Nuestra dependencia del plástico se ha convertido en un gran problema, por eso los investigadores están entusiasmados con un nuevo tipo de material: uno que cuenta con capacidades de biodegradación incorporadas, gracias a las esporas bacterianas que residen en su interior.
Un «plástico vivo» biodegradable se fabrica combinando pellets de poliuretano termoplástico (a la izquierda) y esporas de Bacillus subtilis (a la derecha) que han sido modificadas genéticamente para sobrevivir a las altas temperaturas utilizadas en la producción del plástico. Crédito: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Investigadores liderados por la Universidad de California (UC) en San Diego han desarrollado una forma biodegradable de poliuretano termoplástico (TPU), un plástico comercial suave pero resistente utilizado en calzado, alfombras, cojines y espuma viscoelástica. Está lleno de esporas bacterianas que, cuando están expuestas a nutrientes presentes en el compost, germinan y descomponen el material al final de su ciclo de vida.
El TPU biodegradable se creó con esporas bacterianas de una cepa de Bacillus subtilis que tiene la capacidad de descomponer materiales poliméricos plásticos.
«Es una propiedad inherente de estas bacterias», dijo el coautor del estudio Jon Pokorski, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y co-líder del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales (MRSEC) de la universidad. «Tomamos algunas cepas y evaluamos su capacidad para utilizar los TPUs como única fuente de carbono, luego elegimos la que mejor creció».
El coautor principal del estudio, Han Sol Kim, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Pokorski, prueba la elasticidad y resistencia del plástico vivo. Crédito: UC San Diego.
Los investigadores utilizaron esporas bacterianas —una forma latente de bacterias— debido a su resistencia a las duras condiciones ambientales. A diferencia de las esporas fúngicas, que tienen un papel reproductivo, las esporas bacterianas tienen un escudo de proteínas protector que permite a las bacterias sobrevivir mientras están en estado vegetativo.
Para fabricar el plástico biodegradable, alimentaron esporas de Bacillus subtilis y pellets de TPU en un extrusor de plástico. Los ingredientes se mezclaron y fundieron a 135 grados Celsius, luego se extruyeron como tiras delgadas de plástico.
Luego, con el objetivo de evaluar la biodegradabilidad del material, las tiras se colocaron en entornos de compost tanto microbianos como estériles. Los montajes de compost se mantuvieron a 37 grados Celsius con una humedad relativa que oscilaba entre el 44 y el 55 %. El agua y otros nutrientes en el compost desencadenaron la germinación de las esporas dentro de las tiras de plástico, que alcanzaron un 90 % de degradación en cinco meses.
Tiras de TPU común (arriba) y TPU «vivo» (abajo) en diferentes etapas de descomposición después de cinco meses en compostaje. Crédito: UC San Diego.
«Lo notable es que nuestro material se descompone incluso sin la presencia de microbios adicionales», afirmó Pokorski. «Lo más probable es que la mayoría de estos plásticos no terminen en instalaciones de compostaje ricas en microbios. Así que esta capacidad de auto-degradación en un ambiente libre de microbios hace que nuestra tecnología sea más versátil».
Aunque los autores del estudio aún necesitan observar mejor las consecuencias finales de la degradación del material, señalan que cualquier espora bacteriana persistente probablemente sea inofensiva. Bacillus subtilis es una cepa utilizada en probióticos y generalmente se considera segura para humanos y animales, e incluso puede ser beneficiosa para la salud de las plantas.
Mayor elasticidad
Las esporas utilizadas también sirven como un relleno fortalecedor —similar a cómo el acero refuerza el hormigón—. El resultado es una variante de TPU con propiedades mecánicas mejoradas, que requiere más fuerza para romperse y muestra una mayor elasticidad.
«Ambas propiedades mejoran significativamente solo agregando las esporas», detalló Pokorski. «Esto es genial porque la adición de esporas empuja las propiedades mecánicas más allá de las limitaciones conocidas donde anteriormente había un compromiso entre resistencia a la tracción y elasticidad».
Si bien el estudio actual se centró en producir cantidades en laboratorio más pequeñas para comprender la viabilidad, los investigadores están trabajando en optimizar el enfoque para su uso a escala industrial. Los esfuerzos en curso incluyen la ampliación de la producción a cantidades de kilogramos, la evolución de las bacterias para descomponer materiales plásticos más rápido y explorar otros tipos de plásticos además del TPU.
«Hay muchos tipos diferentes de plásticos comerciales que terminan en el medio ambiente, y el TPU es solo uno de ellos. Uno de nuestros próximos pasos es ampliar el alcance de los materiales biodegradables que podemos fabricar con esta tecnología», concluyó Adam Feist, coautor del estudio publicado en Nature Communications.
Crédito: UCSD. Edición: MP.