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Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Título: Conoce a los polímeros bacterianos

Actividad final: After the draft

Alumna: Benítez Canseco Alejandra Yetlanezi

Profesor: Luis Flores Olmos

Asignatura: TIC

Junio, 2015

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Índice

Introducción 2

Una increíble alternativa: Polímeros bacterianos 4

Propiedades 5

Historia 6

Usos y beneficios 8

Un punto en contra 9

Solución al problema: Reducción de costos 9

Conclusiones 11

Bibliografía 12

Citas textuales 13

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Introducción

Desde que el ser humano descubrió todos los beneficios provenientes del

petróleo, ha hecho un uso desmedido de él, y no es de extrañarse que la

acumulación de desechos sea un problema grave. Estamos en contacto todos

los días con polímeros, tanto que los tomamos como algo “natural” y por eso de

una u otra manera conocemos sus propiedades y utilidades, pero debemos ser

conscientes de que su falta de degradabilidad ha aumentado la contaminación

a nivel mundial.

Todos los tipos de contaminación son graves, aunque la de origen orgánico es

menos dañina porque acaba por degradarse y se convierte en la parte básica

de los elementos. Pero el plástico, al igual que los residuos nucleares,

pesticidas, detergentes e hidrocarburos, no se destruyen o tardan mucho en

hacerlo y se acumulan cada vez más en los mares; a largo plazo dañan a los

organismos que viven en esos entornos. (Flores, 2015).

Los desechos se han acumulado durante décadas, los efectos nocivos de la

contaminación comienzan a ser visibles. En México y otros países debemos

preocuparnos por llevar nuestra educación a un nivel que permita entender el

problema que se genera (Flores, 2015). En dicho país, el consumo anual de

plásticos por habitante en 2005 se estimaba en 49 kilogramos. Hay que

destacar que la degradación de los plásticos sintéticos es muy lenta, puede

tardar más de 500 años o incluso permanecer indefinidamente en los

ecosistemas. Además su “degradación” simplemente genera partículas de

plástico más pequeñas que, a pesar de ya no ser evidentes, se acumulan en

los ecosistemas. En arena de playas y estuarios son muy abundantes los

microfragmentos de acrílico, polipropileno, polietileno, poliamida (nylon),

poliéster, polimetacrilato, etc. La presencia de estos plásticos en los mares es

variable, pero hay reportes de abundancia de 3 a 5 kg /km2, con registros de

hasta 30 kg /km2. Lo que sí es seguro es que esa cantidad aumenta

considerablemente cada año. (Noguez, 2007)

Una alternativa es el reciclamiento, pero los deshechos deben ser manejados

adecuadamente, no sólo en su recolección y procesamiento, sino en la

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limpieza, selección y separación adecuada de los materiales a reciclar, y esto

no se da en muchos casos.

Como bien sabemos los polímeros artificiales provienen en su mayoría del

petróleo y sus derivados. Aunque esto trajo una serie de ventajas, haciendo

nuestra vida más fácil, nos hizo dependientes del este hidrocarburo.

Desafortunadamente su precio es altamente variable, aunado a que es un

recurso no renovable, lo que significa que un día se va a terminar.

Por este motivo se ha buscado generar plásticos degradables de tal

forma que puedan producirse plásticos que presenten las mismas

propiedades pero que tengan un periodo de degradación más corto.

Afortunadamente contamos con una opción 100% biodegradable. Esta se

descubrió hace algunos años pero aun no puede competir económicamente

con los productos del petróleo. Me refiero a los Polímeros Bacterianos,

llamados así porque provienen de bacterias. También son conocidos como

polímeros microbianos, biopoliésteres o PHA (Polihidroxialcanoatos) .Estos

poseen características físicas similares a las de los plásticos derivados del

petróleo, como el polipropileno y polietileno, pero tienen la ventaja de que

pueden ser sintetizados a partir de fuentes de carbono renovables, son

biodegradables (pueden ser asimilados por muchos microorganismos ya sea

de suelos, mares, lagos o aguas residuales) y son biocompatibles (no causan

efectos tóxicos.

En este trabajo se abordará el tema de una manera concreta, sin profundizar

en los detalles de extracción y cultivo de bacterias, haciendo hincapié en sus

propiedades y beneficios que causarían en nuestro día a día.

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Una increíble alternativa: Polímeros bacterianos

¿Qué son exactamente los Polímeros bacterianos? Son Polímeros

provenientes de bacterias, conocidos como Polihidroxialcanoatos (PHA).

