Esperanza ambiental: bacterias contra el poliuretano

Un tiradero de basura fue el escenario de un hallazgo que constituye el primer paso para biodegradar un material tan útil como dañino para el medio ambiente.

Dondequiera que mires encontrarás algo hecho de poliuretano. Este plástico puede hallarse en muchas formas: pinturas, ruedas de patines y patinetas, material aislante del ruido y del calor, partes elásticas de tableros de coche, empaques para puertas y ventanas y relleno de cojines. Su origen se remonta a los comienzos de la Segunda Guerra Mundial, cuando se desarrolló primero como sustituto del caucho o hule. Es tan versátil que ha llegado a remplazar materiales naturales como la madera. Útil como es, el poliuretano tiene un problema: al igual que otros plásticos, no se recicla fácilmente y no se biodegrada… o por lo menos así se creía hasta hace poco. Un grupo de investigadores de la Facultad de Química de la UNAM ha encontrado una bacteria capaz de degradar este plástico.

Los plásticos

Las bien conocidas propiedades de los plásticos se deben a la estructura de sus moléculas, las cuales están formadas de series de moléculas más pequeñas, llamadas monómeros, que se repiten como los eslabones de una cadena. Los materiales con esta estructura se llaman polímeros. La gran mayoría de los plásticos está constituida por polímeros de carbono e hidrógeno, solos o en combinación con oxígeno, nitrógeno, cloro o azufre. Estos materiales sintéticos se obtienen principalmente de compuestos orgánicos derivados del petróleo.

El primer polímero sintético fue la baquelita, creada por el químico belga Leo Hendrik Baekeland en 1909. Baekeland hizo reaccionar fenol, formaldehído y otros ingredientes bajo presión y a alta temperatura. El material resultante se usó sobre todo para fabricar piezas aislantes para equipo eléctrico, como radios y teléfonos. A partir de entonces comenzó el desarrollo de una enorme cantidad de plásticos diferentes: vinilo, poliestireno, acrílico, poliuretano y muchos otros. Cada uno ha ido ocupando un lugar en la industria y todos han obtenido un gran éxito comercial.

Espumas flexibles

El 13 de noviembre de 1937 se publicó en Alemania la patente DRP 728981, referente a "un proceso de producción de poliuretanos y poliureas". El equipo de inventores que la solicitó estaba dirigido por el químico Otto Bayer, quien no pertenecía a la familia del mismo apellido que se hizo famosa por sus innovaciones en química. A este Bayer se le reconoce como el padre de la industria del poliuretano por haber inventado el proceso básico para obtenerlo. Aunque durante la Segunda Guerra se crearon numerosas aplicaciones para el nuevo material, como ropa resistente al gas mostaza, esmaltes para aviones y recubrimientos protectores para metal o madera, el auge de los poliuretanos se registra hacia la década de 1950, con la aparición de adhesivos, elastómeros y espumas rígidas. La forma más conocida, una mullida espuma flexible, sólo estuvo disponible comercialmente al final de esa década. Por su bajo costo, la espuma flexible, también conocida como hule espuma, abrió la puerta a un alud de aplicaciones, como relleno de colchones y otros muebles, partes de autos, ropa, tenis, aparatos, material aislante y molduras.

Hoy en día, cerca de tres cuartas partes de los productos de poliuretano se consumen en forma de espumas. Sea en la industria de la construcción, del vestido o de la fabricación de automóviles y neumáticos, ha sido un material práctico y útil, resistente y durable. Desafortunadamente, su característica resistencia a la degradación ambiental y biológica, que en principio constituyó su cualidad más atractiva, se ha convertido en una pesadilla ecológica. En condiciones de humedad, el poliuretano puede tardar más de un siglo en descomponerse. Incinerarlo no es buena alternativa, porque al quemarse produce residuos muy tóxicos y contaminantes, como monóxido de carbono, óxido de nitrógeno y cianuro de hidrógeno.

Historia del poliuretano

1937 Otto Bayer descubre la química básica del poliuretano. La empresa Bayer, donde fortuitamente trabajaba, patenta el proceso.

