Biodegradación

La biodegradación es la descomposición de la materia orgánica por microorganismos , como bacterias y hongos . ^{[ a ] ​​[ 2 ]} A diferencia de la biodegradación, la fitodegradación , que tiene pocas aplicaciones, depende de plantas verdes para efectuar la degradación.

En la práctica, casi todos los compuestos y materiales químicos son biodegradables, siendo el tiempo el factor limitante. Las verduras pueden degradarse en cuestión de días, mientras que algunos plásticos tardan mucho tiempo. Un estándar de biodegradabilidad utilizado por la Unión Europea establece que más del 90 % del material original debe transformarse en CO₂ , agua y minerales mediante procesos biológicos en un plazo de 6 meses. La biodegradación no se aplica a los elementos; por lo tanto, los contaminantes de metales pesados ​​no se biodegradan _.

El proceso de biodegradación se puede dividir en tres etapas: biodeterioro, biofragmentación y asimilación . ^{[ 3 ]} El biodeterioro se describe a veces como una degradación superficial que modifica las propiedades mecánicas, físicas y químicas del material. Esta etapa ocurre cuando el material se expone a factores abióticos en el ambiente exterior y permite una mayor degradación al debilitar la estructura del material. Algunos factores abióticos que influyen en estos cambios iniciales son la compresión (mecánica), la luz, la temperatura y los productos químicos del ambiente. ^{[ 3 ]}  Si bien el biodeterioro suele ocurrir como la primera etapa de la biodegradación, en algunos casos puede ser paralelo a la biofragmentación. ^{[ 4 ]} Hueck, ^{[ 5 ]} sin embargo, definió el biodeterioro como la acción indeseable de los organismos vivos sobre los materiales del hombre, que incluye cosas como la descomposición de las fachadas de piedra de los edificios, ^{[ 6 ]} la corrosión de metales por microorganismos o simplemente los cambios estéticos inducidos en las estructuras hechas por el hombre por el crecimiento de organismos vivos. ^{[ 6 ]}

La biofragmentación de un polímero es el proceso lítico en el que se rompen los enlaces dentro de un polímero, generando oligómeros y monómeros en su lugar. ^{[ 3 ]} Los pasos que se toman para fragmentar estos materiales también difieren según la presencia de oxígeno en el sistema. La descomposición de materiales por microorganismos cuando hay oxígeno presente es digestión aeróbica , y la descomposición de materiales cuando no hay oxígeno presente es digestión anaeróbica . ^{[ 7 ]} La principal diferencia entre estos procesos es que las reacciones anaeróbicas producen metano , mientras que las reacciones aeróbicas no (sin embargo, ambas reacciones producen dióxido de carbono , agua , algún tipo de residuo y una nueva biomasa ). ^{[ 8 ]} Además, la digestión aeróbica suele ocurrir más rápidamente que la digestión anaeróbica, mientras que la digestión anaeróbica hace un mejor trabajo reduciendo el volumen y la masa del material. ^{[ 7 ]} Debido a la capacidad de la digestión anaeróbica para reducir el volumen y la masa de los materiales de desecho y producir un gas natural, la tecnología de digestión anaeróbica se utiliza ampliamente en sistemas de gestión de residuos y como fuente de energía local renovable. ^{[ 9 ]}

En la etapa de asimilación, los productos resultantes de la biofragmentación se integran en las células microbianas . ^{[ 3 ]} Algunos de estos productos se transportan fácilmente dentro de la célula mediante transportadores de membrana . Sin embargo, otros deben someterse a reacciones de biotransformación para generar productos que puedan transportarse al interior de la célula. Una vez dentro, los productos entran en vías catabólicas que conducen a la producción de adenosín trifosfato (ATP) o a la formación de elementos de la estructura celular . ^{[ 3 ]}

Ecuación de biodegradación aeróbica

_Polímero de carbono + O₂ _→ Residuo de carbono ₊ Biomasa _de carbono + _CO₂ + _H₂O

Ecuación de biodegradación anaeróbica

_Polímero de carbono → _residuo de carbono + _biomasa de carbono + _CO₂ + _CH₄ + _H₂O

