Plastisfera

La plastisfera fue descrita por primera vez en 2013 por un equipo de tres científicos marinos: Linda Amaral-Zettler del Laboratorio de Biología Marina, Tracy Mincer de la Institución Oceanográfica Woods Hole y Erik Zettler de la Asociación de Educación Marina . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Recolectaron muestras de plástico durante viajes de investigación para estudiar cómo funcionan los microorganismos y alteran el ecosistema. Analizaron fragmentos de plástico recolectados en redes de múltiples ubicaciones dentro del Océano Atlántico. ^{[ 11 ]} Los investigadores utilizaron una combinación de microscopía electrónica de barrido y secuenciación de ADN para identificar la composición distintiva de la comunidad microbiana de la plastisfera. ^{[ 11 ]} Entre los hallazgos más notables se encontraban los "formadores de hoyos", organismos que forman grietas y hoyos que proporcionan evidencia de biodegradación ^{[ 11 ] [ 12 ]} y que también pueden tener el potencial de descomponer hidrocarburos . ^{[ 11 ]} En su análisis, los investigadores también encontraron miembros del género Vibrio , un género que incluye las bacterias que causan el cólera y otras afecciones gastrointestinales. ^{[ 13 ]} Algunas especies de Vibrio pueden brillar, y se hipotetiza que esto atrae a los peces que comen los organismos que colonizan el plástico, los cuales luego se alimentan del estómago de los peces. ^{[ 14 ]} Estudios realizados en el Mar Báltico ^{[ 15 ]} y en el Mar Mediterráneo , ^{[ 16 ]} también encontraron microorganismos del género Vibrio , en películas y fragmentos de plástico , y en fibras de plástico, respectivamente.

El plástico fue inventado en 1907 por Leo Baekeland utilizando formaldehído y fenol . ^{[ 17 ]} Desde entonces, el uso de plástico se ha disparado y es común en toda la sociedad humana. De 1964 a 2014, el uso de plástico aumentó veinte veces. Se espera que se duplique con respecto a los niveles de 2014 para 2035. ^{[ 18 ]} Los esfuerzos para frenar la producción de plástico mediante prohibiciones de plástico se han centrado principalmente en los envases y los plásticos de un solo uso , pero no han frenado el ritmo de la contaminación por plástico. De manera similar, las tasas de reciclaje de plástico tienden a ser bajas. En la UE , solo el 29% del plástico consumido se recicla. ^{[ 19 ]} El plástico que no llega a una planta de reciclaje o vertedero se acumula en los entornos marinos debido al vertido accidental de los residuos, las pérdidas durante el transporte o la eliminación directa desde los barcos. ^{[ 19 ]} En 2010, se estimó que entre 4 y 12 millones de toneladas métricas (Mt) de residuos plásticos ingresaron a los ecosistemas marinos. ^{[ 20 ]}

Partículas de microplástico más pequeñas y discretas se han acumulado en los océanos desde la década de 1960. ^{[ 21 ]} Una preocupación más reciente en la contaminación por microplásticos es el uso de películas plásticas en la agricultura. Cada año se utilizan 7,4 millones de toneladas de película plástica para aumentar la producción de alimentos. ^{[ 22 ]} Los científicos han descubierto que las biopelículas microbianas pueden formarse en 7 a 14 días en las superficies de las películas plásticas y tienen la capacidad de alterar las propiedades químicas del suelo y las plantas que ingerimos. ^{[ 23 ]} Se han registrado microplásticos en todas partes, incluso en el Ártico debido a la circulación atmosférica. ^{[ 24 ]}

Estudios de secuenciación a gran escala han encontrado que las diversidades alfa son menores en la plastisfera en relación con las muestras de suelo circundantes debido a una disminución en la riqueza de especies en la plastisfera. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} Los fragmentos de película de polímero afectan a los microbios de diferentes maneras, lo que lleva a efectos mixtos en las tasas de crecimiento microbiano en la plastisfera. ^{[ 25 ] [ 28 ] [ 29 ]} Ciertas bacterias degradadoras de polímeros liberan subproductos tóxicos como resultado de la degradación, sirviendo como un elemento disuasorio para la colonización de la plastisfera por otras especies. ^{[ 25 ]} La diversidad filogenética también está disminuida en la plastisfera en relación con las muestras de suelo cercanas. ^{[ 25 ]}

