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Introducción
El uso del polietileno de baja densidad (LDPE por sus siglas en inglés) crece exponencialmente con la población, la economía y las actividades de producción, debido a su versatilidad, ligereza, flexibilidad, resistencia y bajo valor monetario. Por estas características y su resistencia a la degradación, sus desechos constituyen un problema de contaminación ambiental por el manejo y disposición inadecuada, generando amenazas e impactos negativos al medio ambiente 1.
Los desechos plásticos contribuyen entre el 10 y el 13 % de los residuos sólidos urbanos a nivel mundial, en forma, principalmente, de botellas, bolsas, materiales de empaque, recipientes, vasos y tapas, entre otros 2. Una alta cantidad de estos LDPE llegan a los ecosistemas terrestres, contaminando los suelos, lo que puede causar efectos negativos para el medio ambiente y la salud humana 3, debido a la dificultad de su degradación de forma natural 4,5, ya que esta puede tardar entre 50 y 400 años 6.
El LDPE derivado del petróleo está constituido por moléculas complejas de polímeros de cadenas de carbono e hidrógeno, las cuales son resistentes a las condiciones climáticas y a la actividad biológica; representa un riesgo cuando queda expuesto en el ambiente, porque afecta de manera directa o indirecta los ecosistemas y al ser humano 7.
Una alternativa para los suelos contaminados con plástico es el uso de estrategias biotecnológicas, las cuales han permitido avanzar en procesos de biodegradación con el uso de microorganismos. Estos bioprocesos presentan un creciente interés, debido a la ineficiencia de los métodos químicos y físicos de eliminación, y a los problemas ambientales como la contaminación y la degradación de los ecosistemas, y a los efectos en la vida silvestre 8,9. Los microorganismos del suelo tienen la capacidad de degradar la superficie de los plásticos para obtener fuente de carbono 10,11,12; en el caso de las bacterias, se han reportado Rhodococcus sp., Bacillus sp. 13 y Pseudomona citronelloli con capacidad de degradación hasta del 17,8 % 14.
Los hongos también han demostrado un gran poder para degradar plásticos, al crear enlaces químicos para formar grupos funcionales, tales como los carbonilo, carboxilo y éster, los cuales tienen la capacidad de debilitar la hidrofobicidad del material 15. Alguno de los hongos reportados son A. alternata, A. versicolor, A.fumigatus, Mucor sp. y B. sorokiniana, que biodegradan el tereftalato de polietileno (PET) 16; A. niger, A. violaceofuscus, A. fumigatus, A. alternata, A. flavus, P. purpurogenum, P. chrysogenum, Mucor sp., Fusarium sp. 17 y T. harzianum; este último degradó bolsas de polietileno con un 40 % de pérdida de peso 18.
El propósito de este trabajo es evaluar la biodegradabilidad del polietileno de baja densidad (LDPE), en suelo, utilizando hongos del género Aspergillus sp. durante dos periodos de tiempo y dos calibres.
El aporte de esta investigación a la ingeniería se basa en la evaluación de procesos biotecnológicos mediados por hongos del suelo, para generar un impacto ambiental al biodegradar un residuo altamente contaminante en los ecosistemas.
Materiales y métodos
Experimental
Se tomó una muestra de suelo (Andisol), a una profundidad de 0-20 cm, correspondiente a un horizonte A, en Rionegro, Antioquia, a la cual se le retiraron raíces y rocas, se secó al aire por cinco días, luego se pasó por un tamiz número 10, para obtener una muestra homogénea. Este suelo se caracterizó así de manera fisicoquímica: textura (%) (arena, limo y arcilla, Bouyoucos) 19; materia orgánica (%) por ignición 20; el pH en una relación 1:2 suelo: agua; capacidad de intercambio catiónico efectiva (CICE) por suma de cationes 21; fósforo, Bray II 25; Fe, Mn, Cu y Zn, Olsen-EDTA 22. Además, se midió la máxima capacidad de retención de agua (%) y se regó con solución nutritiva Hoagland 23. El suelo se esterilizó en autoclave durante una hora a 121 °C, 103,4 KPa. Finalmente se sirvieron 100 g de suelo seco en macetas de aluminio estériles.