Químicamente hablando, los PHA son polímeros de ácidos hidroxialcanoicos

que algunas bacterias, arqueas y microalgas acumulan intracelularmente como

material de reserva, para usarlo posteriormente como fuente de carbono y

energía. La polimerización de los ácidos hidroxialcanoicos, por acción de

enzimas intracelulares, tiene lugar mediante condensación del grupo carboxilo

de un monómero (ácido hidroxialcanoico), con el grupo hidroxilo del siguiente,

formándose un enlace éster de allí que también se les conozca como

biopoliésteres (Khanna y Srivastava 2005).

Todos los PHA forman la misma estructura básica de poliéster con unidades de

tres carbonos formando el “esqueleto” del polímero, pero difieren en el tipo de

grupo alquilo que se encuentra unido al carbono número 3 de cada monómero.

Hasta el momento se han descubierto más de 100 diferentes unidades

monoméricas como constituyentes de los PHA (Lee 1996).

Los PHA se pueden clasificar en varios tipos según la longitud de la cadena de

los ácidos hidroxialcanoicos de los que están constituidos. De esta manera, se

definen como PHA de cadena corta (PHA-scl) aquellos polímeros compuestos

por unidades monoméricas de 3 a 5 átomos de carbono, y como PHA de

cadena media (PHA-mcl) a los que se componen por monómeros de 6 a 14

átomos de carbono. Sin embargo, también existen PHA mixtos, es decir que se

componen de monómeros tanto de cadena corta como de cadena media. El

tipo de PHA sintetizado depende del microorganismo en cuestión, por lo que la

mayoría sólo produce PHA de cadena corta o PHA de cadena media, y sólo

una pequeña parte de ellos es capaz de producir PHA mixtos. Asimismo, los

PHA se pueden presentar como homopolímeros o copolímeros, dependiendo

también del tipo de microorganismo que se trate y las fuentes de carbono

usados (Anderson y Dawes 1990).

A continuación se presentan las propiedades de estos polímeros, seguido de

su historia y sus impresionantes usos.

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Propiedades

Los PHA poseen propiedades físicas semejantes a las de los plásticos

derivados del petróleo (ya que estos polímeros presentan propiedades que van

desde plásticos rígidos y quebradizos, hasta los semejantes al hule), además

de ser producidos a partir de recursos renovables.

El que posea diversos grupos funcionales posibilita una diversidad de

reacciones posteriores, conservando en la mayoría de los casos su

biodegradabilidad. Además estos determinan las propiedades del polímero y

sus aplicaciones después de un tratamiento adecuado.

La diferencia entre los polímeros convencionales y los polímeros microbianos

es que los plásticos naturales, debido a que son producidos por seres vivos

mediante reacciones enzimáticas, también son susceptibles de degradación

por sistemas biológicos y ser aprovechados en forma de nutrientes y energía.

El polímero es degradado usando primero una enzima llamada depolimerasa,

que lo rompe liberando los monómeros (hidroxialcanoatos), que son moléculas

que las bacterias pueden asimilar en su metabolismo. (Noguez, 2007)

Desde que Maurice Lemoigne descubrió en 1926 que la bacteria Bacillus

megaterium produce el PHA denominado polihidroxibutirato (PHB), se han

reportado más de 300 bacterias capaces de producir PHA. Estas bacterias los

producen a partir de sustratos orgánicos, como carbohidratos (glucosa,

sacarosa), aceites, alcoholes, ácidos orgánicos, hidrocarburos, y los acumulan

en grandes cantidades dentro de la célula bacteriana en forma de gránulos,

llegando a constituir hasta 90% de la biomasa.

La cantidad de polímero producido y acumulado depende de la especie de

bacteria y de las condiciones en las que se cultiva. Las investigaciones sobre el

proceso de acumulación de PHA indican que el número de gránulos por célula

se define en las primeras etapas de acumulación y que la producción del

polímero cesa cuando su contenido alcanza cerca del 80 % del peso celular en

base seca. Este fenómeno ha llevado a la conclusión de que existen

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restricciones físicas que impiden a la célula acumular más polímero, a pesar de

la disponibilidad de sustrato y actividad de la enzima PHA polimerasa (Wang y

Lee 1997).

Estas propiedades les confieren una gran importancia como substitutos de los

plásticos convencionales (Anderson y Dawes 1990).

Historia

Comencemos por examinar que en 1925, como resultado de los estudios de

Lemoigne en la bacteria Bacillus megaterium observó que al degradarse, este

material desconocido liberaba ácido 3-hidroxibutírico y posteriormente describió

dicho material como un homopoliéster de 3-hidroxibutirato, o poli-3-

hidroxibutirato (P3HB), catalogándolo como un material de reserva.

