Biodegradación

La biodegradación es la descomposición de la materia orgánica por parte de microorganismos, como bacterias y hongos.

Mecanismos

El proceso de biodegradación se puede dividir en tres etapas: biodeterioro, biofragmentación y asimilación. El biodeterioro se describe a veces como una degradación a nivel de la superficie que modifica las propiedades mecánicas, físicas y químicas del material. Esta etapa ocurre cuando el material se expone a factores abióticos en el ambiente exterior y permite una mayor degradación al debilitar la estructura del material. Algunos factores abióticos que influyen en estos cambios iniciales son la compresión (mecánica), la luz, la temperatura y los productos químicos del medio ambiente. Si bien el biodeterioro generalmente ocurre como la primera etapa de la biodegradación, en algunos casos puede ser paralelo a la biofragmentación. Hueck,sin embargo, definió el biodeterioro como la acción indeseable de los organismos vivos sobre los materiales del hombre, que involucra cosas tales como la ruptura de las fachadas de piedra de los edificios, la corrosión de los metales por microorganismos o simplemente los cambios estéticos inducidos en las estructuras hechas por el hombre por el crecimiento de los organismos vivos.

La biofragmentación de un polímero es el proceso lítico en el que se escinden los enlaces dentro de un polímero, generando oligómeros y monómeros en su lugar. Los pasos que se toman para fragmentar estos materiales también difieren según la presencia de oxígeno en el sistema. La descomposición de materiales por microorganismos cuando hay oxígeno presente es digestión aeróbica, y la descomposición de materiales cuando no hay oxígeno presente es digestión anaeróbica. La principal diferencia entre estos procesos es que las reacciones anaeróbicas producen metano, mientras que las reacciones aeróbicas no (sin embargo, ambas reacciones producen dióxido de carbono, agua, algún tipo de residuo y una nueva biomasa).Además, la digestión aeróbica generalmente ocurre más rápidamente que la digestión anaeróbica, mientras que la digestión anaeróbica hace un mejor trabajo al reducir el volumen y la masa del material. Debido a la capacidad de la digestión anaeróbica para reducir el volumen y la masa de los materiales de desecho y producir gas natural, la tecnología de digestión anaeróbica se usa ampliamente para los sistemas de gestión de desechos y como fuente de energía renovable local.

En la etapa de asimilación, los productos resultantes de la biofragmentación se integran luego en las células microbianas. Algunos de los productos de la fragmentación se transportan fácilmente dentro de la célula mediante transportadores de membrana. Sin embargo, otros aún deben someterse a reacciones de biotransformación para producir productos que luego puedan transportarse dentro de la célula. Una vez dentro de la célula, los productos entran en vías catabólicas que conducen a la producción de trifosfato de adenosina (ATP) o elementos de la estructura celular.

Factores que afectan la tasa de biodegradación

En la práctica, casi todos los compuestos y materiales químicos están sujetos a procesos de biodegradación. La importancia, sin embargo, está en las tasas relativas de tales procesos, como días, semanas, años o siglos. Varios factores determinan la velocidad a la que se produce esta degradación de los compuestos orgánicos. Los factores incluyen luz, agua, oxígeno y temperatura. La tasa de degradación de muchos compuestos orgánicos está limitada por su biodisponibilidad, que es la tasa a la que una sustancia se absorbe en un sistema o se vuelve disponible en el sitio de actividad fisiológica.ya que los compuestos deben liberarse en solución antes de que los organismos puedan degradarlos. La tasa de biodegradación se puede medir de varias maneras. Las pruebas de respirometría se pueden utilizar para microbios aeróbicos. Primero se coloca una muestra de desecho sólido en un recipiente con microorganismos y tierra, y luego se airea la mezcla. En el transcurso de varios días, los microorganismos digieren la muestra poco a poco y producen dióxido de carbono; la cantidad resultante de CO ₂ sirve como indicador de degradación. La biodegradabilidad también se puede medir mediante microbios anaeróbicos y la cantidad de metano o aleación que pueden producir.

Es importante tener en cuenta los factores que afectan las tasas de biodegradación durante las pruebas del producto para garantizar que los resultados producidos sean precisos y confiables. Varios materiales se probarán como biodegradables en condiciones óptimas en un laboratorio para su aprobación, pero es posible que estos resultados no reflejen los resultados del mundo real donde los factores son más variables. Por ejemplo, es posible que un material que se haya probado como biodegradable a una tasa alta en el laboratorio no se degrade a una tasa alta en un vertedero porque los vertederos a menudo carecen de luz, agua y actividad microbiana que son necesarias para que ocurra la degradación.Por lo tanto, es muy importante que existan estándares para los productos plásticos biodegradables, que tienen un gran impacto en el medio ambiente. El desarrollo y uso de métodos de prueba estándar precisos puede ayudar a garantizar que todos los plásticos que se producen y comercializan realmente se biodegraden en entornos naturales. Una prueba que se ha desarrollado para este propósito es DINV 54900.