Se usaron dos calibres de LDPE, 0,45 mm y 0,9 mm, los cuales se cortaron con láser para obtener muestras de 4 cm2 y 25 cm2. Posteriormente, fueron sometidas a un pretratamiento de desinfección con etanol al 70 %, luego sumergidas en 200 mL de agua desionizada estéril durante 10 minutos y, por último, se llevaron a un desecador a una temperatura de 20 °C y a una humedad de saturación del aire de 48 % durante 24 horas. Una vez secas las muestras se pesaron en balanza analítica y se dispusieron en las macetas con suelo estéril.
Las cepas de Aspergillus fumigatus, A. flavus y A. niger provienen de la “Colección del laboratorio de microbiología de suelos de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín”, las cuales se cultivaron por separado en medio PDA (Papa Dextrosa Agar), durante cinco días, a 37 °C; luego se realizó una suspensión de esporas y micelio en agua destilada estéril, con el fin de obtener el inoculo para cada uno de los hongos, de la cual se tomaron 4 mL con una concentración de 1x107 UFc/mL 24 de cada suspensión, para inocular las macetas con las muestras de LDPE.
Se empleó un diseño experimental factorial asimétrico, en el que se consideraron cuatro factores: cepa, tamaño, calibre del LDPE y tiempo de degradación. Para el factor cepa se incorporaron cinco niveles, cada hongo de manera individual: Aspergillus flavus (AF), Aspergillus niger (AN), Aspergillus fumigatus (AG), un consorcio de las tres cepas y una muestra no inoculada como control. En cuanto al factor tamaño del LDPE se evaluaron dos áreas de 4 cm2 y 25 cm2, mientras que el factor calibre incluyó dos niveles de 0,45 mm y 0,9 mm. Por último, en el factor tiempo se consideraron dos intervalos: 30 y 60 días. Cada ensayo se realizó por triplicado.
Al finalizar la degradación, las muestras de LDPE se lavaron con etanol al 70 % y se introdujeron en agua destilada estéril durante 15 minutos, luego se secaron en un desecador durante 24 horas. Finalmente, se pesaron para estipular el porcentaje de biodegradabilidad mediante la ecuación 1.
Donde, m0: masa inicial (g) de las muestras de polietileno de baja densidad, y mf: masa final (g) de las muestras de polietileno de baja densidad.
Se realizó un Anova con un p<0,5, y una prueba de diferencia de medias por Duncan, Statgraphic Centurion XVI.
Resultados y discusión
El resultado fisicoquímico del suelo se puede ver en la tabla 1. Según los resultados del suelo, el pH está en el rango de biodisponibilidad de los nutrientes para los hongos, sin presencia de Al, que puede ser tóxico, con una textura franco arenosa.
Tabla 1. Resultados fisicoquímicos del suelo
| Al | Ca | Mg | K | Materia orgánica | Arena | Limo | Arcilla | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Parámetro | cmol(+)/kg | % | ||||||
| Valor | 0,0 | 4,4 | 1,0 | 0,3 | 11,3 | 70 | 20 | 10 |
| Parámetro | P | S | Fe | Mn | Zn | Cu | B | PH |
| mg/kg | ||||||||
| Valor | 3,0 | 16 | 51,9 | 6,9 | 1,9 | 3,2 | 0,08 | 5,5 |
Fuente: elaboración propia.
El porcentaje de degradación del polietileno de baja densidad (LDPE) con los hongos, utilizando un calibre de 0,9 mm y una superficie de 25 cm2, se aprecia en la figura 1. Los resultados revelan un efecto estadísticamente significativo de acuerdo con la prueba de diferencia de medias de Duncan con un p<0,5 y una prueba de rangos múltiples con un LSD del 95 %.
Fuente: elaboración propia.
Figura 1. Biodegradación (%) de LDPE en 30 y 60 días, con un calibre de 0,90 mm y un tamaño de 25 cm2, (NI) no inoculado, (AF) Aspergillus flavus, (AN) Aspergillus niger, (AG) Aspergillus fumigatus. Cada columna es el promedio de tres datos y las letras minúsculas (a, b, c, d) corresponden a la diferencia estadística significativa entre los datos.
