Actualmente, más de 250 000 toneladas de residuos plásticos flotan en las aguas de los océanos del mundo. El Pacífico se considera la zona acuática más contaminada del hemisferio norte, mientras que, en el hemisferio sur, el Índico resultó estar más sucio que el Pacífico y el Atlántico juntos. Al mismo tiempo, el Pacífico se describe como el océano más contaminado por residuos plásticos de la Tierra. La contaminación por plásticos se desplaza por todos los océanos bajo la influencia de los vientos y las corrientes dominantes. Esto se demostró en el hemisferio norte, donde el transporte del agua y, con ella, de los residuos durante varios años provoca la acumulación de basura plástica en el centro de las cuencas oceánicas. Se han observado patrones similares en todos los océanos del hemisferio sur. Sorprendentemente, la cantidad total de plástico estimada para los océanos del hemisferio sur se encuentra en un intervalo comparable al de los océanos del hemisferio norte. Esto resulta inesperado, pues en el hemisferio norte hay muchas más fuentes de entrada de plástico que en el sur. Esto significa que los objetos de plástico se desplazan y redistribuyen entre las corrientes oceánicas y entre ambos hemisferios con más facilidad de lo que se pensaba.

Sin embargo, el destino final de los microplásticos flotantes no está en la superficie del océano. La observación de que hay muchos menos microplásticos en la superficie del mar de lo que cabría esperar indica que existen procesos que retiran residuos plásticos de ella. Entre ellos figuran la degradación por radiación ultravioleta, la biodegradación, la ingestión por organismos, la pérdida de flotabilidad por la colonización de organismos y el posterior hundimiento, así como su llegada a las costas.

Los residuos plásticos pueden descomponerse o degradarse mediante procesos fisicoquímicos, es decir, abióticos, o por biodegradación, es decir, procesos bióticos. La rotura del material polimérico por fuerzas físicas de tipo mecánico suele considerarse el primer paso, que desempeña un papel vital en cualquier proceso de degradación. La degradación de los plásticos en el medio ambiente puede producirse mediante uno o una combinación de cuatro mecanismos básicos: fotodegradación, hidrólisis, degradación termooxidativa y biodegradación. En condiciones naturales, por ejemplo en el medio marino, la degradación de plásticos comunes como el polietileno de alta densidad, el polietileno de baja densidad y el polipropileno (LDPE, HDPE, PP) comienza con la fotodegradación, principalmente por radiación UV-B, y continúa con la oxidación térmica y, en menor medida, con la descomposición por el agua: la hidrólisis.

Un nuevo estudio publicado por científicos de la Institución Oceanográfica Woods Hole muestra que el poliestireno (PS), uno de los plásticos más comunes del mundo, puede degradarse bajo la luz solar en décadas o siglos, en lugar de los miles de años que se suponían antes. La descomposición parcial del poliestireno tarda solo 10–50 años, según el tipo de plástico. Su oxidación fotoquímica completa es posible en 300–450 años. La luz solar no solo provoca la rotura física de los plásticos, sino también su descomposición química en carbono orgánico disuelto y una pequeña cantidad de dióxido de carbono que llega a la atmósfera.

Los procesos de degradación provocan la fragmentación de los plásticos en trozos más pequeños y una reducción de la masa molecular de los polímeros. Estas sustancias de baja masa molecular pueden después ser metabolizadas por los microbios. En cualquier caso, el proceso completo suele ser tan lento que otros organismos pueden necesitar más de 50 años para degradar por completo los polímeros plásticos.

