La degradación de los plásticos en el mar

La degradación de los plásticos en el mar

El porvenir de los residuos en el mar es una preocupación ambiental de primera importancia, ahora parte de la definición del “buen estado ecológico”. En el medio marino, estos residuos se componen en unos 40 a 80% de plásticos (Barnes et al., 2009). Estudios recientes estiman en 5250 billones la cantidad de partículas de plásticos que flotan en la superficie de los mares y océanos, equivalente a 268940 toneladas de residuos (Eriksen et al., 2014).

Por Claire Dussud y Jean-François Ghiglione 

Una contaminación global

La contaminación por los desechos plásticos afecta todos los océanos, incluidas las regiones polares. Sin embargo, existen zonas de mayor acumulación creadas por las corrientes oceánicas llamadas giros oceánicos (Lebreton et al., 2012). La más conocida es la zona de acumulación en el Giro del Pacífico Norte: el "séptimo continente de plástico" o "gran zona de basura del Pacífico"; Pero este ejemplo no es un caso aislado. Los modelos de circulación oceánica sugieren la existencia de acumulaciones en cuatro otros giros: Pacífico Sur, Atlántico Norte, Atlántico Sur y el Océano Índico. El mar Mediterráneo también padece una contaminación por los plásticos debido a su carácter de mar semi-cerrado, con un ciclo de cambio de aguas de 90 años mientras la persistencia de los plásticos supera los 100 años (Lebretonet al., 2012).

La presencia de esos materiales sintéticos en el medio natural es relativamente reciente, ya que el crecimiento de la industria del plástico inicia en los años 1970. En los desechos plásticos que se encuentran en la superficie del agua, dominan las partículas inferiores a 5 mm, comúnmente llamadas microplásticos (Hidalgo-Ruz et al., 2012). Los microplásticos provienen de la fragmentación de los plásticos y se encuentran dispersos en todos los océanos (Ivar do Sul et al., 2014). Estos fragmentos son muy estables y pueden perdurar hasta 1000 años en el medioambiente marino (Cózar et al., 2014).

Toxicidad de los plásticos y perturbación de las cadenas alimentarias.

En el medioambiente, la contaminación por los plásticos conlleva varias consecuencias. A parte de la contaminación visual, los plásticos afectan los organismos marinos de forma directa o indirecta en diferentes niveles de la cadena alimentaria (Wright et al., 2013). Químicamente, los plásticos están compuestos de cadenas de secuencias idénticas, o polímeros, de moléculas de carbono principalmente de hidrocarburos, moléculas orgánicas toxicas para numerosos organismos susceptibles de acumulación a lo largo de las cadenas alimentarias.

En las zonas de acumulación, la concentración de microplásticos observada (de tamaño de 0,5 a 5 mm) es comparable a la del zooplancton (entre 0,005 mm y más de 50 mm). El Mediterráneo presenta ratios microplásticos/zooplancton entre 1/10 a 1/2 (Collignon et al., 2012). El riesgo para los depredadores del zooplancton, por ejemplo los peces, de ingerir microplásticos es por ende considerable. El tiempo de permanencia del plástico en los pequeños peces pelágicos se estima entre un día y un año (Davidson & Asch, 2011). Los fragmentos de microplásticos ingeridos se encuentran en las heces de animales, se hunden con los cadáveres y se transfieren a los depredadores; Así llegan a los escalones superiores de la cadena alimentaria (Cózar et al., 2014).

 

Los plásticos son también vectores de dispersión de compuestos tóxicos que se acumulan en las cadenas alimentarias. Esos compuestos pueden estar directamente presentes en la composición de plásticos o adsorberse a su superficie. En el primer caso, se trata de aditivos (ftalatos, bifenilos) incorporados en algunos plásticos para incrementar su resistencia. Diferentes estudios han mostrado que estos compuestos pueden ser tóxicos para algunos animales y el hombre (Lithner et al. , 2011). Otros compuestos tóxicos (hidrocarburos, pesticidas, DDT, PCB) pueden adsorberse sobre los plásticos, lo que puede aumentar su dispersión, su persistencia en el mar y su acumulación en los niveles tróficos superiores (Teuten et al., 2009).

Los desastrosos efectos de la ingestión de desechos plásticos confundidos con presas están ahora bien documentados, con consecuencias sobre los sistemas digestivos de los animales, como peces, aves, tortugas marinas y mamíferos marinos, llegando a causar su muerte (Andrady, 2011). Estos residuos son igualmente considerados como vectores de dispersión de algas toxicas (Masó et al. 2007) y de micro-organismos patógenos (Zettler et al., 2011).