Plástica

El término plásticos biodegradables se refiere a los materiales que mantienen su resistencia mecánica durante el uso práctico pero se descomponen en compuestos de bajo peso y subproductos no tóxicos después de su uso. Esta descomposición es posible gracias a un ataque de microorganismos en el material, que normalmente es un polímero no soluble en agua. Estos materiales se pueden obtener mediante síntesis química, fermentación por microorganismos y productos naturales modificados químicamente.

Los plásticos se biodegradan a tasas muy variables. La plomería a base de PVC se selecciona para el manejo de aguas residuales porque el PVC resiste la biodegradación. Por otra parte, se están desarrollando algunos materiales de embalaje que se degradarían fácilmente con la exposición al medio ambiente. Ejemplos de polímeros sintéticos que se biodegradan rápidamente incluyen policaprolactona, otros poliésteres y ésteres aromáticos-alifáticos, debido a que sus enlaces éster son susceptibles al ataque del agua. Un ejemplo destacado es el poli-3-hidroxibutirato, el ácido poliláctico derivado de fuentes renovables. Otros son el acetato de celulosa a base de celulosa y el celuloide (nitrato de celulosa).

En condiciones de bajo nivel de oxígeno, los plásticos se descomponen más lentamente. El proceso de descomposición se puede acelerar en un montón de compost especialmente diseñado. Los plásticos a base de almidón se degradarán en un plazo de dos a cuatro meses en un contenedor de compost doméstico, mientras que el ácido poliláctico no se descompone en gran medida, lo que requiere temperaturas más altas. Los compuestos de policaprolactona y policaprolactona-almidón se descomponen más lentamente, pero el contenido de almidón acelera la descomposición al dejar atrás una policaprolactona porosa de área superficial alta. Sin embargo, lleva muchos meses.

En 2016, se descubrió que una bacteria llamada Ideonella sakaiensis biodegradaba el PET. En 2020, la enzima degradadora de PET de la bacteria, PETase, se modificó genéticamente y se combinó con MHETase para descomponer PET más rápido y también degradar PEF. En 2021, los investigadores informaron que una mezcla de microorganismos del estómago de las vacas podría descomponer tres tipos de plásticos.

Muchos productores de plástico han llegado incluso a decir que sus plásticos son compostables y, por lo general, incluyen el almidón de maíz como ingrediente. Sin embargo, estas afirmaciones son cuestionables porque la industria del plástico opera bajo su propia definición de compostable:"aquello que es capaz de sufrir descomposición biológica en un sitio de compostaje de tal manera que el material no se distingue visualmente y se descompone en dióxido de carbono, agua, compuestos inorgánicos y biomasa a un ritmo consistente con los materiales compostables conocidos". (Referencia: ASTM D 6002)

El término "compostaje" a menudo se usa informalmente para describir la biodegradación de los materiales de empaque. Existen definiciones legales para la compostabilidad, el proceso que conduce al compost. La Unión Europea ofrece cuatro criterios:

1. Composición química: deben limitarse las materias volátiles y los metales pesados, así como el flúor.
2. Biodegradabilidad: la conversión de >90% del material original en CO ₂, agua y minerales mediante procesos biológicos en un plazo de 6 meses.
3. Disgregabilidad: al menos el 90% de la masa original debe descomponerse en partículas que puedan pasar a través de un tamiz de 2x2 mm.
4. Calidad: ausencia de sustancias tóxicas y otras sustancias que impidan el compostaje.

Tecnología biodegradable

La tecnología biodegradable es una tecnología establecida con algunas aplicaciones en el envasado, la producción y la medicina de productos. La principal barrera para la implementación generalizada es el equilibrio entre la biodegradabilidad y el rendimiento. Por ejemplo, los plásticos a base de lactida tienen propiedades de embalaje inferiores en comparación con los materiales tradicionales.

La oxobiodegradación es definida por CEN (la Organización Europea de Normalización) como "la degradación resultante de fenómenos oxidativos y mediados por células, ya sea simultánea o sucesivamente". Si bien a veces se describen como "oxo-fragmentable" y "oxo-degradable", estos términos describen solo la primera fase u oxidativa y no deben usarse para materiales que se degradan mediante el proceso de oxo-biodegradación definido por CEN: la descripción correcta es " oxo-biodegradable". Las formulaciones oxo-biodegradables aceleran el proceso de biodegradación, pero se requiere una habilidad y experiencia considerables para equilibrar los ingredientes dentro de las formulaciones para proporcionar al producto una vida útil durante un período determinado, seguido de degradación y biodegradación.