1940 Se utiliza por primera vez espuma rígida en aviones.

1948 Primera aplicación como aislante, en un barril de cerveza.

1949 Se crea el "hule" de poliuretano vulcanizado para llantas.

1953 Desarrollo de piel sintética para calzado.

1954 Surge el relleno de espuma.

1958 Aparece la fibra "spandex".

1969 Se aplica en las defensas de los autos.

1970 Se desarrolla una imitación de madera, así como aplicaciones médicas.

1979 Aplicación como aislante en edificios.

1981 Se aprovecha en la fabricación de tablas de surf.

1993 Se utiliza para fabricar catéteres.

1995 Empleado en llantas de bicicleta.

2001 Su uso se extiende a las llantas de automóviles

Cazadores de bacterias

Los artículos de poliuretano pueden reciclarse, pero en general se trata de un reciclaje secundario, porque el material resultante no puede utilizarse para fabricar productos con el mismo valor que tenían los artículos originales. Existen dos vías de reciclaje: la mecánica y la química. En el reciclaje mecánico, los desechos de poliuretano se trituran o pulverizan para emplearse en la producción de nuevos artículos. En el reciclado químico, en cambio, se busca descomponer el material. Queda el problema del manejo seguro de los desechos, que se suman a los de otros plásticos para alcanzar la impresionante cantidad de cinco millones de toneladas anuales solamente en Estados Unidos y Canadá.

El doctor Javier Cruz Gómez, investigador del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Química (FQ) de la UNAM, dice que desde hace unos 10 años se sabe que el poliuretano se puede biodegradar. La biodegradación, a diferencia del reciclado, se produce por medios naturales, por intervención de microorganismos como bacterias u hongos. Revisando artículos científicos de los años recientes, Javier Cruz Gómez encontró informes de biodegradación de plásticos como poliuretano y poliéster. Entonces le sugirió a Herminia Loza Tavera, especialista en microbiología del Departamento de Bioquímica de la misma facultad, que buscaran juntos bacterias con esta capacidad.

Herminia recuerda que la idea fue ir a un tiradero de basura donde había poliuretano desechado y recoger algunas muestras. De eso se hizo cargo su entonces estudiante de maestría, Agustín Carrillo García, quien visitó el basurero ubicado en el Bordo de Xochiaca, en el municipio de Nezahualcóyotl, Estado de México, y tomó de allí algunas muestras de hule espuma bastante deterioradas.

El hallazgo

Una vez en el laboratorio, los investigadores pusieron trozos de las muestras en matraces que contenían un medio de cultivo especial. "El medio de cultivo sólo contenía sales minerales, más poliuretano como fuente de carbono", explica la doctora Loza. Este último se añadió en forma de un barniz comercial que otros investigadores ya habían usado para cultivar microorganismos capaces de descomponer el poliuretano. Los matraces se dejaron incubar durante cinco días a 37 º C. Luego los científicos procedieron a seleccionar las bacterias que habían prosperado en este medio.

 El equipo de la FQ identificó dos cepas que se desarrollaron particularmente bien. Resultaron ser bacterias del género Alicycliphilus sp., a las que denominaron BQ1 y BQ8. Este género se conoce apenas desde 2005. El equipo de químicos identificó las bacterias mediante un proceso de comparación genética con ayuda de la doctora Carmen Wacher y de su estudiante Sandra Bolaños, del Departamento de Alimentos y Biotecnología, también de la FQ.

"Alejandro Oceguera Cervantes hizo la mayor parte del trabajo de caracterizar esta bacteria", indica la doctora Loza. Primero observó que el crecimiento del cultivo de bacterias aumentaba con la concentración de poliuretano, esto es, las bacterias estaban usando esta sustancia como alimento.

Los microorganismos como las bacterias no comen como los animales macroscópicos, que ingieren su alimento para extraerle los nutrientes en el interior del organismo. Para absorber alimento del ambiente que las rodea y convertirlo en los nutrientes que necesitan, las bacterias liberan enzimas que descomponen las sustancias útiles en moléculas más pequeñas. Luego la bacteria absorbe estas moléculas por la pared celular. Las enzimas que efectúan la descomposición son muy especializadas: cada tipo degrada una clase específica de compuestos, como las amilasas el almidón y las lipasas la grasa.

Oceguera procedió a determinar qué enzimas estaban produciendo las bacterias para degradar el poliuretano. Herminia Loza explica que todos los organismos vivos necesitamos carbono para sobrevivir porque este elemento es fundamental para fabricar las proteínas que requiere el organismo. Las enzimas son esenciales para extraer el carbono de los compuestos que hay en el entorno de las bacterias. Por lo general, las enzimas que producen las bacterias no pueden romper las moléculas de los polímeros como el poliuretano. La Alicycliphilus estaba produciendo alguna que sí podía. Los investigadores pensaron que quizá se trataba de alguna de tres clases de enzimas ya conocidas por los científicos: una proteasa, una ureasa o una esterasa.

