14.10.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Seguimiento preciso de la biodegradación del plástico

Investigadores han desarrollado un método para registrar con precisión y hacer un seguimiento completo de la biodegradación de los plásticos en los suelos

La agricultura moderna utiliza mucho plástico, especialmente en forma de película de acolchado que los agricultores utilizan para cubrir los suelos de los campos. Esto mantiene los suelos húmedos para los cultivos, suprime las malas hierbas y promueve el crecimiento de los cultivos.

Sin embargo, a los agricultores les suele costar mucho tiempo y dinero recoger y eliminar la película de polietileno (PE) convencional después de su uso. Además, no es posible volver a recoger todas las láminas finas de PE, ya que se rompen con facilidad. Esto significa que los trozos de PE permanecen en el suelo y se acumulan allí, porque el PE no se degrada.

La película de acolchado biodegradable es una alternativa prometedora, ya que, a diferencia de la película de PE, lo ideal es que no deje ningún componente polimérico en el entorno del suelo. Los polímeros biodegradables que contiene están diseñados deliberadamente para que los microorganismos puedan utilizarlos para generar energía y construir biomasa celular. Los polímeros biodegradables tienen "puntos de ruptura" químicos previstos en su estructura vertebral. Los microorganismos naturales, como los del suelo, pueden liberar enzimas en su entorno que atacan estos puntos de los polímeros y los descomponen. Los pequeños productos de degradación liberados son absorbidos por los microbios y, en última instancia, respirados para formar el producto final, el CO2.

Por eso, probar la formación de CO2 a partir del carbono de los polímeros es crucial para la biodegradación. También porque además de los plásticos verdaderamente biodegradables, existen los falsamente etiquetados a base de PE que contienen aditivos específicos. Estas láminas sólo se descomponen en microplásticos muy pequeños que ya no son visibles a simple vista. Y como no son degradados por los microorganismos, se acumulan en el medio ambiente.

El nuevo enfoque capta todos los aspectos de la biodegradación

Hasta ahora, los métodos existentes no permitían seguir el proceso de biodegradación de los polímeros en su totalidad. Pero en los últimos años, el Grupo de Química Ambiental de la ETH de Zúrich ha desarrollado un nuevo enfoque para seguir y medir si un polímero se biodegrada en un suelo y en qué grado. Sus hallazgos acaban de publicarse en Nature Communications.

Estos resultados podrían cambiar la forma de estudiar la biodegradación de los polímeros en el futuro. En el proyecto participaron también investigadores del departamento de Ciencias de la Tierra de la ETH y de Eawag, además de empleados de la empresa química BASF.

Este nuevo enfoque se basa en el uso de polímeros marcados con isótopos estables de carbono(13C). Este etiquetado permite a los investigadores realizar un seguimiento selectivo del 13Cdel polímero durante su biodegradación en el suelo, por lo que pueden demostrar de forma inequívoca que efectivamente se está produciendo la biodegradación. Hasta ahora, la biodegradabilidad de los plásticos sólo se había probado con polímeros no marcados isotópicamente. Un polímero (o un material plástico compuesto por uno o más polímeros) se certifica como biodegradable si la fracción de carbono del polímero añadido que se convierte en CO2 supera un nivel predefinido durante un periodo de incubación específico. La norma para las películas de mantillo biodegradables, por ejemplo, exige incubaciones en el suelo de dos años en las que al menos el 90% del carbono de la película de mantillo se "mineraliza" en CO2.

Estos métodos de prueba están bien establecidos como un medio adecuado para detectar la mineralización del polímero. Sin embargo, no captan todo el alcance de la biodegradación, ya que sólo miden la formación de CO2. En consecuencia, los investigadores que utilizan los métodos estándar actuales no han podido detectar la cantidad de carbono polimérico que queda en el suelo al final de un período de incubación. Además, no estaba claro si este carbono restante estaba presente todavía en forma de polímero añadido o si los microorganismos ya lo habían incorporado a su biomasa.

Balances de masas de carbono cerrados

El enfoque desarrollado por los investigadores de la ETH y sus colegas elimina estas ambigüedades. En sus pruebas, utilizaron succinato de polibutileno marcado con 13C, o PBS, un poliéster biodegradable de gran importancia comercial que también se utiliza en las películas de mantillo.

Los investigadores pudieron realizar un seguimiento selectivo del 13C en el PBS durante la biodegradación: además de determinar la mineralización a 13CO2, los autores demostraron balances de masas completos para el carbono del PBS cuantificando la cantidad residual de 13Cderivado del PBS que permanecía en el suelo tras la incubación.

"Fue gratificante para nosotros ver balances de masa de carbono cerrados durante los 425 días de incubación del suelo. Esto demostró que podemos determinar con precisión dónde acaba el carbono del polímero -aproximadamente dos tercios en el CO2 y un tercio en el suelo- durante estos periodos de incubación tan largos", explica el autor principal del estudio, Taylor Nelson, que se doctoró en el Grupo de Química Ambiental.

Los investigadores también querían saber en qué forma permanecía en el suelo el carbono añadido como PBS. ¿Cuánto se incorporó a la biomasa microbiana y cuánto siguió presente como PBS residual?

Para responder a esta pregunta, los autores extrajeron y cuantificaron el PBS residual del suelo al final de las incubaciones. Pudieron demostrar que, aunque la mayor parte del carbono seguía presente como PBS, una cantidad significativa -el 7%- del carbono PBS añadido se había incorporado a la biomasa microbiana.

La capacidad de determinar exactamente cuánto polímero queda y cuánto carbono polimérico se ha incorporado a la biomasa es esencial para futuros estudios y para el desarrollo de nuevos polímeros biodegradables. "Ahora podemos comprobar sistemáticamente las condiciones del suelo y las propiedades del polímero que permiten la biodegradación completa de los polímeros en CO2 y en biomasa microbiana, y podemos evaluar los factores que pueden ralentizar la biodegradación del polímero con el tiempo", explica Michael Sander, profesor del Grupo de Química Ambiental de la ETH.

Este trabajo ya está en marcha: utilizando el nuevo enfoque, el grupo está investigando actualmente la biodegradación de otros polímeros en diversos suelos agrícolas, incluso en el campo. "De este modo, queremos garantizar que los polímeros biodegradables hagan honor a su nombre y no se queden en el medio ambiente", afirma Kristopher McNeill, catedrático de Química Medioambiental de la ETH de Zúrich y director de un subgrupo de investigación homónimo.

"Sustituir los polímeros convencionales por otros biodegradables puede ayudar a reducir la contaminación por plásticos, sobre todo en las aplicaciones en las que los polímeros se utilizan directamente en el medio ambiente, de modo que hay una alta probabilidad de que los polímeros permanezcan allí después de su uso", señala Sander.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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