Degradación de los plásticos en el mar

Varios estudios abarcan las etapas físicas, químicas y biológicas que intervienen en la descomposición del plástico (Andrady, 2011). La degradación biológica es realizada en mayor parte por los micro-organismos, esencialmente las bacterias (Shah et al.,2008). Siendo los organismos más abundantes en los océanos (~100 millones de bacterias y >500 especies por litro de agua de mar) esos micro-organismos invisibles al ojo tienen capacidades metabólicas extremadamente variadas. En su ambiente natural, las bacterias desempeñan un papel de carroñero de los océanos (organismos saprótrofos) ya que remineralizan la mitad del carbono orgánico procedente de los desechos de la cadena alimentaria. Numerosas bacterias son igualmente especializadas en la degradación de los hidrocarburos (bacterias hidrocarbonoclastas), compuestos mayores de los plásticos. La capacidad de degradación de los diferentes tipos de plásticos por las bacterias ha sido ampliamente discutida en la literatura, mostrando un amplia diversidad de bacterias capaces de degradarles (Shah et al., 2008). Aquí vemos la proyección ambiental de los estudios actuales, tendientes a caracterizar mejor la biodegradación de los plásticos por las comunidades bacterianas.

Las etapas de la degradación en el mar.

Un plástico que llega al mar será primero degradado de modo abiótico, no biológico. Unas degradaciones físicas (olas, temperatura, UV) y químicas (oxidación o hidrólisis) contribuyen a fragilizar las estructuras de los polímeros (Ipekoglu et al.,2007) y reducir el plástico en fragmentos de menor tamaño. La degradación biológica ocurre después. Esta se da en cuatro etapas sucesivas (figura 1): 

Las diferentes etapas de la biodegradación del plástico por las bacterias (Dussud y Ghiglione, en edición).

1. La bio-deterioración se genera por acción mecánica del biofilm bacteriano que se forma en la superficie del plástico (figura2); Ella ampliará las fisuras ya existentes (Bonhomme et al., 2013). Una degradación química puede también estar orquestada por la amplia diversidad de las especies presentes en el biofilm, tal como la producción de compuestos ácidos por organismos bacterianos quimiolitótrofos y quimioorganótrofos.

Biofilm, formado por Rhodococcus ruber C208 sobre la superficie de polietileno UV foto-oxidada, observado con microscopio electrónico de barrido.  Inicio de la biodegradación detectada en los 3 días. Control: superficie no inoculada (Sivan et al., 2011).

2. La bio-fragmentación es la acción de enzimas bacterianas liberadas al exterior de las células para segregar los polímeros plásticos en secuencias más cortas, oligómeros y monómeros. Los oxigenasa, por ejemplo, hacen los polímeros de plástico más hidrosolubles y por ende más fácilmente degradables por las bacterias. Las lipasa y las esterasa atacan específicamente los grupos carboxílicos, y los endopeptidasas atacan los grupos aminos. Diferentes especies bacterianas están involucradas en este proceso (Ghosh et al.,2013).

3. La asimilación consiste en la transferencia de moléculas plásticas de talla < 600Da (Dalton) en las células bacterianas y a su transformación en compuestos celulares y en biomasa.

4. La mineralización corresponde a la degradación completa del plástico en moléculas oxidadas (CO2, N2, CH4, H2O).

Unos estudios han mostrado que la cepa R. ruber C208 incubada 30 días sobre polietileno foto-oxidado (figura 2) llevaba a la formación de un biofilm y contribuía a la pérdida de 8% del peso seco de plástico (Sivan, 2011). Si otros ejemplos de este tipo han sido reseñados en la literatura, esas observaciones reposan sobre estudios hechos en condición de laboratorio que usan una sola especie bacteriana. Pero el proceso en medio natural es mucho más complejo e involucra numerosas especies bacterianas. Según lo que sabemos, un solo estudio ha tipificado las comunidades bacterianas que colonizan los plásticos, usando nuevas metodologías de piro-secuenciación de alto-flujo (Zettler et al., 2013), pero estos estudios no dan indicación sobre la capacidad de degradación de los plásticos.

El actual desafío de los estudios en este campo radica en una mejor comprensión de los mecanismos de biodegradación de los plásticos por las comunidades naturales. ¿Cuáles especies colonizan los plásticos, cuáles son capaces de degradarles? ¿Los mecanismos moleculares involucrados en la degradación serán tan diferentes como la gran variedad de su composición? Actualmente, el programa nacional PlasticMicro, coordinado por el Laboratorio de Oceanografía Microbiana de Banyuls (PI. JF Ghiglione) y  financiado por el CNRS, intenta responder a esta pregunta.