Muchos compuestos naturales y sintéticos complejos son biodegradados por consorcios microbianos, en lugar de por cepas individuales, probablemente debido a las capacidades metabólicas limitadas de cada organismo. Por eso cabe suponer que los residuos plásticos, uno de los grandes problemas ambientales de la sociedad actual, podrían degradarse con mayor eficacia mediante la cooperación de distintos grupos de organismos. La biodegradación de los plásticos se refiere principalmente a la conversión de materiales poliméricos en biogás y biomasa en ausencia de aire por microorganismos anaerobios, que pueden utilizar eficazmente los polímeros como fuente de carbono para su crecimiento. Sin embargo, la propia naturaleza de los plásticos y sus propiedades fisicoquímicas particulares dificultan su biodegradación y los convierten en un sustrato poco favorable para el crecimiento.

La biodegradación de los residuos plásticos comienza con la ruptura enzimática de la cadena polimérica en compuestos de baja masa molecular, como oligómeros, dímeros y monómeros. Esto ocurre cuando la enzima se une al polímero y cataliza, es decir, acelera, su ruptura hidrolítica por el agua. El proceso termina con la conversión de estos compuestos de baja masa molecular en dióxido de carbono y agua. Se ha informado de que bacterias, hongos y algas son organismos eficaces capaces de degradar los polímeros plásticos.

Los hongos desempeñan un papel clave en la degradación de los materiales poliméricos. El micelio del hongo puede atravesar eficazmente su superficie y penetrar en el interior para degradar la mayor cantidad posible de ese sustrato. Además, puede liberar enzimas extracelulares, como las despolimerasas, y descomponer el sustrato polimérico en oligómeros, dímeros y monómeros, es decir, fragmentos de baja masa molecular. Después, los hongos absorben estos monómeros y los asimilan o los convierten en dióxido de carbono y agua mediante su sistema enzimático intracelular. Desde esta perspectiva, los hongos de podredumbre blanca y parda se mencionan a menudo como degradadores eficaces de sustancias plásticas poliméricas.

Del mismo modo, las cepas bacterianas pueden degradar los polímeros plásticos en agua o suelo contaminados. Varios estudios señalan que la biodegradación del plástico por bacterias especializadas podría ser una estrategia prometedora de biorremediación de ecosistemas contaminados. Cepas bacterianas como Pseudomonas spp., Bacillus spp. y Streptomyces spp. muestran una gran eficacia en la degradación de diversos polímeros plásticos. En cualquier caso, la velocidad de degradación de los plásticos por los hongos supera la alcanzada por las cepas bacterianas. Por otro lado, algunos autores indican que es más fácil cultivar bacterias y utilizarlas para degradar materiales poliméricos que trabajar con hongos, que necesitan condiciones más estables.

Hasta ahora, solo unos pocos estudios han informado sobre la capacidad de las especies de algas para reducir la contaminación por residuos plásticos. La observación se refería a la capacidad de las algas filamentosas para colonizar la superficie de los residuos gracias a la presencia de factores ambientales esenciales para su crecimiento, como la luz solar, los nutrientes y el agua. Se comprobó que varias especies de algas no peligrosas ni tóxicas de Bacillariophyceae, Chlorophyceae y Cyanophyceae pueden crecer sobre superficies de polietileno y formar biopelículas de algas en distintos medios acuáticos contaminados, como estanques, lagos y aguas residuales. En este contexto, los autores señalan que Phormidium lucidum y Oscillatoria subbrevis, cianobacterias de agua dulce no tóxicas, fáciles de aislar y de crecimiento rápido, pueden formar colonias sobre superficies de PE y degradar eficazmente el HDPE sin pretratamiento.

Además, algunas especies de bacterias y hongos, como Ideonella sakaiensis y Pestalotiopsis microspore, utilizadas para obtener la enzima PETase, se adaptan mal al medio marino, donde se acumula la mayor parte de los residuos plásticos. Se ha demostrado el uso satisfactorio de la diatomea Phaeodactylum tricornutum como fábrica microbiana para producir una PETase mejorada, que presenta actividad frente al PET y al copolímero PETG, el tereftalato de polietileno modificado con glicol.

