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REDIELUZ
ISSN 2244-7334 / Depósito legal pp201102ZU3769 Vol. 6 N° 2 • Julio - Diciembre 2016: 57 - 62
Polyethylene terephthalate Biodegradation by microorganisms isolated from sites of final
disposal of solid waste, Tachira, Venezuela
Departamento de Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional Experimental del Táchira, San Cristóbal-Venezuela. jhonathan.gomez@unet.edu.ve
Los problemas de contaminación ambiental re- lacionados con la acumulación de residuos sólidos plásticos, son una de las principales preocupacio- nes a nivel mundial en la actualidad ya que estos materiales son difíciles de degradar debido a su alto grado de resistencia, ocasionando contaminación en diversos espacios. De igual manera se conoce que existen microorganismos que tienen la capa- cidad de degradar compuestos poliméricos, de allí que se propone determinar el efecto degradador de un grupo de microorganismos, extraídos de sitios de disposición final de residuos sólidos del estado Táchira, para ello se colocaron los aislados en con- tacto con láminas de polietileno de tereftalato en tubos de ensayo con un caldo MMM y se llevaron a incubación, finalizado este tiempo, se extrajeron las láminas para medir la pérdida de peso de estas. Adicionalmente, se observaron las características físicas de las láminas después de la incubación a través de observación directa y microscópica, arro- jando como resultado de este proceso la pérdida de peso efectivas con resultados destacados en las cepas D (43,7 mg), seguida de E (1,1 mg) y luego C (0,8 mg), dos de las cuales (C y D) corresponden a bacterias del tipo bacilos Gram negativos. Adicio- nalmente fue posible apreciar cambios de opacidad en las láminas del polímero a simple vista y en las observaciones al microscopio se aprecian quiebres y zonas donde se estaría dando el desprendimien
Recibido: 20/01/2016. Aceptado: 27/04/2016
to de partes de la estructura, dando lugar a partí- culas microscópicas del material en suspensión en los tubos contenedores de los caldos de cultivo con las láminas de polietileno. De acuerdo con esto se evidencia que existen diversos microorganismos capaces de degradar PET utilizándolo como única fuente de carbono, siendo esta una alternativa tec- nológica para lograr disminuir la gravedad del pro- blema mundial que representa la acumulación de residuos sólidos
The contamination issues related to the accumu- lation of solid plastic residues, account for one of the main concerns in the world today given the di- fficulty of the degradation of these materials due to their high resistance causing then pollution in diffe- rent spaces. Likewise, it has been found that some microorganisms have the capacity to degrade poly- meric compounds. Therefore, the initiative of this study is to determine the degrading effect of a set microorganisms extracted from final disposal sites of solid residues of the state od Táchira. To achieve this the isolated compounds were put into contact with polyethylene terephthalate sheets inside test tubes with a MMM culture and then were set to in- cubation, once this time was over, the sheets were removed to measure their weight loss. Aside from this, after the incubation period, the physical traits of the sheets were observed directly via a microscope. The results show an effective weight loss with outs
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tanding results on the strain D (43,7 mg), followed by E (1,1mg) and then C (0,8 mg), two of which (C and D) correspond to Gram-negative bacilli bacteria types. In addition to this, changes in opacity were evident at plain sight in the polymer sheets and at the microscope level, fracturing was a evident and some areas sections of the sheets are evidently de- tached, giving way to microscopic particles of the matter being in suspension in the culture containing tubes with polyethylene sheets inside. According to this, the existence of diverse microorganisms capa- ble of degrading PET using it as a sole source of carbon is evident, hence becoming a tecnological alternative to deminnish the sverety of the worldwi- de problem presented by the acumulation of solid leftovers.
En el mundo existe un alto grado de contamina- ción ocasionada en gran medida por los excesivos volúmenes de residuos que se generan a diario y que no reciben un tratamiento adecuado. Al mo- mento de la recolección, en la mayoría de los países de América Latina, la basura queda conformada por materiales de composición variada que van desde residuos alimenticios, fibras, textiles, metales, plás- ticos, hasta elementos de gran tamaño como los escombros de las construcciones; dificultando de este modo su tratamiento y trayendo consigo la pro- liferación de vectores de enfermedades, disminu- ción del tiempo de vida útil de los rellenos sanitarios y descenso de la calidad de vida de los pobladores (Sharon y Sharon, 2012; Roa, 2005).
