La biodegradación es la descomposición de la materia orgánica por microorganismos , como bacterias y hongos . [a] [2] Generalmente se supone que es un proceso natural, lo que lo diferencia del compostaje . El compostaje es un proceso impulsado por el hombre en el que la biodegradación se produce bajo un conjunto específico de circunstancias.
El proceso de biodegradación es triple: primero, un objeto sufre biodeterioro, que es el debilitamiento mecánico de su estructura; luego sigue la biofragmentación, que es la descomposición de materiales por parte de microorganismos; y finalmente la asimilación, que es la incorporación del material antiguo a células nuevas.
En la práctica, casi todos los compuestos y materiales químicos están sujetos a biodegradación, siendo el elemento clave el tiempo. Cosas como las verduras pueden degradarse en cuestión de días, mientras que el vidrio y algunos plásticos tardan muchos milenios en descomponerse. Un estándar de biodegradabilidad utilizado por la Unión Europea es que más del 90% del material original debe convertirse en CO 2 , agua y minerales mediante procesos biológicos en un plazo de 6 meses.
El proceso de biodegradación se puede dividir en tres etapas: biodeterioro, biofragmentación y asimilación . [3] El biodeterioro a veces se describe como una degradación a nivel de superficie que modifica las propiedades mecánicas, físicas y químicas del material. Esta etapa ocurre cuando el material está expuesto 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 químicos del ambiente. [3] Si bien el biodeterioro ocurre típicamente como la primera etapa de la biodegradación, en algunos casos puede ser paralelo a la biofragmentación. [4] Hueck, [5] sin embargo, definió el biodeterioro como la acción indeseable de los organismos vivos sobre los materiales del hombre, que implica cosas tales como la rotura de las fachadas de piedra de los edificios, [6] la corrosión de los metales por microorganismos o simplemente los cambios estéticos inducidos en el hombre. -Estructuras formadas por el crecimiento de los organismos vivos. [6]
La biofragmentación de un polímero es el proceso lítico en el que los enlaces dentro de un polímero se escinden, generando oligómeros y monómeros en su lugar. [3] Los pasos seguidos para fragmentar estos materiales también difieren según la presencia de oxígeno en el sistema. La descomposición de materiales por parte de microorganismos cuando hay oxígeno presente es digestión aeróbica , y la descomposición de materiales cuando no hay oxígeno presente es digestión anaeróbica . [7] 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 ). [8] 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. [7] Debido a la capacidad de la digestión anaeróbica para reducir el volumen y la masa de materiales de desecho y producir gas natural, la tecnología de digestión anaeróbica se utiliza ampliamente para sistemas de gestión de residuos y como fuente de energía local renovable. [9]
En la etapa de asimilación, los productos resultantes de la biofragmentación se integran en las células microbianas . [3] Algunos de los productos de la fragmentación se transportan fácilmente dentro de la célula mediante transportadores de membrana . Sin embargo, otros todavía tienen que sufrir reacciones de biotransformación para producir productos que luego puedan transportarse al interior de la célula. Una vez dentro de la célula, los productos ingresan a vías catabólicas que conducen a la producción de trifosfato de adenosina (ATP) o elementos de la estructura celular . [3]
En la práctica, casi todos los compuestos y materiales químicos están sujetos a procesos de biodegradación. La importancia, sin embargo, está en los ritmos relativos de dichos 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. [10] La tasa de degradación de muchos compuestos orgánicos está limitada por su biodisponibilidad , que es la velocidad a la que una sustancia se absorbe en un sistema o se hace disponible en el sitio de actividad fisiológica, [11] ya que los compuestos deben liberarse en solución antes los organismos pueden degradarlos. La tasa de biodegradación se puede medir de varias maneras. Se pueden utilizar pruebas de respirometría para microbios aeróbicos . Primero se coloca una muestra de residuos sólidos en un recipiente con microorganismos y tierra, y luego se airea la mezcla. Durante 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 son capaces de producir. [12]
Es importante tener en cuenta los factores que afectan las tasas de biodegradación durante las pruebas del producto para garantizar que los resultados obtenidos sean precisos y confiables. Se probará que varios materiales son biodegradables en condiciones óptimas en un laboratorio para su aprobación, pero es posible que estos resultados no reflejen resultados del mundo real donde los factores son más variables. [13] Por ejemplo, un material que se haya probado como biodegradante a un ritmo elevado en el laboratorio puede no degradarse a un ritmo elevado en un vertedero porque los vertederos a menudo carecen de luz, agua y actividad microbiana que son necesarias para que se produzca la degradación. [14] Por lo tanto, es muy importante que existan normas 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 biodegradarán en entornos naturales. [15] Una prueba que se ha desarrollado para este propósito es DINV 54900. [16]
El término Plásticos Biodegradables se refiere a materiales que mantienen su resistencia mecánica durante el uso práctico pero que se descomponen en compuestos de bajo peso y subproductos no tóxicos después de su uso. [18] Esta descomposición es posible mediante un ataque de microorganismos al material, que normalmente es un polímero no soluble en agua. [4] Dichos materiales pueden obtenerse mediante síntesis química, fermentación por microorganismos y a partir de productos naturales modificados químicamente. [19]
Los plásticos se biodegradan a un ritmo muy variable. Se seleccionan tuberías a base de PVC 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 al exponerse al medio ambiente. [20] Ejemplos de polímeros sintéticos que se biodegradan rápidamente incluyen la 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 de origen renovable . Otros son el acetato de celulosa y el celuloide (nitrato de celulosa) a base de celulosa.