El P3HB posee una estructura muy similar al polipropileno. Su potencial para

ser usado en aplicaciones industriales fue reconocido por primera vez en la

primera mitad de la década de 1960, cuando surgieron las primeras patentes

relacionadas con su producción a través de procesos de fermentación,

extracción, plastificación y mezclado con otros materiales. Sin embargo, los

plásticos derivados del petróleo eran mucho más baratos en ese momento y no

había razón para pensar que los combustibles fósiles no fueran a permanecer a

bajo precio, además de que las políticas de protección ambiental no estaban

fuertemente establecidas en esa época (Braunegg 1998).

Seguidamente que la trigésima quinta Conferencia de la Organización de

Países Exportadores de Petróleo (OPEC) en Viena en septiembre de 1973,

comenzó una cadena de eventos que cambiarían la situación con respecto a la

investigación sobre producción de plásticos alternos. Los miembros de la

OPEC decidieron incrementar los precios del petróleo en un 70 %. Este

incremento fue seguido por otro más, anunciado en la conferencia de Teherán

en diciembre del mismo año, en esa ocasión en un 130 %. En los años

subsiguientes se dieron nuevos incrementos lo cual dio lugar a la conclusión de

que las industrias de polímeros basados en petróleo no podrían sostenerse en

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un futuro, por lo que comenzó una intensa investigación para encontrar

materiales plásticos alternos.

Por otra parte, en 1976 la empresa Imperial Chemical Industries (ICI) de

Inglaterra comenzó a investigar si el P3HB podría ser producido de manera

económica por fermentación bacteriana a partir de carbohidratos procedentes

de la agricultura. Como resultado de estos estudios, las propiedades de

biodegradabilidad y biocompatibilidad de este biopolímero, así como la

posibilidad de usarlo como fuente de moléculas ópticamente activas, fueron

reconocidas como características de valor agregado. Estos resultados hicieron

que ICI mantuviera el interés en la producción de P3HB aún después de

terminada la crisis petrolera.

Además en la década de 1980, Wallen y Davis reportaron por primera vez el

aislamiento de un biopoliéster con propiedades físicas y químicas similares al

P3HB pero con una composición diferente. Este fue el primer reporte de un

heteropolímero, y debido a la diversidad de ácidos hidroxialcanoicos

constituyentes estos biopolímeros (incluyendo el P3HB) comenzaron a llamarse

de manera general polihidroxialcanoatos (PHA).

Actualmente los PHA ya se producen comercialmente. Entre los más

importantes está un copolímero de 3HB y 3HV. Éste se produce con la bacteria

Ralstonia eutropha y se comercializa con la marca Biopol manufacturado

inicialmente por la empresa ICI (Zeneca), posteriormente vendida a Monsanto

(1996) y finalmente obtenida por Metabolix (2001). La producción para el año

1988 fue del orden de las 800 toneladas. El Biopol también se ha producido y

vendido en EUA y Japón bajo el nombre de P3HBV. Otra empresa productora

de estos polímeros es la austriaca Chemie Linz, la cual produjo comercialmente

P3HB durante la década de 1980 y principio de la de 1990, usando la bacteria

Alcaligenes latus (Braunegg et al. 1998). En Brasil existe otra empresa

productora de P3HB llamada Biocycle. En esta industria se integra la

producción de P3HB a la producción de etanol a partir de azúcar de caña.

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Usos y beneficios

Insistimos sobre el hecho de los PHA son 100% biodegradables, produciendo

en este proceso de degradación: agua y bióxido de carbono (se puede producir

metano bajo ciertas condiciones), sin dejar residuos indeseables, además de

ser biocompatibles. Esto propicia una serie de aplicaciones.

Primeramente, el Biopol fue usado para la fabricación de botellas, fibras,

rastrillos desechables y varios productos de empaquetamiento de alimentos, de

aceite para motores, de shampoo y cosméticos, cuyo principal atractivo es el

de ser ambientalmente más amigables. Dado que una botella de “bioplástico”

enterrada en suelo o en una composta tardaría unos tres meses en

degradarse, esto puede también generar un producto útil como fertilizante

orgánico derivado de la composta.

A esto se adiciona que se han encontrado aplicaciones médicas, como por

ejemplo en la generación de implantes, que con el tiempo pueden ser

eliminados del cuerpo espontáneamente por degradación, o implantes con

fármacos encapsulados para su liberación controlada, o bien en la obtención de

telas hechas con fibras de PHA para el tratamiento de heridas. De igual manera

se está implementando el uso de los PHA en un área nueva de la medicina, la

ingeniería de tejidos. La idea es generar tejidos, y posteriormente órganos.

Por otra parte en la agricultura, las aplicaciones consisten en macetas

biodegradables, tubos de irrigación y matrices (dispositivos) para la liberación

controlada, en los que la degradación natural de los PHA permite el suministro

de compuestos químicos de manera dosificada, para aplicación de fertilizantes,

fungicidas, herbicidas, etc.

