CEVISAMA 2014 - E

PHB: ¿Sustituto del plástico? XXV Congreso CUAM-ACMor Integrantes: Itzel Cervantes, Karen Colín, Priscilla Franco, Lumy Muñoz y Andrea Peña. Escuela: Centro Universitario Anglo Mexicano de Morelos. Asesores: M.E. Alma Irma Ayala, Dr. Edmundo Calva, Dr. Carlos Peña y Dr. Daniel Segura. Área: Ciencias Ambientales Introducción: Los productos plásticos tienen cualidades muy versátiles, entre las que destacan su durabilidad y resistencia, por lo que tienen un amplio uso en la manufactura de una gran variedad de productos, los cuales resultan imprescindibles para el estilo de vida actual. El consumo anual de este tipo de materiales se ha incrementado de 5 millones de toneladas a cerca de 200 (1) millones de toneladas al año en el 2013 . La mayoría de los plásticos (debido a sus características como material sintético) no representan un riesgo tóxico para el ambiente; pero su mayor problema radica en que no pueden ser degradados por el entorno y eso ha provocado la acumulación de una cantidad considerable de desechos a lo largo de los años. En vista de esta situación, la síntesis y uso de plásticos biodegradables en lugar de los derivados del petróleo, se presenta como una alternativa viable para enfrentar esta problemática. Actualmente ya existe la opción de utilizar bioplásticos producidos por fermentación, cuyo objetivo es una rápida desintegración, a diferencia de lo que sucede con los (1) plásticos sintéticos . Una de estas alternativas que se proponen en investigaciones actuales es el uso del polihidroxibutirato (PHB); un polímero presente en el interior de algunas bacterias y que es usado como fuente de reserva y energía. El PHB presenta propiedades mecánicas similares a los plásticos derivados del petróleo, con la ventaja de ser biodegradable, biocompatible y producirse a partir de fuentes renovables. Es un polímero producido por diversas bacterias, entre ellas Azotobacter vinelandii, la cual puede almacenar hasta un 80 % de su peso en PHB. Desde el punto de vista de su aplicación, una de las Azotobacter vinelandii principales interrogantes que surgen es el conocer el proceso de con gránulos de PHB degradación del PHB bajo diferentes condiciones ambientales. Por tal razón en el presente trabajo se evaluará la velocidad de degradación del PHB bajo diferentes ambientes naturales, teniendo como objetivo encontrar dentro de estos, el ambiente propicio para la mineralización de dicho polímero. Antecedentes: La biodegradación, es un proceso natural de digestión, asimilación y metabolismo de un compuesto orgánico por la acción de agentes biológicos, como plantas, animales, microorganismos y hongos. Esto sucede bajo condiciones ambientales naturales, como el sol o (2). la lluvia. Las sustancias se descomponen en los elementos químicos que las conforman Es un proceso valioso, no sólo por permitir la eliminación de compuestos nocivos, impidiendo su alta concentración, sino que además es indispensable para el reciclaje de los elementos en la biosfera, permitiendo la restitución de elementos esenciales en la formación y crecimiento de los organismos (carbohidratos, lípidos, proteínas). La velocidad de biodegradación de un producto depende de varios factores: la estabilidad que presentan las moléculas que lo conforman en el medio en el que se encuentra, el tipo y cantidad de los agentes biológicos que participan en la degradación, etc. Es por ello que la (2) estimación del período de desintegración de un material puede variar notablemente . Entre los ambientes actualmente utilizados para la degradación de residuos sólidos se encuentran los rellenos sanitarios y los tiraderos a cielo abierto. La degradación se da por los microorganismos que encontramos en la tierra, así como por las condiciones de temperatura y humedad que prevalecen en el suelo y subsuelo.

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Entre los bioplásticos bacterianos de mayor uso y potencial está el PHB. Este tipo de polímeros pertenece a la familia de los polialcanoatos y tienen un amplio campo de aplicaciones. Como ejemplo de aplicaciones podemos mencionar el uso del PHB como soporte para el crecimiento de células epiteliales, como recubrimiento de semillas para mejorar la germinación y (1). actualmente se utiliza para la elaboración de envases plásticos Estos polímeros para su degradación normalmente requieren la presencia de enzimas, llamadas depolimerasas y pueden degradarse en una gran variedad de sistemas. Existen diversos estudios en la literatura relacionados con la degradación del PHB bajo diferentes condiciones ambientales. Entre ellos se encuentra el proyecto realizado por profesores de la Universidad de Regensburg, Alemania en el cual se experimentó con un polímero 3 comercialmente producido llamado BIOPOL® el cuál es un copolímero del PHB( ). En este estudio se evaluó la degradación de pequeñas tiras de botellas de shampoo hechas con PHB en 11 ambientes diferentes durante un año. La degradación se evaluó registrando la pérdida de peso del PHB depositado en pequeñas bolsas de un plástico sintético (cloruro de polivinil). Los resultados demuestran que de los diferentes ambientes utilizados, en el que la degradación fue más rápida y total fue en composta a 22°C. En esta condición, se alcanzó una degradación del 100 % después de 10 semanas de incubación. Mientras que, en donde la degradación fue menor fue cuando el material fue depositado en suelo forestal, en el cual llegó a una 3 degradación de solo 11% después de un año ( ). Objetivos: General: • Evaluar la degradación del polihidroxibutirato (PHB) bajo diferentes condiciones ambientales. Específicos: •

Producir el polímero PHB por vía bacteriana utilizando una cepa de Azotobacter vinelandii.

•

Analizar el tiempo de degradación de este polímero bajo diferentes ambientes naturales

•

Dar a conocer una alternativa de plásticos degradables que actualmente ya son utilizados.