Los problemas de contaminación ambiental re- lacionados con los polímeros sintéticos como los plásticos, son una de las principales preocupacio- nes en la actualidad ya que estos materiales son difíciles de degradar, por tanto ocasionan contami- nación del aire, del agua y del suelo, de acuerdo con Sharon y Sharon (2012)
Es bien conocido que ciertos polímeros sintéti- cos han sido diseñados con la finalidad de resistir las acciones de la naturaleza es por esto que, de acuerdo con su composición, pueden tener mayor o menor resistencia, lo que ha traído consigo su per- manencia en el medio ambiente debido a la resis- tencia para ser degradados, es por ello que dentro de las alternativas de tratamiento y control se ha considerado su reutilización y reciclaje, ya que los
tratamientos de reducción a través de la incinera- ción son aún más peligrosos, puesto que generan gases tóxicos como el monóxido de carbono (CO), dioxinas y liberación de metales pesados los cua- les, si no se tiene control, pueden ocasionar graves problemas en el sistema respiratorio de las perso- nas que los inhalen e inclusive la muerte (Sharon y Sharon, 2012; Arutchelvi et al., 2008)
Adicionalmente, se han desarrollado investiga- ciones que intentan mostrar la peligrosidad de los polímeros sintéticos, en especial los utilizados para el transporte de bebidas, como lo es el polietileno de tereftalato (PET), ya que este material puede ceder elementos, como los ftalatos, capaces de generar anomalías en el organismo luego de consumir los alimentos allí contenidos; sin embargo, aún no se ha comprobado esta teoría, que de ser cierta, con- lleva eliminar de la lista de posibles tratamientos la reutilización de las botellas de PET para transportar otras bebidas, haciendo necesario buscar otras al- ternativas (Vega,2009).
En un intento por conservar el medio ambiente y reducir en gran medida los residuos, aproximada- mente en la década de los 90, las empresas fabri- cantes de productos plásticos de consumo masivo se dieron a la tarea de crear elementos sintéticos de poca durabilidad en el ambiente, lo que dio pie a la producción de polímeros biodegradables utili- zando almidón en la composición del plástico, lo- grando así que diversos microorganismos pudieran degradar dichos materiales. Asimismo, más tarde se conoció que existen microorganismos capaces de generar “biopolímeros”, incrementando de este modo las investigaciones en este campo lo que conlleva que estos elementos potencialmente peli- grosos para el medio ambiente y, por ende, para los seres humanos, puedan ser reducidos por diversos factores hasta compuestos como CO2, agua, bio- masa y cualquier otro de baja peligrosidad (Sharon y Sharon, 2012; Tokiwa et al., 2009)
De igual manera se conoce que existen microor- ganismos que tienen la capacidad de degradar compuestos poliméricos de allí que, considerando todo lo antes expuesto, se estableció como objetivo principal de este trabajo determinar el efecto de- gradatorio de un grupo de microorganismos, extraí- dos de sitios de disposición final (suelo y lixiviado) del estado Táchira, sobre polietileno de tereftalato, como medida para la reducción de materiales plás- ticos de manera natural.
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Para determinar la capacidad degradadora de los microorganismos sobre el PET se aislaron ce- pas capaces de utilizarlo como única fuente de car- bono, se colocaron los aislados en contacto con lá- minas de PET en tubos de ensayo con un caldo de medio mínimo mineral y se llevaron a incubación, finalizado este tiempo, se extrajeron las láminas para medir la pérdida de peso de estas. Adicional- mente, se observaron las características físicas de las láminas después de la incubación a través de observación directa y microscópica.
El caldo de cultivo utilizado, propuesto por Gó- mez y Oliveros (2015), consiste en un medio sinté- tico constituido por macro y micronutrientes esen- ciales para el crecimiento y desarrollo microbiano, pero sin fuente alguna de carbono adicional al que representaron las láminas de PET.