Una metodología acoplada de DNA-SIP y de piro-secuenciación de alto-flujo ya usada para identificar las bacterias capaces de degradar los hidrocarburos aromáticos, policíclicos (Sauret et al., 2014) está contemplada en este programa. Esta metodología descansa en la marcación isotópica de los plásticos y el seguimiento de su incorporación por las bacterias para acceder a la comunidad funcional de las bacterias plasticlastas. Esos trabajos están igualmente relacionados a la reciente expedición científica “Tara Mediterráneo” coordinada por el observatorio Oceanológico de Villefranche (PI. G. Gorsky et M.L. Pedrotti) que ha cosechado microplásticos en todo el Mediterráneo.

Los plásticos "biodegradables": ¿Una solución?

La degradación de los plásticos convencionales en el mar es un proceso muy lento (>100 años) que conduce a su acumulación en los océanos. Por ejemplo, se estima que la concentración de microplásticos en el Mediterráneo aumentará de 8% en los 30 próximos años (Lebreton et al., 2012). Unos nuevos plásticos llamados “biodegradables” están entrando en el mercado para reducir el impacto de los desechos plásticos en el mar.

La definición de un plástico biodegradable es dada por la norma europea EN13432 del 2007 que fija la biodegradabilidad a un nivel mínimo de 90% de degradación en un máximo de 6 meses en condiciones de compost, es decir un entorno microbiológico activo en unas condiciones específicas de humedad y de temperatura. El resultado de esta degradación es la formación de biomasa bacteriana o su mineralización. Esta norma no da información sobre la biodegradabilidad en condiciones medioambientales, en particular en medio marino, e implica una recolección de los plásticos biodegradables. Sabiendo que los plásticos encontrados en el mar tienen por origen una falla de recolección, el hecho de respetar esta norma no resuelve el problema de los desechos plásticos en el mar. Sin embargo, la investigación y la innovación pueden llegar a proponer otras soluciones.

Los plásticos “biodegradables” son de dos tipos:

- Los plásticos hidro-biodegradables o de base bilógica son productos procedentes de la agricultura tales como el almidón de maíz o de papa. Si bien este tipo de plásticos responde a la norma EN13432 que supone su compost, su degradación en medio natural queda por verse. Por otra parte, resultan de 4 a 10 veces más costosos que un plástico clásico e incentivan la agricultura intensiva, con uso de abonos y pesticidas que mejoren el rendimiento de las cosechas.

-Los plásticos oxo-biodegradables son de la misma composición primaria que los plásticos convencionales (polietileno, polipropileno, poliestireno, misma fuentes de producción) a los cuales han sido agregados unos estabilizantes que permiten predecir su duración de vida, y unos  pro-oxidantes que facilitan su biodegradación por los microorganismos. Si la degradación abiótica de esos plásticos está bien documentada, la demostración de su biodegradación sigue siendo un tema polémico. La evolución de la formulación de los aditivos parece prometedora. Recientemente, el aditivo “d2w” (http://www.symphonyenvironmental.com/d2w/) ha obtenido un  ecolabel (365.001/14) otorgado a los productos respetuosos del medioambiente según las normas ISO 14020:2002 y 14024:2004.

Conclusiones

Diferentes acciones de investigación nacional e internacional han sido fomentadas en años recientes ante la gravedad de la contaminación por los plásticos en el mar. La comprensión de los mecanismos de su biodegradación en el mar está en pañales. Si algunos mecanismos han sido observados en condiciones de laboratorio, su estudio en medio natural sigue siendo inexplorado. Por ejemplo, los mecanismos moleculares de bio-deterioración, bio-fragmentación, bio-asimilación y bio-mineralización son hoy en día desconocidos. Se desconoce también la diversidad de los micro-organismos asociados a las diferentes etapas de la biodegradación. La comprensión de estos procesos permitirá definir mejor las tasas de biodegradación de los plásticos y predecir mejor el futuro de los plásticos llamados “biodegradables” en el mar.

El mar es el receptáculo último de todos los desechos producidos en tierra: 80% de los desechos encontrados en el mar proceden de tierra. La solución al problema de la contaminación por los plásticos en el mar seguramente NO vendrá del mar, sino de una toma de conciencia de los ciudadanos, quienes son responsables de esta contaminación: más de 30% de los desechos plásticos encontrados en el mar proceden de una falla de recolección por parte de los hogares.

Glosario

Bacterias quimiolitótrofos : bacterias sacando su energía en las vinculaciones químicas de los compuestos minerales.

Bacterias quimioorganotrofos  : bacterias sacando su energía en vinculaciones químicas de las moléculas orgánicas.

Grupo carboxilo o grupo carboxi : -CO2.