La tecnología biodegradable es especialmente utilizada por la comunidad biomédica. Los polímeros biodegradables se clasifican en tres grupos: médicos, ecológicos y de doble aplicación, mientras que en cuanto a su origen se dividen en dos grupos: naturales y sintéticos.El Grupo de Tecnología Limpia está explotando el uso de dióxido de carbono supercrítico, que bajo alta presión a temperatura ambiente es un solvente que puede usar plásticos biodegradables para fabricar recubrimientos poliméricos para medicamentos. El polímero (es decir, un material compuesto de moléculas con unidades estructurales repetitivas que forman una cadena larga) se usa para encapsular un fármaco antes de inyectarlo en el cuerpo y se basa en ácido láctico, un compuesto que normalmente se produce en el cuerpo, y por lo tanto puede para ser excretado naturalmente. El recubrimiento está diseñado para una liberación controlada durante un período de tiempo, lo que reduce el número de inyecciones necesarias y maximiza el beneficio terapéutico. El profesor Steve Howdle afirma que los polímeros biodegradables son particularmente atractivos para su uso en la administración de fármacos, una vez que se introducen en el cuerpo, no requieren recuperación ni manipulación adicional y se degradan en subproductos solubles y no tóxicos. Diferentes polímeros se degradan a diferentes velocidades dentro del cuerpo y, por lo tanto, la selección de polímeros se puede adaptar para lograr las velocidades de liberación deseadas.

Otras aplicaciones biomédicas incluyen el uso de polímeros con memoria de forma elásticos y biodegradables. Los materiales de implante biodegradables ahora se pueden usar para procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos a través de polímeros termoplásticos degradables. Estos polímeros ahora pueden cambiar su forma con el aumento de la temperatura, lo que genera capacidades de memoria de forma y suturas fácilmente degradables. Como resultado, los implantes ahora pueden pasar a través de pequeñas incisiones, los médicos pueden realizar fácilmente deformaciones complejas y las suturas y otros materiales auxiliares pueden biodegradarse naturalmente después de una cirugía completa.

Biodegradación versus compostaje

No existe una definición universal para la biodegradación y existen varias definiciones de compostaje, lo que ha generado mucha confusión entre los términos. A menudo se agrupan juntos; sin embargo, no tienen el mismo significado. La biodegradación es la descomposición natural de los materiales por parte de microorganismos tales como bacterias y hongos u otra actividad biológica. El compostaje es un proceso impulsado por humanos en el que la biodegradación se produce en un conjunto específico de circunstancias. La diferencia predominante entre los dos es que un proceso ocurre naturalmente y el otro es impulsado por humanos.

El material biodegradable es capaz de descomponerse sin una fuente de oxígeno (anaeróbicamente) en dióxido de carbono, agua y biomasa, pero la línea de tiempo no está definida de manera muy específica. De manera similar, el material compostable se descompone en dióxido de carbono, agua y biomasa; sin embargo, el material compostable también se descompone en compuestos inorgánicos. El proceso de compostaje se define más específicamente, ya que está controlado por humanos. Esencialmente, el compostaje es un proceso de biodegradación acelerado debido a circunstancias optimizadas. Además, el producto final del compostaje no solo vuelve a su estado anterior, sino que también genera y agrega microorganismos benéficos al suelo llamados humus. Esta materia orgánica se puede utilizar en jardines y granjas para ayudar a cultivar plantas más sanas en el futuro.El compostaje ocurre de manera más consistente dentro de un marco de tiempo más corto, ya que es un proceso más definido y es acelerado por la intervención humana. La biodegradación puede ocurrir en diferentes marcos de tiempo bajo diferentes circunstancias, pero está destinada a ocurrir naturalmente sin intervención humana.

Incluso dentro del compostaje, existen diferentes circunstancias bajo las cuales esto puede ocurrir. Los dos tipos principales de compostaje son el casero y el comercial. Ambos producen suelo saludable para ser reutilizado; la principal diferencia radica en qué materiales pueden entrar en el proceso.El compostaje en el hogar se utiliza principalmente para los restos de comida y el exceso de materiales de jardín, como las malas hierbas. El compostaje comercial es capaz de descomponer productos de origen vegetal más complejos, como plásticos a base de maíz y piezas de material más grandes, como ramas de árboles. El compostaje comercial comienza con una descomposición manual de los materiales utilizando un molinillo u otra máquina para iniciar el proceso. Debido a que el compostaje en el hogar generalmente ocurre en una escala más pequeña y no involucra maquinaria grande, estos materiales no se descompondrían por completo en el compostaje en el hogar. Además, un estudio ha comparado y contrastado el compostaje doméstico e industrial, concluyendo que existen ventajas y desventajas para ambos.