En la práctica, casi todos los compuestos y materiales químicos están sujetos a procesos de biodegradación. Sin embargo, la importancia radica en las tasas relativas de dichos procesos, como días, semanas, años o siglos. Varios factores determinan la velocidad a la que ocurre esta degradación de compuestos orgánicos. Estos factores incluyen la luz , el agua , el oxígeno y la temperatura. ^{[ 10 ]} La tasa de degradación de muchos compuestos orgánicos está limitada por su biodisponibilidad , que es la tasa a la que una sustancia es absorbida por un sistema o puesta a disposición en el sitio de actividad fisiológica, ^{[ 11 ]} ya que los compuestos deben liberarse en solución antes de que los organismos puedan degradarlos. La tasa de biodegradación se puede medir de varias maneras. Las pruebas de respirometría se pueden utilizar para microbios aerobios . Primero, se coloca una muestra de residuos sólidos en un recipiente con microorganismos y tierra, y luego se airea la mezcla. En el transcurso de varios días, los microorganismos digieren la muestra poco a poco y producen dióxido de carbono; la cantidad resultante de CO ₂ sirve como indicador de degradación. La biodegradabilidad también se puede medir mediante microbios anaeróbicos y la cantidad de metano o aleación que son capaces de producir. ^{[ 12 ]}

Es importante tener en cuenta los factores que afectan las tasas de biodegradación durante las pruebas de productos para garantizar que los resultados sean precisos y fiables. Varios materiales se probarán como biodegradables en condiciones óptimas de laboratorio para su aprobación, pero estos resultados pueden no reflejar los resultados en el mundo real, donde los factores son más variables. ^{[ 13 ]} Por ejemplo, un material que se haya probado como biodegradable a una alta tasa en el laboratorio puede no degradarse a una alta tasa en un vertedero, ya que los vertederos a menudo carecen de luz, agua y actividad microbiana necesarias para que se produzca la degradación. ^{[ 14 ]} Por lo tanto, es muy importante que existan estándares para los productos plásticos biodegradables, que tienen un gran impacto en el medio ambiente. El desarrollo y uso de métodos de prueba estándar precisos puede ayudar a garantizar que todos los plásticos que se producen y comercializan se biodegraden realmente en entornos naturales. ^{[ 15 ]} Una prueba que se ha desarrollado para este propósito es la DINV 54900. ^{[ 16 ]}

Los avances recientes han permitido la monitorización en tiempo real de la biodegradación de polímeros mediante biosensores combinados con aprendizaje automático, mejorando la precisión de las evaluaciones de degradación en diversas condiciones ambientales. ^{[ 17 ]}

La tecnología biodegradable es una tecnología consolidada con algunas aplicaciones en el envasado de productos , la producción y la medicina. ^{[ 33 ]} La principal barrera para su implementación generalizada es la disyuntiva entre biodegradabilidad y rendimiento. Por ejemplo, los plásticos a base de lactida tienen propiedades de envasado inferiores en comparación con los materiales tradicionales.

La oxobiodegradación es definida por CEN (Organización Europea de Normalización) como "degradación resultante de fenómenos oxidativos y mediados por células, ya sea de forma simultánea o sucesiva". Si bien a veces se describe como "oxofragmentable" y "oxodegradable", estos términos describen solo la primera fase u oxidativa y no deben usarse para materiales que se degradan mediante el proceso de oxobiodegradación definido por CEN: la descripción correcta es "oxobiodegradable". Las formulaciones oxobiodegradables aceleran el proceso de biodegradación, pero se requiere considerable habilidad y experiencia para equilibrar los ingredientes dentro de las formulaciones de manera que el producto tenga una vida útil durante un período determinado, seguido de degradación y biodegradación. ^{[ 34 ]}

La tecnología biodegradable es especialmente utilizada por la comunidad biomédica . Los polímeros biodegradables se clasifican en tres grupos: médicos, ecológicos y de doble aplicación, mientras que en términos de origen se dividen en dos grupos: naturales y sintéticos. ^{[ 20 ]} El Clean Technology Group está aprovechando el uso de dióxido de carbono supercrítico , que a alta presión y temperatura ambiente es un disolvente que puede utilizar plásticos biodegradables para fabricar recubrimientos de fármacos poliméricos. El polímero (es decir, un material compuesto por moléculas con unidades estructurales repetitivas que forman una cadena larga) se utiliza para encapsular un fármaco antes de la inyección en el cuerpo y se basa en ácido láctico , un compuesto que el cuerpo produce normalmente y, por lo tanto, puede excretarse de forma natural. El recubrimiento está diseñado para una liberación controlada durante un período de tiempo, reduciendo el número de inyecciones necesarias y maximizando el beneficio terapéutico. El profesor Steve Howdle afirma que los polímeros biodegradables son particularmente atractivos para su uso en la administración de fármacos , ya que una vez introducidos en el cuerpo no requieren recuperación ni manipulación adicional y se degradan en subproductos solubles y no tóxicos. Los distintos polímeros se degradan a diferentes velocidades dentro del cuerpo y, por lo tanto, la selección del polímero se puede adaptar para lograr las velocidades de liberación deseadas. ^{[ 35 ]}