También se ha confirmado la biodegradación de polímeros por varios invertebrados, como los supergusanos Zophobas atratus, la polilla india de la harina Plodia interpunctella, la polilla mayor de la cera Galleria mellonella, las larvas del escarabajo de la harina Tenebrio molitor, la polilla menor de la cera Achroia grisella, los caracoles terrestres (Achatina fulica), las termitas y otros invertebrados. Esta extraordinaria actividad en la descomposición de los polímeros plásticos suele atribuirse a sus simbiontes microbianos intestinales, ya que precisamente gracias a ellos algunas especies de invertebrados pueden alimentarse de madera u otros compuestos poliméricos.

Los plásticos se utilizan ampliamente por sus propiedades únicas y, por ello, se consideran uno de los materiales más necesarios en nuestra vida. Sin embargo, los efectos perjudiciales de sus residuos son proporcionales a su uso y su acumulación en el medio ambiente. Las características de los materiales plásticos suponen, por tanto, un verdadero reto para su degradación microbiana o incluso para la colonización de sus superficies. Muchos investigadores han observado la participación de diversos microorganismos e invertebrados en la biodegradación del plástico, lo que indica su papel fundamental en este proceso.

Por ello, los científicos especializados destacan la función y la importancia del pretratamiento físico y/o químico de los residuos plásticos como un primer paso importante, que suele ser un requisito para la degradación microbiana de los polímeros plásticos. Los microorganismos, las algas, los insectos que se alimentan de plástico y otros invertebrados podrían desempeñar un papel importante en la biodegradación del plástico en el futuro. Las investigaciones proponen crear una tecnología respetuosa con el medio ambiente, eficaz y económica para tratar y descomponer los residuos plásticos, con el fin de superar su acumulación en el medio ambiente.

Fuentes:

1. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the world's oceans: more than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea //PloS one. – 2014. – Т. 9. – №. 12. – С. e111913.
2. Law K. L. et al. Plastic accumulation in the North Atlantic subtropical gyre //Science. – 2010. – Т. 329. – №. 5996. – С. 1185-1188.
3. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the South Pacific subtropical gyre //Marine pollution bulletin. – 2013. – Т. 68. – №. 1-2. – С. 71-76.
4. Lebreton L. C. M., Greer S. D., Borrero J. C. Numerical modelling of floating debris in the world’s oceans //Marine pollution bulletin. – 2012. – Т. 64. – №. 3. – С. 653-661.
5. Barnes D. K. A. et al. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments //Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences. – 2009. – Т. 364. – №. 1526. – С. 1985-1998.
6. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
7. Cole M. et al. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review //Marine pollution bulletin. – 2011. – Т. 62. – №. 12. – С. 2588-2597.
8. Ward C. P. et al. Sunlight converts polystyrene to carbon dioxide and dissolved organic carbon //Environmental science & technology letters. – 2019. – Т. 6. – №. 11. – С. 669-674.
9. Webb H. K. et al. Plastic degradation and its environmental implications with special reference to poly (ethylene terephthalate) //Polymers. – 2012. – Т. 5. – №. 1. – С. 1-18.
10. Ali S. S. et al. Enhanced digestion of bio-pretreated sawdust using a novel bacterial consortium: microbial community structure and methane-producing pathways //Fuel. – 2019. – Т. 254. – С. 115604.
11. Ali S. S. et al. The effects of water hyacinth pretreated digestate on Lupinus termis L. seedlings under salinity stress: A complementary study //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 3. – С. 103159.
12. Ali S. S., Sun J. Effective thermal pretreatment of water hyacinth (Eichhornia crassipes) for the enhancement of biomethanation: VIT® gene probe technology for microbial community analysis with special reference to methanogenic Archaea //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 1. – С. 102853.
13. Magnin A. et al. Evaluation of biological degradation of polyurethanes //Biotechnology Advances. – 2020. – Т. 39. – С. 107457.
14. Biffinger J. C. et al. A direct quantitative agar-plate based assay for analysis of Pseudomonas protegens Pf-5 degradation of polyurethane films //International Biodeterioration & Biodegradation. – 2014. – Т. 95. – С. 311-319.
15. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
16. Sánchez C. Fungal potential for the degradation of petroleum-based polymers: An overview of macro-and microplastics biodegradation //Biotechnology advances. – 2020. – Т. 40. – С. 107501.
17. Ameen F. et al. Biodegradation of Low Density Polyethylene (LDPE) by Mangrove fungi from the red sea coast //Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology. – 2015. – Т. 31. – №. 2. – С. 125-143.
18. Ali S. S. et al. Construction of a novel cold-adapted oleaginous yeast consortium valued for textile azo dye wastewater processing and biorefinery //Fuel. – 2021. – Т. 285. – С. 119050.
19. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, K., Kimura, Y., Oda, K., 2016. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethyleneterephthalate). Science 351, 1196–1199.
20. Li J. et al. Rapid biodegradation of polyphenylene sulfide plastic beads by Pseudomonas sp //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 720. – С. 137616.
21. Matjašič T. et al. Critical evaluation of biodegradation studies on synthetic plastics through a systematic literature review //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 752. – С. 141959.
22. Muhonja C. N. et al. Biodegradability of polyethylene by bacteria and fungi from Dandora dumpsite Nairobi-Kenya //PloS one. – 2018. – Т. 13. – №. 7. – С. e0198446.
23. Amobonye A. et al. Plastic biodegradation: Frontline microbes and their enzymes //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 759. – С. 143536.
24. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
25. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
26. Sarmah P., Rout J. Efficient biodegradation of low-density polyethylene by cyanobacteria isolated from submerged polyethylene surface in domestic sewage water //Environmental Science and Pollution Research. – 2018. – Т. 25. – С. 33508-33520.
27. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
28. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.
29. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
30. Bombelli P., Howe C. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella //Current biology. – 2017. – Т. 27. – №. 8. – С. R292-R293.
31. Brandon A. M. et al. Biodegradation of polyethylene and plastic mixtures in mealworms (larvae of Tenebrio molitor) and effects on the gut microbiome //Environmental science & technology. – 2018. – Т. 52. – №. 11. – С. 6526-6533.
32. Kundungal H. et al. Efficient biodegradation of polyethylene (HDPE) waste by the plastic-eating lesser waxworm (Achroia grisella) //Environmental Science and Pollution Research. – 2019. – Т. 26. – С. 18509-18519.
33. Song Y. et al. Biodegradation and disintegration of expanded polystyrene by land snails Achatina fulica //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 746. – С. 141289.
34. Engel P., Moran N. A. The gut microbiota of insects–diversity in structure and function //FEMS microbiology reviews. – 2013. – Т. 37. – №. 5. – С. 699-735.
35. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
36. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
37. Ali S. S., Sun J. Physico-chemical pretreatment and fungal biotreatment for park wastes and cattle dung for biogas production //SpringerPlus. – 2015. – Т. 4. – С. 1-14.
38. Ali S. S., Abomohra A. E. F., Sun J. Effective bio-pretreatment of sawdust waste with a novel microbial consortium for enhanced biomethanation //Bioresource technology. – 2017. – Т. 238. – С. 425-432.
39. Ali S. S. et al. Screening and characterizing of xylanolytic and xylose-fermenting yeasts isolated from the wood-feeding termite, Reticulitermes chinensis //PLoS One. – 2017. – Т. 12. – №. 7. – С. e0181141.
40. Ali S. S. et al. The role of gut symbionts from termites: a unique hidden player from yeasts //Acta Microbiol Sin. – 2018. – Т. 58. – №. 6. – С. 1004-1015.
41. Selonen S. et al. Exploring the impacts of plastics in soil–The effects of polyester textile fibers on soil invertebrates //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 700. – С. 134451.
42. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.

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