En condiciones de poco oxígeno, los plásticos se descomponen más lentamente. El proceso de descomposición se puede acelerar en una pila de abono especialmente diseñada . Los plásticos a base de almidón se degradarán en un plazo de dos a cuatro meses en un contenedor de abono doméstico, mientras que el ácido poliláctico en gran medida no se descompone y requiere temperaturas más altas. [21] Los compuestos de policaprolactona y policaprolactona-almidón se descomponen más lentamente, pero el contenido de almidón acelera la descomposición al dejar una policaprolactona porosa y de alta superficie. Sin embargo, se necesitan muchos meses. [22]
En 2016, se descubrió que una bacteria llamada Ideonella sakaiensis biodegrada el PET . En 2020, la enzima que degrada el PET de la bacteria, PETasa , se modificó genéticamente y se combinó con MHETase para descomponer el PET más rápido y también degradar el PEF . [23] [24] [25] En 2021, los investigadores informaron que una mezcla de microorganismos del estómago de las vacas podría descomponer tres tipos de plásticos. [26] [27]
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 según su propia definición de compostable:
El término "compostaje" se utiliza a menudo de manera informal para describir la biodegradación de los materiales de embalaje. Existen definiciones legales para la compostabilidad, el proceso que conduce al compost. La Unión Europea ofrece cuatro criterios: [29] [30]
La tecnología biodegradable es una tecnología establecida con algunas aplicaciones en el envasado de productos , la producción y la medicina. [31] La principal barrera para la implementación generalizada es el equilibrio entre biodegradabilidad y 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 el CEN (la Organización Europea de Normalización) como "la degradación resultante de fenómenos oxidativos y mediados por células, ya sea simultánea o sucesivamente". Aunque a veces se describen como "oxofragmentables" y "oxodegradables", estos términos describen solo la primera fase u oxidativa y no deben usarse para materiales que se degradan mediante el proceso de oxobiodegradación definido por el CEN: la descripción correcta es " oxo-biodegradable." Las formulaciones oxo-biodegradables aceleran el proceso de biodegradación, pero se necesita considerable habilidad y experiencia para equilibrar los ingredientes dentro de las formulaciones a fin de proporcionar al producto una vida útil durante un período determinado, seguido de la degradación y la biodegradación. [32]
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. [18] El Clean Technology Group está explotando el uso de dióxido de carbono supercrítico , que bajo alta presión a temperatura ambiente es un disolvente que puede utilizar plásticos biodegradables para fabricar recubrimientos poliméricos para fármacos. El polímero (es decir, un material compuesto de moléculas con unidades estructurales repetidas que forman una cadena larga) se utiliza para encapsular un fármaco antes de su inyección en el cuerpo y se basa en ácido láctico , un compuesto que normalmente se produce en el cuerpo, y por lo tanto es capaz de ser excretado naturalmente. El recubrimiento está diseñado para una liberación controlada durante un período de tiempo, lo que reduce la cantidad 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 , ya que una vez introducidos 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 puede adaptarse para lograr las velocidades de liberación deseadas. [33]
Otras aplicaciones biomédicas incluyen el uso de polímeros con memoria de forma elásticos y biodegradables. Los materiales de implantes biodegradables ahora se pueden utilizar 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. [34]
No existe una definición universal de biodegradación y existen varias definiciones de compostaje , lo que ha generado mucha confusión entre los términos. A menudo se los agrupa; sin embargo, no tienen el mismo significado. La biodegradación es la descomposición natural de materiales por microorganismos como bacterias y hongos u otra actividad biológica. [35] El compostaje es un proceso impulsado por el hombre en el que la biodegradación se produce bajo un conjunto específico de circunstancias. [36] La diferencia predominante entre los dos es que un proceso ocurre naturalmente y el otro es impulsado por el hombre.
El material biodegradable es capaz de descomponerse sin una fuente de oxígeno (anaeróbicamente) en dióxido de carbono, agua y biomasa, pero el cronograma no está definido 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 está definido más específicamente, ya que está controlado por humanos. Básicamente, el compostaje es un proceso de biodegradación acelerado debido a circunstancias optimizadas. [37] Además, el producto final del compostaje no solo vuelve a su estado anterior, sino que también genera y añade microorganismos beneficiosos al suelo llamados humus . Esta materia orgánica se puede utilizar en jardines y granjas para ayudar a cultivar plantas más sanas en el futuro. [38] El compostaje ocurre de manera más consistente en un período de tiempo más corto, ya que es un proceso más definido y se acelera mediante la intervención humana. La biodegradación puede ocurrir en diferentes períodos de tiempo y en diferentes circunstancias, pero debe ocurrir de forma natural sin intervención humana.