Las comunidades bacterianas y microbianas en la plastisfera son significativamente diferentes de las que se encuentran en las muestras de suelo circundantes, creando un nuevo nicho ecológico dentro del ecosistema. ^{[ 25 ] [ 30 ] [ 31 ]} El crecimiento específico de bacterias causado por fragmentos de película es una causa principal de la creación de una comunidad bacteriana única. ^{[ 25 ] [ 32 ]} También se ha demostrado que los cambios en la composición de la comunidad bacteriana a lo largo del tiempo en la plastisfera impulsan cambios en el terreno circundante. ^{[ 25 ] [ 28 ] [ 33 ]}

En otro estudio que analizó los factores que influyen en la diversidad de la plastisfera, los investigadores encontraron que el mayor grado de microorganismos únicos tendía a favorecer las piezas de plástico que eran azules. ^{[ 34 ]}

Un artículo de 2024 describió un experimento realizado en el océano Atlántico y el mar Mediterráneo con el objetivo de estudiar la colonización y la variedad genética de organismos en la plastisfera marina. El artículo identificó tardígrados incubando en plásticos in situ . ^{[ 35 ]}

La capacidad de ciertas bacterias para degradar polímeros facilita su proliferación dentro de la plastisfera. Los filos de bacterias que tienen una mayor presencia en la plastisfera en relación con las muestras de suelo sin microfragmentos de plástico incluyen Acidobacteria , Actinobacteria , Bacteroidetes , Chloroflexi, Firmicutes, Planctomycetes y Proteobacteria . ^{[ 25 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} Además, las bacterias de los órdenes Rhizobiales , Rhodobacterales y Sphingomonadales están enriquecidas en la plastisfera. ^{[ 25 ]} Las interacciones dentro de la composición única de la comunidad bacteriana en la plastisfera influyen en los ciclos biogeoquímicos locales y las interacciones de la red trófica de los ecosistemas .

Las comunidades bacterianas en la plastisfera tienen metabolismos mejorados. ^{[ 25 ]} Los análisis de enriquecimiento de vías KEGG de muestras de la plastisfera han demostrado aumentos en el procesamiento de información genética y ambiental, procesos celulares y sistemas de organismos. ^{[ 25 ]} Las funciones metabólicas mejoradas para las comunidades en la plastisfera incluyen metabolismo del nitrógeno, vías de señalización de la insulina, secreción bacteriana, metabolismo de compuestos organofosforados , metabolismo antioxidante, síntesis de vitamina B, quimiotaxis, síntesis de quinonas terpenoides, metabolismo del azufre, metabolismo de carbohidratos, degradación de herbicidas, metabolismo de ácidos grasos, metabolismo de aminoácidos, vías de cuerpos cetónicos, síntesis de lipopolisacáridos, degradación de alcohol, degradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos, metabolismo de lípidos, metabolismo de cofactores, crecimiento celular, motilidad celular, transporte de membrana, metabolismo energético y metabolismo de xenobióticos. ^{[ 25 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

La presencia de especies degradadoras de hidrocarburos, como las bacterias hidrocarbonoclásticas, en la plastisfera indica un vínculo directo entre la plastisfera y el ciclo del carbono . ^{[ 25 ] [ 42 ] [ 43 ]}

