magnética (RMI). Para conocer cómo había ingresado la levadura en el fruto sin necesidad de ser inyectada, cortaron segmentos de tomate con piel o cutícula (ver imagen), los pusieron en una caja de Petri con medio de cultivo para hongos y colocaron una gota del hongo sobre la piel del tomate. Con el microscopio óptico tradicional observaron cómo la levadura fue colonizando el fruto, atravesó el epitelio y llegó al pericarpio de forma espontánea, sin necesidad de hacer cortes en la piel, e incluso sin causarle lesiones. La levadura continuó su viaje por los espacios intercelulares sin llegar al tejido placentario ni penetrar el interior de las células.

Tomates sin arrugas

Una vez comprobaron el ingreso del hongo en el tomate, investigaron la reacción del fruto ante la presencia del microorganismo. Para esto, rociaron de nuevo unos tomates con la solución salina que contenía la levadura, y otros, que actuaron como grupo control, con solución salina sin la levadura. Luego de 25 días de haber dejado el fruto a temperatura ambiente, se puso bajo un microscopio de fuerza atómica, aparato con el cual se puede estudiar la textura.

Después de cinco horas de haber iniciado el experimento (luego de poner el tomate en contacto con la levadura o solo con la solución salina) los científicos evidenciaron rugosidad en su superficie. Esto significaba que la piel se empezaba a ver arrugada y con vértices donde se pueden depositar los microorganismos que contribuyen con su pudrición. Sin embargo, 72 horas más tarde, en los tomates expuestos a la levadura las arrugas habían disminuido o eventualmente desaparecido, respecto al grupo control, y la cutícula se encontraba lisa y sin rugosidad.

En este punto del experimento ya se podía concluir que la levadura disminuía la característica de ‘arrugamiento’ propio de la vejez del tomate. La ausencia de espacios rugosos dificulta el depósito de microorganismos patógenos en la superficie de la fruta, con lo cual disminuyen las posibilidades de pudrición. Hacía falta entender por qué la fruta no se arrugaba. Fue por esto que los investigadores resolvieron llevar el tomate a estudios de imagenología mediante un aparato de resonancia magnética, herramienta muy utilizada en el diagnóstico de problemas en humanos, con la cual lograron visualizar su interior, sin dañar el tomate, y estudiar el comportamiento del agua dentro del fruto.

El secreto puede estar en el agua

Aprovechando la alta resolución del RMI, visualizaron el tomate completo durante los 21 días del experimento, lo que les permitió describir anatómicamente el fruto e identificar cambios en sus dimensiones, mediante dos estudios que demuestran el comportamiento del agua. Uno de ellos es el análisis de la densidad de protones, que determina las variaciones en la cantidad y en la distribución del agua en el interior del fruto. El otro es un estudio de difusión para mostrar el movimiento del líquido en su interior, en el cual observaron que el pericarpio se mantenía con un buen diámetro y sin rugosidad, con el agua uniforme y correctamente distribuida tanto en el pericarpio como en el tejido placentario y que esta se movía o difundía libremente en los espacios del tomate, aunque en menor medida en el pericarpio que en la placenta. Así, comprobaron que el tomate permanecía estable, sin arrugas y que en su interior el agua mantenía su cantidad y movilidad como en un fruto joven.

Varias son las preguntas que aún están en la mesa de la investigación: ¿qué pasa si consumimos este tomate, aunque sepamos que esta levadura no enferma al ser humano? ¿Será que, en un futuro cercano, los jabones para lavarnos la cara vendrán ya acompañados por esta Cándida o sus productos metabólicos? Y con eso podríamos decir ¡ciao al botox!

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