Si se piensa finalmente en otro uso, es posible usarlos en la forma de látex

acuoso para cubierta de materiales fibrosos como papel o cartón. Debido a su

resistencia al agua, esta cubierta protege al papel o cartón contra el deterioro

causado por la humedad. Otra aplicación de interés es su uso como material de

empaque (Babel y Steinbüchel 2001).

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Un punto en contra

Quizás los polímeros bacterianos no sean competitivos desde un punto de vista meramente económico, ya que se necesitan grandes inversiones para los procesos de fermentación y recuperación o purificación del producto a gran escala, y los sustratos o fuentes de nutrientes para que las bacterias produzcan PHA no son suficientemente baratos.

El precio de los PHA es demasiado alto comparado con un dólar por Kg de los plásticos derivados del petróleo. Para 1998 se calculaba que reduciendo los costos de producción de 2 a 5 dólares, el precio en el mercado sería de 8 dólares por Kg., produciendo unas 5000 tonelada por año.

Esto ha limitado el uso más amplio de los nuevos plásticos, al menos por el momento.

Solución al problema: Reducción de costos

Es cierto que los “biopoliésteres” no pueden competir aun con la industria

petroquímica, no obstante se están haciendo diversas investigaciones para

optimizar la producción de PHA, desde mejoramiento genético (insertando

genes unas bacterias en otras) hasta modificando su metabolismo, para que

digieran otro tipo de compuestos como algunos desechos agroindustriales

(melazas, peptona de pescado, desechos de crianza de animales, etc.).

Se pone de relieve que los genes que contienen la información genética para la

producción de PHA fueron aislados de Wautersia eutropha en 1988. Esos

genes se han introducido en otras bacterias que no producen PHA, como

Escherichia coli, volviéndolas productoras.

Para producción de PHA por agricultura se está intentando generar otras

especies de plantas transgénicas, como la canola, que almacena cantidades

importantes de aceites y que potencialmente sería capaz de hacer una gran

cantidad de PHA. También la modificación del metabolismo de las bacterias:

utilizar como materia prima algunos compuestos más baratos, como son

algunos desechos agroindustriales (melazas, peptona de pescado, desechos

de crianza de animales, etc.). (Noguez, 2007)

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Actualmente se están realizando estudios en México sobre el

perfeccionamiento de este producto, por ejemplo en el Tecnológico de

Monterrey se apoya al proyecto de investigación de la Dra. Berenice Vergara

Porras quien afirma “Para lograr este remplazo (polímeros provenientes de

petróleo por PHA), es necesario mejorar las propiedades mecánicas de los

PHA y una de estas técnicas de modificación de propiedades es el mezclado.

La investigación que he desarrollado se enfoca en la síntesis de dichos

polímeros, en su mezclado -mediante diversas técnicas- y en la

caracterización de las mezclas resultantes -mediante microscopía electrónica

de barrido, FT-IR, calorimetría diferencial de barrido, rayos X, microscopía con

luz polarizada, entre otras-. El trabajo que se ha desarrollado también evalúa

las cinéticas de biodegradación de las mezclas y su relación con las

características que presentan.” (Vergara, 2015).

Con todos estos avances, los costos de producción potencialmente pueden ser

reducidos hasta 0.20 dólares, entonces sería posible competir con los plásticos

derivados del petróleo.

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Conclusiones

Para finalizar este trabajo es importante resaltar algunas cosas.

Los Polímeros Bacterianos, también llamados polímeros microbianos, PHA, o

biopoliésteres son una variedad de estructuras producidas biológicamente, que

comparten algunas propiedades con los plásticos derivados del petróleo. Estos

proporcionan una alternativa a la grave acumulación de plásticos a nivel

mundial ya que poseen propiedades formidables (son biodegradables y

biocompatibles). Por ejemplo, con ellos puede fabricarse desde simples

botellas plásticas, hasta llevarlo al ambiente médico y a la futura producción de

tejidos y órganos.

No perdamos de vista que aunque posee asombrosas propiedades, su

producción tiene costos muy altos, ya que depende del tipo de alimento que se

le suministre a la bacteria, las condiciones en las que se cultive y el tipo de

organismo del que se trate.

Por este motivo se han incentivado los estudios sobre estos polímeros, debido

a que si se logra producir al grado de competir con el petróleo, esto traerá

enormes beneficios, no solo saludable sino ecológicamente.

Sabemos que hace falta información, pero esta en nosotros el cambio y la

búsqueda de mejoras en nuestra forma de vivir. Si lográramos generar

consciencia en los demás para reducir nuestro consumo y con esto los

residuos, le haríamos un enorme favor a nuestro planeta y a las generaciones

futuras.

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Bibliografía

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Citas textuales

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