Entre tanto, había que determinar la composición exacta del barniz comercial que habían usado como fuente de poliuretano. "Desde luego, sabíamos que era un poliuretano, pero no de qué tipo", dice Herminia Loza. Néstor Noé López Castillo, del Departamento de Ingeniería Química, llevó a cabo estudios de espectrometría de masa y resonancia magnética y concluyó que se trataba de un poliuretano cuyas moléculas contenían lo que se conoce como enlaces de éster. Entonces los investigadores comenzaron a atar cabos y a hacer más pruebas. El resultado de estas pruebas "significaba que la bacteria producía esterasas que atacaban los enlaces éster del polímero", explica la doctora Loza. En otras palabras, la enzima rompía estos fuertes enlaces y eso le permitía a la bacteria aprovechar el polímero como nutriente. Lo cual, por cierto, no significa que la bacteria tenga una preferencia exclusiva por el poliuretano: es probable que, en un medio natural, esta bacteria viva de algo más simple. Sólo cuando no dispone de otra fuente de carbono más fácil de consumir recurre al poliuretano como alimento.

Otras bacterias "come-plástico"

Según algunos informes científicos, las siguientes bacterias parecen crecer en un medio de poliuretano, aunque complementado con un extracto de levadura o glucosa: Corynebacterium sp.; Pseudomonas fluorescens; P. chlororaphis y Bacillus subtilis. Sin embargo, la única en la que se había encontrado una posible capacidad de atacar poliuretano sólido, y emplearlo como fuente de carbono, es la llamada Comamonas acidovorans TB-35.

Evolución en acción

¿Por qué tienen estas bacterias la habilidad de degradar el poliuretano, sustancia sintética que existe desde hace tan poco tiempo? La doctora Loza comenta que es un resultado observable de la evolución. Las bacterias se dividen cada 10 o 15 minutos. En muy poco tiempo se producen muchas generaciones. Los individuos de cada generación no son todos iguales. Las mutaciones –cambios accidentales en la información genética—les confieren aptitudes distintas. En un ambiente pobre en nutrientes, sólo sobreviven para reproducirse las bacterias que, por casualidad, han desarrollado la capacidad de utilizar nuevas fuentes de sustento. Esta capacidad se transmite a la descendencia. Al cabo de muchas generaciones, la población estará compuesta principalmente de organismos con esta nueva característica.

Promesa para el futuro

El que la Alicycliphilus se alimente de poliuretano no quiere decir que pueda hacer desaparecer un trozo de este material ante nuestros ojos. "De ningún modo", comenta la doctora Loza. "Éste es un proceso restringido porque consumir poliuretano es muy difícil". No obstante, esta característica podría manipularse a nivel bioquímico y genético. Conociendo mejor la acción de las bacterias sobre el material, se podrían desarrollar organismos transgénicos capaces de consumir poliuretano de manera más eficiente que las bacterias naturales. Estos organismos podrían ser la base de un proceso biotecnológico creado para degradar este polímero con ayuda de métodos físicos y químicos.

 El equipo de Herminia Loza publicó sus resultados en el número de octubre de 2007 de la revista Applied and Environmental Microbiology. En el artículo, los investigadores de la FQ hacen referencia a otros equipos que han encontrado microorganismos capaces de degradar el poliuretano. Pero, sin ser el primero, el que encontraron Herminia Loza y sus colaboradores lo hace de manera más eficiente.

Aún no está cerca el día en que los resultados de estos equipos se puedan utilizar en la práctica para biodegradar las enormes cantidades de poliuretano de desecho que genera nuestra sociedad. Falta estudiar a fondo los aspectos bioquímicos para saber exactamente cómo funcionan las enzimas. Luego habrá que aislar los genes responsables de que estas cepas de bacterias produzcan esas enzimas para intentar crear organismos transgénicos más eficaces. En seguida habría que probarlos en una planta piloto. Sólo después de mucho trabajo se podría pasar al proceso industrial. Falta mucho, pero como aseguran Javier Cruz y Herminia Loza, los primeros pasos están dados.

 vía: http://www.comoves.unam.mx : Verónica Guerrero Mothelet