Incluso dentro del compostaje, existen diferentes circunstancias bajo las cuales esto puede ocurrir. Los dos tipos principales de compostaje son el doméstico y el comercial. Ambos producen suelo sano para ser reutilizado; la principal diferencia radica en qué materiales pueden entrar en el proceso. [37] El compostaje casero se utiliza principalmente para los restos de comida y el exceso de materiales del jardín, como las malas hierbas. El compostaje comercial es capaz de descomponer productos vegetales más complejos, como plásticos a base de maíz y trozos de material más grandes, como ramas de árboles. El compostaje comercial comienza con la descomposición manual de los materiales utilizando una trituradora u otra máquina para iniciar el proceso. Debido a que el compostaje en el hogar generalmente ocurre a menor escala y no involucra maquinaria grande, estos materiales no se descompondrían completamente en el compostaje en el hogar. Además, un estudio ha comparado y contrastado el compostaje doméstico e industrial, concluyendo que ambos tienen ventajas y desventajas. [40]
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 entran en la categoría de degradación. [41] Además, este siguiente estudio analizó los efectos de biodegradación y compostaje del ácido poliláctico reticulado química y físicamente. [42] En particular, se habla de compostaje y biodegradación como dos términos distintos. El tercer y último estudio revisa la estandarización europea de material biodegradable y compostable en la industria del embalaje, utilizando nuevamente los términos por separado. [43]
La distinción entre estos términos es crucial porque la confusión en la gestión de residuos conduce a la eliminación inadecuada de los materiales por parte de las personas a diario. La tecnología de biodegradación ha dado lugar a mejoras masivas en la forma en que eliminamos los residuos; ahora existen contenedores de basura, reciclaje y compost para optimizar el proceso de eliminación. Sin embargo, si estos flujos de residuos se confunden común y frecuentemente, entonces el proceso de eliminación no está optimizado en absoluto. [44] Se han desarrollado materiales biodegradables y compostables para garantizar que una mayor cantidad de desechos humanos puedan descomponerse y volver a su estado anterior o, en el caso del compostaje, incluso agregar nutrientes al suelo. [45] Cuando un producto compostable se desecha en lugar de compostarse y enviarse 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.
La contaminación plástica procedente de vertidos ilegales plantea riesgos para la salud de la vida silvestre. Los animales a menudo confunden el plástico con comida, lo que provoca enredos intestinales. Los productos químicos de lenta degradación, 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. [46]
Estos químicos también desempeñan 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, [47] disfunción neurológica, [48] y cambios hormonales. Un ejemplo bien conocido del impacto de la biomagnificación en la salud en los últimos tiempos es la mayor exposición a niveles peligrosamente altos de mercurio en el pescado , que puede afectar las hormonas sexuales en los humanos. [49]
En los esfuerzos por remediar los daños causados por los plásticos, detergentes, metales y otros contaminantes de lenta degradación creados por los humanos, los costos económicos se han convertido en una preocupación. La basura marina en particular es particularmente difícil de cuantificar y revisar. [50] Investigadores del World Trade Institute estiman que el costo de las iniciativas de limpieza (específicamente en los ecosistemas oceánicos) ha alcanzado cerca de trece mil millones de dólares al año. [51] La principal preocupación proviene de los entornos marinos, y los mayores esfuerzos de limpieza se centran en las manchas de basura en el océano. En 2017, se encontró una mancha de basura del tamaño de México en el Océano Pacífico. Se estima que tiene un tamaño de más de un millón de millas cuadradas. Si bien el parche contiene ejemplos más obvios de basura (botellas, latas y bolsas de plástico), los microplásticos diminutos son casi imposibles de limpiar. [52] National Geographic informa que aún más materiales no biodegradables están llegando a entornos vulnerables: casi treinta y ocho millones de piezas al año. [53]
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, se altera la diversidad genética y la riqueza de especies. [54] Estos factores pueden apoyar las economías locales en materia de caza y acuicultura, que sufren en respuesta al cambio. [55] De manera similar, las comunidades costeras que dependen en gran medida del ecoturismo pierden ingresos gracias 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 una mala biodegradación son los países más pobres que no tienen medios para pagar su limpieza. [51] En un efecto de bucle de retroalimentación positiva, a su vez tienen problemas para controlar sus propias fuentes de contaminación. [56]
El primer uso conocido de biodegradable en un contexto biológico fue en 1959 cuando se empleó para describir la descomposición de material en componentes inocuos por parte de microorganismos . [57] Ahora, lo biodegradable se asocia comúnmente con productos respetuosos con el medio ambiente que forman parte de los ciclos innatos de la tierra, como el ciclo del carbono , y son capaces de descomponerse nuevamente en elementos naturales.