Giro oceánico: Remolino de agua oceánica formado por un conjunto de corrientes marinas y provocado por la fuerza de Coriolis.

Hidrocarburo: Compuesto orgánico constituido exclusivamente de átomos de carbono y de hidrógeno.

Organismos saprótrofos : Microorganismos que se nutren de materias orgánicas en descomposición que ellos transforman en materia mineral.

Peces pelágicos: Peces que viven y se alimentan en la columna de agua.

Pirosecuenciación de alto-flujo: Técnica que permite secuenciar rápidamente el genoma con una lectura directa de la secuencia.

SIP : Stable Isotope Probing : Técnica en ecología microbiana que permite trazar los flujos de nutrientes usados por los microorganismos. El sustrato está enriquecido con un isótopo estable consumido por los organismos que se estudian.

Zooplancton: Organismos de tipo animal que flotan siguiendo las corrientes. Ellos son la base de la mayoría de las cadenas alimentarias.

Bibliografia

Andrady AL, 2011. Microplastics in the marine environment. Mar. Pollut. Bull. 62: 1596-1605.

Bonhomme S, Cuer A et al. 2003. Environmental biodegradation of polyethylene. Polymer Degradation and Stability, 81: 441-452.

Barnes DK, Galgani F, Thompson RC and Barlaz M, 2009. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364(1526): 1985-1998.

Collignon A, Hecq JH, Glagani F, Voisin P, Collard F et Goffart A, 2012. Neustonic microplastic and zooplankton in the North Western Mediterranean Sea. Marine pollution bulletin, 64(4): 861-864.

Cózar A, Echevarría , et al., 2014. Plastic debris in the open ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(28): 10239-10244.

Davison P et Asch RG, 2011. Plastic ingestion by mesopelagic fishes in the North Pacific Subtropical Gyre. Marine Ecology Progress Series, 432: 173-180.

Dussud C and Ghiglione JF. Bacterial degradation of synthetic plastics. CIESM Monograph 46 on Marine Litters. Sous presse.

Eriksen M, Lebreton LC et al, 2014. Plastic Pollution in the World’s Oceans: More than 5 Trillion Plastic Pieces Weighing over 250,000 Tons Afloat at Sea. PloS one, 9(12): e111913.

Ghosh SK, Pal S and Ray S, 2013. Study of microbes having potentiality for biodegradation of plastics. Environmental Science and Pollution Research 20: 4339-4355.

Hidalgo-Ruz V, Gutow L, Thompson RC and Thiel M, 2012. Microplastics in the marine environment: A review of the methods used for identification and quantification. Environ Sci Technol 46(6): 3060–3075.

Ipekoglu B, Böke H and Cizer O., 2007. Assessment of material use in relation to climate in historical buildings. Building and Environment, 42: 970-978.

Ivar do Sul JA and Costa MF, 2014. The present and future of microplastic pollution in the marine environment. Environmental Pollution, 185: 352-364.

Lebreton LCM, Greer SD and Borrero JC, 2012. Numerical modelling of floating debris in the world’s oceans. Mar Pollut Bull 64(3): 653–661.

Lithner D, Larsson A and Dave G, 2011. Environmental and health hazard ranking and assessment of plastic polymers based on chemical composition. Sci. Total Environ. 409: 3309e3324.

Masó M, Garcés E, Pagès F and Camp J, 2007. Drifting plastic debris as a potential vector for dispersing Harmful Algal Bloom (HAB) species. Sci. Mar. 67: 107−111.

Sauret C, Severin T and a;., 2014. ‘Rare biosphere’ bacteria as key phenanthrene degraders in coastal seawaters. Applied and Environmental Microbiology 194: 246-253.

Sivan A, 2011. New perspectives in plastic biodegradation. Current Opinion in Biotechnology, 22: 422-426.

Shah AA, Hasan F, Hameed A and Ahmed S, 2008. Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnology advances, 26(3): 246-265.

Teuten EL, Saquing JM et al., 2009. Transport and release of chemicals from plastics to the environment and to wildlife. Phil. Trans. R. Soc. B 364: 2027e2045

Palabras claves: ecotoxicología microbiana, ecosistemas marinos, residuos, desechos, redes tróficas, bioacumulación, bioremediación, relación Hombre-Naturaleza.

Por Claire Dussud (*,**) y Jean-François Ghiglione (*,**) 

*CNRS, UMR 7621, Laboratorio de Oceanografía Microbiana, Observatorio Oceanologico de Banyuls/Mar, Francia

**Universidad de la Sorbona, UPMC Univ Paris 06, UMR 7621, Laboratorio de Oceanografía Microbiana, Observatorio Oceanologíco de Banyuls/Mar, Francia