Hipótesis: Debido a que los organismos son los responsables de la degradación de los compuestos, el ambiente en el que se degradará de manera más rápida el PHB será en la composta doméstica ya que contiene el mayor número de microorganismos. Metodología: En la primera etapa del estudio se produjo por vía bacteriana el PHB. Para esto, se cultivaron células de A. vinelandii en un litro de medio PY, el cual contiene: sacarosa (20 g), extracto de levadura (3 g) y peptona (5 g). El cultivo se realizó en matraces agitados a 200 rpm (revoluciones por minuto) a una temperatura de 29ºC. Al término de la incubación, se extrajo el PHB mediante el uso de cloroformo y se formaron películas mediante la colocación de la suspensión del PHB en cajas Petri y evaporación del cloroformo. En la segunda etapa, se colocaron pequeños cuadros de película de PHB en bolsas de material sintético (100 % nylon) y se pesaron en una balanza analítica tanto las bolsas sin el polímero como con el polímero. Se prepararon 21 bolsas con el mismo peso de PHB (50 mg). Posteriormente, se depositaron las bolsas con PHB en diferentes ambientes, los cuales fueron: composta de cocina, composta de jardín y tierra de otro jardín, cada ambiente se encontraba en macetas de barro. Para cada ambiente se colocaron 3 bolsas con PHB del mismo peso. Paralelamente, se utilizó un matraz con enzimas depolimerasas de PHB como control positivo y como control negativo, se incubaron las bolsas con PHB en ambientes con los mismos sustratos, pero previamente esterilizados. Las bolsas con el PHB se dejaron durante 10 semanas en los ambientes ya mencionados. Cada tres semanas se retiraron y pesaron las bolsas en la balanza analítica para, por diferencia de peso, evaluar el grado de degradación de PHB. La tasa de degradación se determinó dividiendo el peso inicial menos el peso final sobre el tiempo, usando la siguiente ecuación: Tasa de degradación (mg/día) = Peso inicial del PHB (mg) -Peso final del PHB (mg)

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Tiempo transcurrido (días) Finalmente con los resultados se realizaron gráficas para observar el comportamiento de degradación del polímero para poder concluir en qué ambiente hubo una degradación más rápida. Resultados preliminares: Después de 60 h de incubación la bacteria alcanzó un alto crecimiento (3 g/L) y produjo alrededor de 2.4 g/L de polímero. Durante la extracción se obtuvo cerca de 1.4 g/L de PHB (60 % de rendimiento), cantidad suficiente para preparar las películas de bioplástico. Se pesaron 50 mg de PHB, se prepararon las películas y se colocaron en las bolsas de nylon bajos las diferentes condiciones señaladas en la metodología. En la Tabla 1 se presentan los resultados obtenidos después de 33 días de incubación. De los diferentes sistemas experimentales, es en la composta de jardín en donde la tasa de degradación fue mayor, con un valor promedio de 0.18 mg de PHB/día. En contraste, tanto en la composta de jardín, como en la tierra de otro jardín no se observó una degradación significativa del PHB. De hecho en la composta de otro jardín se obtuvo un valor negativo, probablemente debido a que cuando se pesaron las bolsitas, se observó que hay factores como la humedad y la tierra acumulada en las bolsitas, que pudieron alterar los resultados. Algo interesante observado, es que en el control estéril de la composta de cocina, la tasa de degradación fue más alta (0.45 mg PHB/día) que la observada en el sistema no-esteríl. Lo anterior no se esperaba y pudiera ser debido a que este sistema no se encontraba estéril y las condiciones de humedad favorecieron el desarrollo de hongos filamentosos en la superficie de la composta, los cuales llevaron a cabo una degradación más activa del PHB. Los resultados anteriores nos permiten concluir que fue en la composta doméstica, incluyendo el control “esteril” donde se alcanzó una mayor tasa de degradación y que los hongos filamentosos observados en el sistema control “esteril”, parecen favoerecer la degradación de PHB. Tabla 1. Tasa de degradacion del PHB bacteriano bajo diferentes sistemas ambientales

Peso  Inicial     (mg)  

Peso  33  días    (mg)  

Diferencia  Total     (mg)  

Composta  de  Jardín  

51  

51  

0  

Tasa  de   degradación   (mg/día)   NC  

Composta  de  cocina  

50  

44  

6  

0.18  

Tierra  de  otro  jardín  

50  

58  

-­‐8  

NC  

Controles   Composta  de  Jardín   estéril   Composta  de  cocina   estéril     Tierra  de  otro  jardín   estéril  

 

 

 

 

50  

51  

-­‐1  

50  

35  

15  

50  

56  

-­‐6  

Ambiente  

NC   0.45   NC  

NC: No hubo cambio significativo

Bibliografía •

(1)González García Yolanda, Meza Contreras Juan Carlos, González Reynoso Orfil y Córdova López Jesús Antonio, Síntesis y biodegradación de polihidroxialcanoatos: plásticos de origen microbiano. Revista Internacional de Contaminación Ambiental, (2013) 29: 77-115.

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(2)Aamer Ali Shah, Fariha Hasan, Abdul Hameed, Safia Ahmed, Biological degradation of plastics: A comprehensive review. Biotechnology Advances (2008) 26:246–265.

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(3) Milan Matavulj, Novi Sad and Hans Peter Molitoris, Regensburg, Biodegradation of polyhydroxyalkanoate-based plastic (BIOPOL) under different environmental conditions. Hoppea, Denkschr. Regensb. Bot. Ges. Bresinsky-Festschrift (2000) 61: 735-749.

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