La biodegradación es la descomposición de la materia orgánica por microorganismos , como bacterias y hongos . [a] [2] Generalmente se asume 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 ocurre bajo un conjunto específico de circunstancias.
El proceso de biodegradación es triple: primero un objeto sufre un biodeterioro, que es el debilitamiento mecánico de su estructura; luego sigue la biofragmentación, que es la descomposición de materiales por microorganismos; y finalmente la asimilación, que es la incorporación del material viejo a nuevas células.
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 CO2 , agua y minerales mediante procesos biológicos en un plazo de seis 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 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 en el medio 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 involucra cosas como la descomposición de las fachadas de piedra de los edificios, [6] la corrosión de los metales por microorganismos o simplemente los cambios estéticos inducidos en las estructuras hechas por el hombre por el crecimiento de organismos vivos. [6]
La biofragmentación de un polímero es el proceso lítico en el que se rompen los enlaces dentro de un polímero, generando oligómeros y monómeros en su lugar. [3] 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 se denomina digestión aeróbica , y la descomposición de materiales cuando no hay oxígeno presente se denomina digestión anaeróbica . [7] La principal diferencia entre estos procesos es que las reacciones anaeróbicas producen metano , mientras que las 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 los materiales de desecho y producir gas natural, la tecnología de digestión anaeróbica se usa ampliamente para sistemas de gestión de desechos y como fuente de energía local y 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 aún tienen que sufrir reacciones de biotransformación para producir productos que luego puedan transportarse dentro 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. Sin embargo, la importancia está en las velocidades relativas de tales procesos, como días, semanas, años o siglos. Una serie de factores determinan la velocidad a la que se produce esta degradación de compuestos orgánicos. Los factores incluyen la luz , el agua , el oxígeno y la 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 vuelve disponible en el sitio de actividad fisiológica, [11] 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 desechos sólidos 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 son capaces de producir. [12]
Es importante tener en cuenta los factores que afectan a las tasas de biodegradación durante las pruebas de productos para garantizar que los resultados obtenidos sean precisos y fiables. Varios materiales se comprobarán como biodegradables en condiciones óptimas en un laboratorio para su aprobación, pero estos resultados pueden no reflejar los resultados del mundo real, donde los factores son más variables. [13] Por ejemplo, un material que se haya comprobado como biodegradable a una tasa elevada en el laboratorio puede no degradarse a una tasa elevada en un vertedero, porque los vertederos suelen carecer de luz, agua y actividad microbiana que son necesarias para que se produzca la degradación. [14] Por 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 pueden ayudar a garantizar que todos los plásticos que se producen y comercializan se biodegraden realmente en entornos naturales. [15] Una prueba que se ha desarrollado para este fin es la DINV 54900. [16]
El término plásticos biodegradables se refiere a materiales que mantienen su resistencia mecánica durante su uso práctico pero se descomponen en compuestos de bajo peso y subproductos no tóxicos después de su uso. [18] Esta descomposición es posible gracias al ataque de microorganismos al material, que normalmente es un polímero no soluble en agua. [4] Estos materiales se pueden obtener mediante síntesis química, fermentación por microorganismos y a partir de productos naturales modificados químicamente. [19]
Los plásticos se biodegradan a velocidades muy variables. Se eligen tuberías a base de PVC para el manejo de aguas residuales porque el PVC resiste la biodegradación. Por otro lado, se están desarrollando algunos materiales de embalaje que se degradarían fácilmente al exponerse al medio ambiente. [20] Entre los ejemplos de polímeros sintéticos que se biodegradan rápidamente se 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 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 prácticamente no se descompone, por lo que requiere temperaturas más altas. [21] La policaprolactona y los compuestos de policaprolactona y almidón se descomponen más lentamente, pero el contenido de almidón acelera la descomposición al dejar una policaprolactona porosa de gran superficie. Sin embargo, lleva muchos meses. [22]
En 2016, se descubrió que una bacteria llamada Ideonella sakaiensis biodegradaba el PET . En 2020, la enzima degradante de PET de la bacteria, PETase , 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 normalmente incluyen almidón de maíz como ingrediente. Sin embargo, estas afirmaciones son cuestionables porque la industria del plástico opera con 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 de compostabilidad, el proceso que conduce al compostaje. 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 su implementación generalizada es el equilibrio entre biodegradabilidad y rendimiento. Por ejemplo, los plásticos basados en lactida tienen propiedades de envasado inferiores en comparación con los materiales tradicionales.