Otras aplicaciones biomédicas incluyen el uso de polímeros biodegradables, elásticos y con memoria de forma. Los materiales de implante biodegradables ahora se pueden utilizar en procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos mediante polímeros termoplásticos degradables. Estos polímeros pueden cambiar de forma con el aumento de la temperatura, lo que les confiere propiedades de memoria de forma, así como la facilidad con la que se degradan las suturas. Como resultado, los implantes pueden insertarse a través de pequeñas incisiones, los médicos pueden realizar fácilmente deformaciones complejas y las suturas y otros materiales auxiliares se biodegradan naturalmente después de la cirugía. ^{[ 36 ]}

No existe una definición universal de biodegradación y existen diversas definiciones de compostaje , lo que ha generado mucha confusión entre ambos términos. A menudo se utilizan indistintamente; sin embargo, no tienen el mismo significado. La biodegradación es la descomposición natural de materiales por microorganismos como bacterias y hongos u otra actividad biológica. ^{[ 37 ]} El compostaje es un proceso antropogénico en el que la biodegradación se produce bajo un conjunto específico de circunstancias. ^{[ 38 ]} La principal diferencia entre ambos radica en que uno es un proceso natural y el otro es antropogénico.

El material biodegradable es capaz de descomponerse sin una fuente de oxígeno (anaeróbicamente) en dióxido de carbono, agua y biomasa, pero el tiempo no está definido con precisión. De manera similar, el material compostable se descompone en dióxido de carbono, agua y biomasa; sin embargo, también se descompone en compuestos inorgánicos. El proceso de compostaje está más específicamente definido, ya que está controlado por humanos. En esencia, el compostaje es un proceso de biodegradación acelerado debido a circunstancias optimizadas. ^{[ 39 ]} Además, el producto final del compostaje no solo regresa a su estado anterior, sino que también genera y agrega microorganismos beneficiosos al suelo llamados humus . Esta materia orgánica se puede utilizar en jardines y granjas para ayudar a cultivar plantas más sanas en el futuro. ^{[ 40 ]} El compostaje ocurre de manera más consistente en un período de tiempo más corto, ya que es un proceso más definido y se acelera con la intervención humana. La biodegradación puede ocurrir en diferentes períodos de tiempo bajo diferentes circunstancias, pero está destinada a ocurrir naturalmente sin intervención humana.

Incluso dentro del compostaje, existen diferentes circunstancias en las que esto puede ocurrir. Los dos tipos principales de compostaje son el doméstico y el comercial. Ambos producen tierra sana para su reutilización; la principal diferencia radica en los materiales que se pueden incorporar al proceso. ^{[ 39 ]} El compostaje doméstico se utiliza principalmente para restos de comida y exceso de materiales de jardín, como malas hierbas. El compostaje comercial es capaz de descomponer productos vegetales más complejos, como plásticos derivados del maíz y piezas de material más grandes, como ramas de árboles. El compostaje comercial comienza con la descomposición manual de los materiales utilizando una trituradora u otra máquina para iniciar el proceso. Dado que el compostaje doméstico suele realizarse a menor escala y no implica maquinaria grande, estos materiales no se descompondrían completamente en el compostaje doméstico. Además, un estudio ha comparado y contrastado el compostaje doméstico e industrial, concluyendo que ambos tienen ventajas y desventajas. ^{[ 42 ]}

Los siguientes estudios proporcionan ejemplos en los que el compostaje se ha definido como un subconjunto de la biodegradación en un contexto científico. El primer estudio, "Evaluación de la biodegradabilidad de plásticos en condiciones de compostaje simuladas en un entorno de prueba de laboratorio", examina claramente el compostaje como un conjunto de circunstancias que se engloban en la categoría de degradación. ^{[ 43 ]} Además, este siguiente estudio analizó los efectos de la biodegradación y el compostaje del ácido poliláctico reticulado química y físicamente. ^{[ 44 ]} Cabe destacar que se discuten el compostaje y la biodegradación como dos términos distintos. El tercer y último estudio revisa la estandarización europea de materiales biodegradables y compostables en la industria del embalaje, utilizando nuevamente los términos por separado. ^{[ 45 ]}