A partir de botellas de PET signadas con el nú- mero uno (1) de acuerdo con la clasificación inter- nacional, se recortaron láminas de 2x5 cm a las cuales se les retiró el residuo alimenticio que conte- nían por medio de lavado con agua; posteriormente se procedió a esterilizar la superficie de cada una sometiendolas a radiación UV durante 30 minutos antes de introducirlas en los tubos con el caldo de cultivo.
En cada uno de los tubos de caldo se inoculó individualmente una cepa microbiana aislada de un sitio de disposición final de residuos. El estu- dio se llevó a cabo empleando para ello ocho (8) cepas microbianas, entre las que se hallan bacilos Gram negativos, bacilos Gram positivos, levaduras y mohos. Cada una de las cepas fue inoculada por triplicado. Los tubos fueron llevados a incubación durante 15 días a 37ºC y 160 días a temperatura ambiente.
Como método para mostrar la capacidad de los microorganismos para degradar el PET (utilizarlo como fuente de carbono), cada una de láminas se pesó antes de introducirlas en los tubos con caldo de cultivo y, una vez culminado el tiempo de incu- bación, las mismas se extrajeron de los tubos, se
les retiró cualquier material adherido a la superficie mediante lavados, primero con alcohol isopropílico y después con agua, luego se dejaron secar al aire y, finalmente, se sometieron nuevamente a radia- ción UV. El peso de cada lámina se determinó utili- zando una balanza microanalítica.
Una vez obtenidos los datos de variación de peso se procedió a la observación de las láminas de forma directa, así como también utilizando una lupa estereoscópica y microscópicamente, utilizan- do para ello un microscopio óptico de campo claro Olympus CX21.
Durante el desarrollo de la investigación se lo- gró observar la formación de una biopelícula sobre las láminas de PET (FIGURA 1), lo cual concuerda con lo expresado por Arutchelvi et al. (2008), quie- nes señalan que la degradación de los materiales plásticos se da por un conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos, que inician con una degra- dación primaria, entendiendo ésta como cualquier tratamiento físico o químico al cual sea sometido el material como pretratamiento a la degradación biológica.
Dicha degradación previa permite la inserción de grupos hidrofílicos en la superficie del plástico, lo que facilita la fijación de los microorganismos por medio de exopolisacáridos o cualquier otro meca- nismo de adherencia y la formación de su biopelí- cula para, seguidamente, dar paso al crecimiento poblacional microbiano a través de la utilización del plástico como fuente de carbono, la absorción de oxígeno, la evolución del dióxido de carbono y, fi- nalmente, cambios en la estructura de la superficie del plástico.
En este trabajo para asegurar la esterilidad de las láminas utilizadas, las mismas fueron lavadas con jabón, para remover cualquier residuo alimenti- cio o de grasa de la superficie, se dejaron secar al aire y posteriormente se sometieron a radiación UV durante 30 minutos, lo que corresponde a la fase de pretratamiento descrita por Arutchelvi et al. (2008), para luego ser colocadas en contacto con el cal- do de cultivo en los tubos correspondientes donde, tras las primeras 72 horas de incubación fue posi- ble observar con claridad la acumulación de partí- culas en la superficie del PET (Figura 1).
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De acuerdo con lo señalado en la metodología, se realizó la medición de los pesos de cada lámina antes y después del periodo de incubación (datos no mostrados) obteniéndose así la diferencia resul- tante del proceso degradatorio realizado por cada microorganismo.
Como se observa en la tabla a continuación, las cepas que aportaron la mayor pérdida de peso fue- ron la D (43,7 mg), seguida de E (1,1 mg) y luego C (0,8 mg), dos de las cuales (C y D) corresponden a bacterias del tipo bacilos Gram negativos. Es im- portante señalar que este tipo de bacterias ha sido asociado en diversas oportunidades con procesos de biodegradación de distintos materiales poliméri- cos, entre ellos los plásticos derivados del petróleo. Tal es el caso de la bacteria Ideonella sakaiensis, identificada en estudios recientes realizados por Yoshida et al. (2016) como un microorganismo ca- paz de utilizar el PET como fuente de carbono.