Los siguientes estudios proporcionan ejemplos en los que el compostaje se ha definido como un subconjunto de la biodegradación en un contexto científico. El primer estudio, "Evaluación de la biodegradabilidad de los plásticos en condiciones de compostaje simuladas en un entorno de prueba de laboratorio", examina claramente el compostaje como un conjunto de circunstancias que se incluyen en la categoría de degradación. Además, este próximo estudio analizó los efectos de biodegradación y compostaje del ácido poliláctico entrecruzado química y físicamente. En particular, discutir el compostaje y la biodegradación como dos términos distintos. El tercer y último estudio revisa la estandarización europea de material biodegradable y compostable en la industria del embalaje, nuevamente utilizando los términos por separado.

La distinción entre estos términos es crucial porque la confusión en la gestión de residuos conduce a la eliminación inadecuada de materiales por parte de las personas a diario. La tecnología de biodegradación ha llevado a mejoras masivas en la forma en que eliminamos los desechos; ahora existen contenedores de basura, reciclaje y compost para optimizar el proceso de eliminación. Sin embargo, si estos flujos de desechos se confunden común y frecuentemente, entonces el proceso de eliminación no se optimiza en absoluto. Se han desarrollado materiales biodegradables y compostables para garantizar que más desechos humanos puedan descomponerse y volver a su estado anterior o, en el caso del compostaje, incluso agregar nutrientes al suelo.Cuando un producto compostable se desecha en lugar de convertirlo en compost y enviarlo a un vertedero, estos inventos y esfuerzos se desperdician. Por lo tanto, es importante que los ciudadanos comprendan la diferencia entre estos términos para que los materiales puedan eliminarse de manera adecuada y eficiente.

Efectos ambientales y sociales

La contaminación plástica de los vertidos ilegales plantea riesgos para la salud de la vida silvestre. Los animales a menudo confunden los plásticos con alimentos, lo que provoca enredos intestinales. Los productos químicos de degradación lenta, como los bifenilos policlorados (PCB), el nonilfenol (NP) y los pesticidas que también se encuentran en los plásticos, pueden liberarse en el medio ambiente y, posteriormente, también ser ingeridos por la vida silvestre.

Estos químicos también juegan un papel en la salud humana, ya que el consumo de alimentos contaminados (en procesos llamados biomagnificación y bioacumulación) se ha relacionado con problemas como cánceres, disfunción neurológica y cambios hormonales. Un ejemplo bien conocido de biomagnificación que afecta la salud en los últimos tiempos es la mayor exposición a niveles peligrosamente altos de mercurio en los peces, que pueden afectar las hormonas sexuales en los humanos.

En los esfuerzos por remediar los daños causados ​​por plásticos, detergentes, metales y otros contaminantes de degradación lenta creados por humanos, los costos económicos se han convertido en una preocupación. La basura marina en particular es notablemente difícil de cuantificar y revisar. Investigadores del World Trade Institute estiman que el costo de las iniciativas de limpieza (específicamente en los ecosistemas oceánicos) ha llegado a cerca de trece mil millones de dólares al año. La principal preocupación proviene de los ambientes marinos, con los mayores esfuerzos de limpieza centrados en los parches de basura en el océano. En 2017, se encontró en el Océano Pacífico una mancha de basura del tamaño de México. Se estima que tiene más de un millón de millas cuadradas de tamaño. Si bien el parche contiene ejemplos más obvios de basura (botellas, latas y bolsas de plástico), los pequeños microplásticos son casi imposibles de limpiar. National Geographic informa que aún más materiales no biodegradables están llegando a entornos vulnerables: casi treinta y ocho millones de piezas al año.

Los materiales que no se han degradado también pueden servir como refugio para especies invasoras, como gusanos tubulares y percebes. Cuando el ecosistema cambia en respuesta a las especies invasoras, las especies residentes y el equilibrio natural de los recursos, la diversidad genética y la riqueza de especies se alteran. Estos factores pueden apoyar las economías locales en forma de caza y acuicultura, que sufren en respuesta al cambio. Del mismo modo, las comunidades costeras que dependen en gran medida del ecoturismo pierden ingresos debido a la acumulación de contaminación, ya que sus playas o costas ya no son deseables para los viajeros. El World Trade Institute también señala que las comunidades que a menudo sienten la mayoría de los efectos de la mala biodegradación son países más pobres sin los medios para pagar su limpieza.En un efecto de circuito de retroalimentación positiva, a su vez tienen problemas para controlar sus propias fuentes de contaminación.

Etimología de "biodegradable"

El primer uso conocido de biodegradable en un contexto biológico fue en 1959 cuando se empleó para describir la descomposición del material en componentes inocuos por parte de microorganismos. Ahora, biodegradable se asocia comúnmente con productos ecológicos que forman parte de los ciclos innatos de la tierra, como el ciclo del carbono, y que son capaces de descomponerse en elementos naturales.