La distinción entre estos términos es crucial porque la confusión en la gestión de residuos lleva a la eliminación inadecuada de materiales por parte de las personas a diario. La tecnología de biodegradación ha dado lugar a mejoras sustanciales en la forma en que eliminamos los residuos; ahora existen contenedores de basura, reciclaje y compostaje para optimizar el proceso de eliminación. Sin embargo, si estos flujos de residuos se confunden comúnmente y con frecuencia, entonces el proceso de eliminación no está en absoluto optimizado. ^{[ 46 ]} Se han desarrollado materiales biodegradables y compostables para asegurar que una mayor cantidad de desechos humanos pueda descomponerse y volver a su estado original, o en el caso del compostaje, incluso agregar nutrientes al suelo. ^{[ 47 ]} Cuando un producto compostable se desecha en lugar de compostarse y enviarse a un vertedero, estos inventos y esfuerzos se desperdician. Por lo tanto, es importante que los ciudadanos comprendan la diferencia entre estos términos para que los materiales puedan eliminarse de manera adecuada y eficiente.

La contaminación plástica derivada de los vertidos ilegales supone riesgos para la salud de la fauna silvestre. Los animales suelen confundir los plásticos con alimento, lo que provoca que se les enreden en el intestino. Los productos químicos de lenta degradación, como los bifenilos policlorados (PCB), el nonilfenol (NP) y los pesticidas presentes también en los plásticos, pueden liberarse al medio ambiente y ser ingeridos posteriormente por la fauna silvestre. ^{[ 48 ]}

Estos compuestos químicos también influyen en la salud humana, ya que el consumo de alimentos contaminados (en procesos denominados biomagnificación y bioacumulación) se ha relacionado con problemas como el cáncer, ^{[ 49 ]} la disfunción neurológica ^{[ 50 ]} y alteraciones hormonales. Un ejemplo conocido de cómo la biomagnificación afecta la salud en los últimos tiempos es la mayor exposición a niveles peligrosamente altos de mercurio en el pescado , lo que puede afectar las hormonas sexuales en los seres humanos. ^{[ 51 ]}

En los esfuerzos por remediar los daños causados ​​por plásticos de lenta degradación, detergentes, metales y otros contaminantes creados por los humanos, los costos económicos se han convertido en una preocupación. La basura marina, en particular, es notablemente difícil de cuantificar y evaluar. ^{[ 52 ]} Investigadores del Instituto de Comercio Mundial estiman que el costo de las iniciativas de limpieza (específicamente en los ecosistemas oceánicos) ha alcanzado cerca de trece mil millones de dólares al año. ^{[ 53 ]} La principal preocupación proviene de los entornos marinos, y los mayores esfuerzos de limpieza se centran en las manchas de basura en el océano. La Gran Mancha de Basura del Pacífico , una mancha de basura del tamaño de México, se encuentra en el Océano Pacífico. Se estima que tiene más de un millón de millas cuadradas de tamaño. Si bien la mancha contiene ejemplos más obvios de basura (botellas de plástico, latas y bolsas), los diminutos microplásticos son casi imposibles de limpiar. ^{[ 54 ]} National Geographic informa que incluso más materiales no biodegradables están llegando a entornos vulnerables: casi treinta y ocho millones de piezas al año. ^{[ 55 ]}

Los materiales que no se han degradado también pueden servir de refugio para especies invasoras, como gusanos tubícolas y percebes. Cuando el ecosistema cambia en respuesta a las especies invasoras, se alteran las especies residentes y el equilibrio natural de los recursos, la diversidad genética y la riqueza de especies. ^{[ 56 ]} Estos factores pueden sustentar las economías locales a través de la caza y la acuicultura, que se ven afectadas por el cambio. ^{[ 57 ]} De manera similar, las comunidades costeras que dependen en gran medida del ecoturismo pierden ingresos debido a la acumulación de contaminación, ya que sus playas o costas dejan de ser atractivas para los viajeros. El Instituto de Comercio Mundial también señala que las comunidades que suelen sufrir más los efectos de la mala biodegradación son los países más pobres que carecen de los medios para costear su limpieza. ^{[ 53 ]} En un círculo vicioso, a su vez, tienen dificultades para controlar sus propias fuentes de contaminación. ^{[ 58 ]}

El primer uso conocido del término biodegradable en un contexto biológico data de 1959, cuando se empleó para describir la descomposición de un material en componentes inocuos por acción de microorganismos . ^{[ 59 ]} Actualmente, el término biodegradable se asocia comúnmente con productos respetuosos con el medio ambiente que forman parte de los ciclos naturales de la Tierra, como el ciclo del carbono , y que son capaces de descomponerse y reintegrarse a elementos naturales.

• Asociación Europea de Bioplásticos
• La ciencia de los plásticos biodegradables: la realidad detrás de los materiales de embalaje de plástico biodegradable.
• Definición de plástico biodegradable