Al inocular con cepas de hongos del género Aspergillus sp., en el proceso de degradación del LDPE en suelo, se presentó diferencia estadística significativa con respecto a los controles no inoculados. El tratamiento que mejor presentó degradación del plástico fue el consorcio de las cepas, con un valor de 0,34 % en 60 días. Los hongos de forma individual con mejor desempeño presentaron los siguientes porcentajes de degradación: AF 0,26 % en 60 días y AG 0,20 % en 30 días. Por otro lado, la inoculación individual de AN mostró el menor porcentaje de degradación registrado de 0,14 % en 60 días. Con relación al tiempo de experimentación, no se observaron diferencias estadísticamente relevantes entre los períodos de inoculación de 30 y 60 días con las cepas de hongos, en términos de la degradación del LDPE para el calibre de 0,90 mm.
En la figura 2 se observa el porcentaje de biodegradación del LDPE con el menor calibre (0,45 mm) y un área de 25 cm2. Se presenta un efecto estadísticamente significativo al inocular los hongos. El mejor tratamiento fue el consorcio de cepas formado por Aspergillus flavus, Aspergillus niger y Aspergillus fumigatus, las cuales mostraron la máxima eficacia en términos de degradación, alcanzando un porcentaje de 18,45 % en un período de 60 días.
Fuente: elaboración propia.
Figura 2. Biodegradación (%) de LDPE en 30 y 60 días, con un calibre de 0,45 mm y un tamaño de 25 cm2, (NI) no inoculado, (AF) Aspergillus flavus, (AN) Aspergillus niger, (AG) Aspergillus fumigatus. Cada columna es el promedio de tres datos y las letras minúsculas (a, b, c, d) corresponden a la diferencia estadística significativa entre los datos.
Se observaron resultados significativos con las inoculaciones individuales de A. fumigatus, con una tasa de degradación del 17,05 %, y de A. niger con un 16,52 % en 60 días; mientras que la inoculación con A. flavus reveló el menor índice de degradación registrado, con un valor de 16,10 % en 60 días. Al inocular microorganismos del suelo se aprecian la eficacia y la eficiencia asociadas con la inoculación, en contraste con las muestras no inoculadas 25.
En relación con el tiempo de degradación, para el calibre menor (0,45 mm) se presentó una diferencia estadísticamente significativa entre los tiempos, siendo superior la degradación a mayor tiempo (60 días).
En la figura 3 se puede observar la degradación del LDPE con el menor calibre y la menor área superficial (4 cm2) y cómo el consorcio mantuvo su dominio como el experimento con la mayor tasa de degradación, registrando un valor del 16,10 %. A este le siguieron los experimentos correspondientes a AF con un valor de 13,56 %, y AN y AG con una degradación de 13,46 % en un período de 60 días.
Fuente: elaboración propia.
Figura 3 Biodegradación de LDPE en 30 y 60 días, con un calibre de 0,45 mm y un tamaño de 4 cm2, (NI) no inoculado, (AF) Aspergillus flavus, (AN) Aspergillus niger, (AG) Aspergillus fumigatus. Cada columna es el promedio de tres datos y las letras minúsculas (a, b, c, d) corresponden a la diferencia estadística significativa entre los datos.
Es relevante destacar que el tamaño de partícula y el calibre desempeñaron un papel crucial en el proceso de biodegradación; esto puede deberse a la forma en que los microorganismos emplearon su espacio y dimensión para obtener su fuente de carbono a partir del LDPE. El desempeño satisfactorio de las cepas de Aspergillus sp. se debe a que estas son capaces de producir enzimas para deteriorar el LDPE y emplearlo como fuente energética y de carbono 26.
Los resultados del aislamiento de los hongos presentes en el suelo al final de la experimentación (tabla 2) confirman la viabilidad y persistencia de los microorganismos en el período de estudio.
Tabla 2. Resultado del crecimiento de los microorganismos en el suelo en medio pda, luego de 30 y 60 días de tratamiento, con calibres de 0,45 mm y 0,90 mm
Fuente: elaboración propia.