Los análisis de metagenoma sugieren que los genes involucrados en la degradación del carbono, la fijación de nitrógeno, la conversión de nitrógeno orgánico, la oxidación del amoníaco, la desnitrificación, la solubilización del fósforo inorgánico, la mineralización del fósforo orgánico y la producción de transportadores de fósforo están enriquecidos en la plastisfera, lo que demuestra el impacto potencial de la plastisfera en los ciclos biogeoquímicos . ^{[ 25 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} Los filos bacterianos específicos presentes en la plastisfera debido a sus capacidades de biodegradación y su papel en los ciclos del carbono, nitrógeno y fósforo incluyen Proteobacteria y Bacteroidetes. ^{[ 25 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 51 ] [ 52 ]} Algunas bacterias degradadoras de carbono pueden utilizar plásticos como fuente de alimento. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Las investigaciones realizadas en el Pacífico Sur han estudiado el potencial de la plastisfera en la contribución _de CO₂ y N₂O _, observándose contribuciones relativamente bajas de gases de efecto invernadero por parte de la plastisfera. Sin embargo, se concluyó que la contribución de gases de efecto invernadero dependía del grado de concentración de nutrientes y del tipo de plástico. ^{[ 55 ]}

Los análisis de enriquecimiento de vías KEGG de muestras de plastisfera sugieren que las secuencias relacionadas con enfermedades humanas están enriquecidas en la plastisfera. ^{[ 25 ]} Las secuencias de Vibrio cholerae causante del cólera , las vías del cáncer y la toxoplasmosis están enriquecidas en la plastisfera. ^{[ 13 ] [ 25 ]} Las bacterias patógenas se mantienen en la plastisfera en parte debido a la adsorción de contaminantes orgánicos en biopelículas y su uso como nutrición. ^{[ 25 ] [ 39 ] [ 40 ]} La investigación actual también tiene como objetivo identificar la relación entre la plastisfera y los virus respiratorios y si la plastisfera afecta la persistencia y supervivencia viral en el medio ambiente. ^{[ 56 ]}

Algunos microorganismos presentes en la plastisfera tienen el potencial de degradar materiales plásticos. ^{[ 19 ]} Esto podría ser potencialmente ventajoso, ya que los científicos podrían utilizar los microbios para descomponer el plástico que de otro modo permanecería en el medio ambiente durante siglos. ^{[ 57 ]} Sin embargo, a medida que el plástico se descompone en piezas más pequeñas y finalmente en microplásticos , existe una mayor probabilidad de que sea consumido por el plancton y entre en la cadena alimentaria . ^{[ 58 ]} A medida que el plancton es consumido por organismos más grandes, el plástico puede eventualmente causar bioacumulación en peces y otras especies marinas consumidas por los humanos. ^{[ 58 ]} La siguiente tabla enumera algunos microorganismos con capacidad de biodegradación. ^{[ 19 ]}

A menudo, el proceso de degradación del plástico por microorganismos es bastante lento. ^{[ 19 ]} Sin embargo, los científicos han estado trabajando en la modificación genética de estos organismos para aumentar su potencial de biodegradación del plástico . Por ejemplo, Ideonella sakaiensis ha sido modificada genéticamente para degradar el PET a mayor velocidad. ^{[ 68 ]} Diversos pretratamientos químicos y físicos también han demostrado potencial para mejorar el grado de biodegradación de diferentes polímeros. Por ejemplo, se han utilizado tratamientos de irradiación UV o rayos C para aumentar el grado de biodegradación de ciertos plásticos. ^{[ 19 ]}

Un trabajo reciente de Li et al. (2023) ^{[ 69 ]} ha continuado este esfuerzo mediante un enfoque novedoso que combina la capacidad de degradación de PET de Ideonella sakaiensis con las características de afinidad por el agua salada de Vibrio natriegens. El trabajo de laboratorio de Li et al. (2023) ^{[ 69 ]} logró extraer ADN de I. sakaiensis e insertarlo en V. natriegens. Este proceso permitió a V. natriegens crear enzimas capaces de degradar el plástico PET en un entorno de agua salada. Si bien este trabajo se realizó estrictamente en laboratorio y a temperatura ambiente, representa un avance en el desarrollo de microorganismos que puedan descomponer micro y nanoplásticos que, de otro modo, se acumularían en entornos terrestres y oceánicos.