Los valores promedio obtenidos de las tres ré- plicas de láminas PET hacen hincapié en la utilidad de la cepa D como microorganismo potencialmente biodegradador de dicho contaminante, puesto que mostró una reducción promedio en el peso de la lá- mina, equivalente a 14,90 mg, superando enorme- mente a la cepa que le sigue, que fue la E con un promedio de 0,75 mg, lo que de nuevo demuestra la capacidad de los bacilos Gram negativos como importantes biodegradadores de ciertos materiales y residuos poliméricos como el PET.
Otro aspecto importante de resaltar es que algu- nas láminas muestran ganancia de peso, como las inoculadas con las cepas A (-42,9 mg) y C (-9,5 mg) y E (-0,3 mg), asociado a la posible retención de moléculas de agua y biopelículas contenidas en los surcos realizados por los microorganismos sobre la lámina de PET (FIGURA 2).
A simple vista fue posible apreciar cambios de opacidad en las láminas de PET, en las observacio- nes microscópicas se evidencian quiebres y zonas donde se estaría dando el desprendimiento de par- tes de la estructura tal como se puede notar en la FIGURA 3, lo que corresponde al último paso men- cionado por Arutchelvi et al. (2008), secundado por Yoshida et al. (2016).
Réplica
Cepas
A B C D E F G H
1 | -42,9 | 0,4 | -9,5 | 0,5 | 0,4 | 0,6 | 0,7 | 0,6 |
2 | 0,5 | 0,5 | 0,8 | 0,5 | -0,3 | 0,1 | 0,6 | 0,3 |
3 | 0,3 | 0,4 | 0,4 | 43,7 | 1,1 | 0,4 | 0,5 | 0,4 |
X* | 0,40 | 0,43 | 0,60 | 14,90 | 0,75 | 0,37 | 0,60 | 0,43 |
1 | -42,9 | 0,4 | -9,5 | 0,5 | 0,4 | 0,6 | 0,7 | 0,6 |
2 | 0,5 | 0,5 | 0,8 | 0,5 | -0,3 | 0,1 | 0,6 | 0,3 |
3 | 0,3 | 0,4 | 0,4 | 43,7 | 1,1 | 0,4 | 0,5 | 0,4 |
X* | 0,40 | 0,43 | 0,60 | 14,90 | 0,75 | 0,37 | 0,60 | 0,43 |
Diferencia de peso (mg)
*Los promedios aritméticos fueron calculados sin conside- rar los valores negativos.
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Además del desgaste sobre las superficies de las láminas, se observó partículas microscópicas de PET en suspensión en los tubos contenedores de los caldos de cultivo con las láminas de polie- tileno así como también algunos microorganismos (FIGURA 4). Esto concuerda con lo señalado por Tokiwa et al. (2009) quienes expresan que duran- te el proceso de colonización del material a través de reacciones de hidrólisis, los microorganismos secretan una serie de enzimas que les permiten adherirse a este y a su vez causar el deterioro del polímero, generan estructuras de bajo peso mole- cular y finalmente son mineralizados a dióxido de carbono y agua.
Por su parte, Yoshida et al. (2016) reportaron que la bacteria Ideonella sakaiensis es capaz de desintegrar el polietileno de tereftalato hasta sus componentes originales, es decir ácido tereftálico y etilenglicol; lo que permite inferir que los microor- ganismos utilizan distintas rutas metabólicas para desintegrar los materiales tóxicos en el ambiente.
De acuerdo con los resultados obtenidos se evi- dencia que existe variedad de cepas microbianas capaces de utilizar el polietileno de tereftalato como única fuente de carbono, demostrando un mayor potencial de acción la codificada con la letra D, co- rrespondiente a un bacilo Gram negativo, seguida del bacilo Gram positivo, marcado con la letra E.
La aplicabilidad de la biorremediación para el tratamiento de residuos sólidos plásticos, específi- camente para el polietileno de tereftalato, represen- ta una alternativa ecológica y viable para, al menos, disminuir la gravedad del problema mundial que re- presenta la acumulación de residuos sólidos.
Los resultados obtenidos demuestran que debe fomentarse la continuación de este tipo de estudios y extenderlo a una amplia variedad de contami- nantes poliméricos sintéticos muy difíciles de bio-
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degradar, así como también estudiar los posibles resultados del trabajo combinado de distintos mi- croorganismos.
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