En ambos periodos de tiempo del experimento se pudo apreciar la mínima alteración de peso que sufrieron las muestras de LDPE en los tratamientos no inoculados (NI), lo que prueba un proceso degradativo, a pesar de no contar con la presencia de las cepas; esto se puede deber a factores como la oxidación y la humedad. El plástico en el suelo, por los contenidos de humedad y materia orgánica, puede tener una degradación hidrolítica que provoca una fragmentación de los enlaces de hidrógeno, rompiendo los radicales funcionales al interior de la molécula, mediante la acción de enzimas que hidrolizan los enlaces amida, uretano o éster, lo que favorece la hidrofobicidad del polímero, transformándolo en sustancias solubles que pueden ser absorbidos por los hongos 27.
Los hongos tienen la capacidad de descomponer de forma natural los polímeros, debido a que los productos de descomposición son nutrientes para estos microorganismos. En los casos de las investigaciones de biorremediación de plásticos por hongos del género Aspergillus sp., se han alcanzado resultados positivos en los mismos porcentajes de degradación, en tiempos similares con los de este estudio (figuras 2 y 3), como se evidencia en el trabajo llevado a cabo por Raaman y colaboradores 28, que utilizaron polietileno de baja densidad y la inocularon Aspergillus niger y Aspergillus japonicus y durante 30 días, y obtuvieron degradaciones de 5,8 % y 11,11 %, respectivamente. Sáenz y colaboradores 29 degradaron LDPE con Aspergillus terreus y Aspergillus niger, durante 77 días, y lograron resultados de 22,14 % para A. terreus, y de 35;3 % para A. niger.
Mathur y Prasad 30 desarrollaron el estudio con polietileno de alta densidad, durante 30 días, y Aspergillus niger, y alcanzaron un resultado de 3,44 % de reducción en masa de la muestra, bajo un proceso de oxidación térmica.
Das y Kumar 31 implementaron el uso de Aspergillus sp. y Fusarium sp. con muestras de LDPE durante 60 días, y finalmente evidenciaron una reducción del peso de las muestras plásticas entre el 5 % y 8 %. En comparación con estos autores, las cepas A. niger; A. flavus y A. fumigatus usadas en esta investigación lograron porcentajes de degradación hasta del 19 % (figuras 2 y 3).
Los mejores resultados de degradación del LDPE se obtuvieron con el consorcio de las cepas (figuras 2 y 3); resultados similares fueron reportados por DSouza y colaboradores 32, quienes implementaron en el proceso de degradación de LDPE tres periodos de 20,30 y 55 días, con un consorcio conformado por tres cepas, Aspergillus niger; orizae y flavus, del cual resultó un porcentaje de reducción de peso por biodegradación de 26,15 %, en un periodo de 55 días.
Finalmente, Deepika y Madhuri 33 emplearon Aspergillus niger y flavus, y el proceso de biodegradación de LDPE se realizó en periodos de tiempo entre 2, 4 y 6 meses, en los cuales se obtuvieron porcentajes de biodegradación de 26,17 % con A. niger y de 16,45 % con A. flavus y al transcurrir seis meses de experimentación.
Conclusiones
Los microorganismos pertenecientes al género Aspergillus sp. logran biodegradar LDPE en el suelo al usarlo como fuente de carbono. Esta degradación depende del calibre y el tamaño del plástico, y presenta un efecto estadísticamente significativo en comparación con las muestras no inoculadas. Este hallazgo indica que el calibre del material desempeñó un papel crucial en el proceso de degradación, mediado por estos microorganismos, debido a que el calibre menor brindó una mayor facilidad de acceso a la fuente de carbono de este material.
El tiempo de degradación es un factor importante, puesto que los resultados obtenidos en 60 días superaron los valores alcanzados en 30 días. Durante ambos periodos de tiempo, se evidenció que el consorcio de las cepas funcionó mejor que cada una de ellas de forma individual. Además, se ha corroborado la viabilidad de los hongos y su capacidad para colonizar la superficie del polietileno.