La oxobiodegradación se define por el CEN (la Organización Europea de Normalización) como "la degradación resultante de fenómenos oxidativos y mediados por células, ya sea de forma simultánea o sucesiva". Aunque a veces se describen como "oxofragmentable" y "oxodegradable", estos términos describen únicamente la primera fase, la fase oxidativa, y no deben utilizarse para materiales que se degradan mediante el proceso de oxobiodegradación definido por el CEN: la descripción correcta es "oxobiodegradable". Las formulaciones oxobiodegradables aceleran el proceso de biodegradación, pero se necesitan considerables habilidades y experiencia para equilibrar los ingredientes dentro de las formulaciones de modo 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 aplicación dual, mientras que en términos de 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 hacer recubrimientos de fármacos de polímero. 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 la inyección en el cuerpo y se basa en ácido láctico , un compuesto que normalmente se produce en el cuerpo y, por lo tanto, puede excretarse de forma natural. 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 , ya que una vez introducidos en el cuerpo no requieren recuperación ni manipulación adicional y se degradan en subproductos solubles y no tóxicos. Los distintos polímeros se degradan a diferentes velocidades dentro del cuerpo y, por lo tanto, la selección de polímeros se puede adaptar para lograr las tasas de liberación deseadas. [33]
Otras aplicaciones biomédicas incluyen el uso de polímeros biodegradables y elásticos con memoria de forma. Los materiales biodegradables para implantes ahora se pueden utilizar para procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos mediante polímeros termoplásticos degradables. Estos polímeros ahora pueden cambiar su forma con el aumento de temperatura, lo que genera capacidades de memoria de forma, así como 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 de forma natural después de una cirugía completa. [34]
No existe una definición universal de biodegradación y existen varias definiciones de compostaje , lo que ha provocado 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 ocurre bajo un conjunto específico de circunstancias. [36] La diferencia predominante entre los dos es que un proceso ocurre de forma natural 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 muy específicamente definido. 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 los humanos. Esencialmente, el compostaje es un proceso de biodegradación acelerado debido a circunstancias optimizadas. [37] Además, el producto final del compostaje no solo regresa a su estado anterior, sino que también genera y agrega microorganismos beneficiosos al suelo llamados humus . Esta materia orgánica se puede usar en jardines y granjas para ayudar a cultivar plantas más saludables 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 con la intervención humana. La biodegradación puede ocurrir en diferentes períodos de tiempo bajo diferentes circunstancias, pero está destinada a ocurrir naturalmente sin intervención humana.
Incluso en el caso del compostaje, existen diferentes circunstancias en las que esto puede ocurrir. Los dos tipos principales de compostaje son el casero y el comercial. Ambos producen tierra sana que se puede reutilizar; la principal diferencia radica en los materiales que se pueden utilizar en el proceso. [37] El compostaje casero se utiliza principalmente para restos de comida y materiales sobrantes del jardín, como las malas hierbas. El compostaje comercial es capaz de descomponer productos vegetales 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 una trituradora u otra máquina para iniciar el proceso. Debido a que el compostaje casero suele realizarse a menor escala y no implica maquinaria grande, estos materiales no se descompondrían por completo en el compostaje casero. Además, un estudio ha comparado y contrastado el compostaje casero 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 simuladas de compostaje en un entorno de prueba de laboratorio", examina claramente el compostaje como un conjunto de circunstancias que se incluyen en la categoría de degradación. [41] Además, este próximo estudio examinó los efectos de la biodegradación y el compostaje del ácido poliláctico reticulado química y físicamente. [42] Cabe destacar que analiza el compostaje y la biodegradación como dos términos distintos. El tercer y último estudio analiza la estandarización europea de material biodegradable y compostable en la industria del embalaje, nuevamente utilizando los términos por separado. [43]
La distinción entre estos términos es crucial porque la confusión en la gestión de residuos conduce a una eliminación inadecuada de los materiales por parte de las personas a diario. La tecnología de biodegradación ha llevado 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 de manera común y frecuente, entonces el proceso de eliminación no está en absoluto optimizado. [44] Se han desarrollado materiales biodegradables y compostables para garantizar que una mayor cantidad de desechos humanos pueda descomponerse y volver a su estado anterior, o en el caso del compostaje, incluso para agregar nutrientes al suelo. [45] Cuando un producto compostable se desecha en lugar de compostarse y enviarse a un vertedero, estas invenciones 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 causada por el vertido ilegal plantea riesgos para la salud de la fauna silvestre. Los animales suelen confundir 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, ser ingeridos por la fauna silvestre. [46]
Estos productos químicos también influyen en la salud humana, ya que el consumo de alimentos contaminados (en procesos denominados biomagnificación y bioacumulación) se ha relacionado con problemas como cánceres, [47] disfunción neurológica, [48] y cambios hormonales. Un ejemplo bien conocido de biomagnificación que afecta a la salud en los últimos tiempos es el aumento de la exposición a niveles peligrosamente altos de mercurio en el pescado , que puede afectar a las hormonas sexuales en los seres humanos. [49]
En los esfuerzos por remediar los daños causados por los plásticos, detergentes, metales y otros contaminantes de lenta degradación creados por los seres humanos, los costos económicos se han convertido en una preocupación. La basura marina en particular es notablemente difícil de cuantificar y analizar. [50] Los investigadores del Instituto de Comercio Mundial 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 más de un millón de millas cuadradas de tamaño. Si bien la mancha contiene ejemplos más obvios de basura (botellas de plástico, latas y bolsas), los microplásticos diminutos son casi imposibles de limpiar. [52] National Geographic informa que incluso más materiales no biodegradables están encontrando su camino hacia entornos vulnerables: casi treinta y ocho millones de piezas al año. [53]
Los materiales que no se han degradado también pueden servir de refugio a especies invasoras, como los gusanos tubícolas y los percebes. Cuando el ecosistema cambia en respuesta a las especies invasoras, se altera la diversidad genética y el equilibrio natural de los recursos y la riqueza de especies. [54] Estos factores pueden apoyar las economías locales en forma 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 debido a la acumulación de contaminación, ya que sus playas o costas ya no son atractivas para los viajeros. El World Trade Institute también señala que las comunidades que a menudo sienten la mayoría de los efectos de una biodegradación deficiente son los países más pobres que no tienen los medios para pagar su limpieza. [51] En un efecto 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 microorganismos . [57] Ahora, biodegradable se asocia comúnmente con productos ecológicos que son parte de los ciclos innatos de la tierra, como el ciclo del carbono , y capaces de descomponerse nuevamente en elementos naturales.
