Estados Unidos genera siete millones de toneladas de lodos cloacales al año, suficiente para llenar 2.500 piscinas olímpicas. Si bien una parte de estos desechos se reutiliza para abono y otras aplicaciones terrestres, una cantidad sustancial todavía se elimina en vertederos. En un nuevo estudio, los investigadores de la Universidad de Texas A&M han descubierto una forma eficiente de utilizar el lodo sobrante para fabricar plásticos biodegradables.
En la edición de septiembre de la revista American Chemical Society (ACS) Omega, los investigadores informan que la bacteria Zobellella denitrificans ZD1, que se encuentra en los manglares -un área biótica formada por árboles muy tolerantes a las sales presentes en las zonas intermareales cercanas a la desembocadura de cursos de agua dulce en latitudes tropicales y subtropicales, puede consumir lodos y aguas residuales para producir polihidroxibutirato, un tipo de biopolímero que puede producir plásticos que reemplacen a sus equivalentes derivados de petróleo.
Además de reducir la carga sobre los vertederos y el medio ambiente, los investigadores dijeron que Zobellella denitrificans ZD1 ofrece una forma de reducir los costos iniciales para la fabricación de bioplásticos, un paso para hacerlos a precios más competitivos en comparación con los plásticos convencionales.
“El precio de las materias primas para cultivar bacterias productoras de biopolímeros representa entre el 25% y el 45% del costo total de producción en la fabricación de bioplásticos. Ciertamente, este costo puede reducirse en gran medida si podemos aprovechar un recurso alternativo que sea más barato y se pueda obtener fácilmente”, dijo Kung-Hui (Bella) Chu, profesora del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Zachry. “Hemos demostrado una forma potencial de utilizar lodos activados por aguas residuales municipales y aguas residuales industriales de agricultura y acuicultura para fabricar plásticos biodegradables. Además, la cepa bacteriana no requiere de complejos procesos de esterilización para evitar la contaminación de otros microbios, lo que reduce aún más los costos operativos y de producción de los bioplásticos».
El polihidroxibutirato, una clase emergente de bioplásticos, es producido por varias especies bacterianas cuando experimentan un desequilibrio de nutrientes en su entorno. Este polímero actúa como reserva de energía suplementaria de las bacterias, similar a los depósitos de grasa en los animales. En particular, una abundancia de fuentes de carbono y un agotamiento de nitrógeno, fósforo u oxígeno, hacen que las bacterias consuman de forma errática sus fuentes de carbono y produzcan polihidroxibutirato como respuesta al estrés.
Uno de esos medios que puede obligar a las bacterias a producir polihidroxibutirato es el glicerol crudo, un subproducto de la fabricación de biodiésel. El glicerol crudo es rico en carbono y no contiene nitrógeno, por lo que es una materia prima adecuada para la fabricación de bioplásticos. Sin embargo, el glicerol crudo contiene impurezas como ácidos grasos, sales y metanol, que pueden impedir el crecimiento bacteriano. Al igual que el glicerol crudo, el lodo de las aguas residuales también tiene muchos de los mismos ácidos grasos y sales. Chu dijo que hasta ahora no se habían examinado los efectos de estos ácidos grasos sobre el crecimiento bacteriano y, en consecuencia, la producción de polihidroxibutirato.
“Hay una multitud de especies bacterianas que producen polihidroxibutirato, pero solo unas pocas pueden sobrevivir en ambientes con alto contenido de sal y aún menos entre esas cepas pueden producir polihidroxibutirato a partir de glicerol puro”, dijo Chu. «Analizamos la posibilidad de si estas cepas que toleran la sal también pueden crecer en glicerol crudo y aguas residuales».
Para su estudio, Chu y su equipo eligieron la Zobellella denitrificans ZD1, cuyo hábitat natural son las aguas saladas de los manglares. Luego probaron el crecimiento y la capacidad de esta bacteria para producir polihidroxibutirato en glicerol puro. Los investigadores también repitieron los mismos experimentos con otras cepas bacterianas que son conocidas productoras de polihidroxibutirato. Descubrieron que Zobellella denitrificans DZ1 podía prosperar en glicerol puro y producía la cantidad máxima de polihidroxibutirato en proporción a su peso sin agua.
A continuación, el equipo probó el crecimiento y la capacidad de Zobellella denitrificans ZD1 para producir polihidroxibutirato en glicerol que contiene sal y ácidos grasos. Descubrieron que incluso en estas condiciones, producía polihidroxibutirato de manera eficiente, incluso en condiciones equilibradas de nutrientes. Cuando repitieron los experimentos en muestras de aguas residuales sintéticas de alta resistencia y lodos activados por aguas residuales, descubrieron que las bacterias aún podían producir polihidroxibutirato, aunque en cantidades más bajas que si estuvieran en glicerol crudo.
Chu señaló que al aprovechar la tolerancia de Zobellella denitrificans ZD1 para ambientes salados, se podrían evitar los costosos procesos de esterilización que normalmente se necesitan cuando se trabaja con otras cepas de bacterias.
“La preferencia natural de Zobellella denitrificans ZD1 por la salinidad es fantástica porque podemos, si es necesario, modificar la composición química de los desechos simplemente agregando sales comunes. Este ambiente sería tóxico para otras cepas de bacterias”, dijo. “Por lo tanto, ofrecemos un método sostenible y de bajo costo para fabricar bioplásticos y otra forma de reutilizar los desechos biológicos que son costosos de eliminar”.
Otros contribuyentes a esta investigación incluyen a Fahad Asiri, Chih-Hung Chen, Myung Hwangbo y Yiru Shao del departamento de ingeniería civil y ambiental de Texas A&M.
Esta investigación cuenta con el apoyo del Instituto de Investigación Científica de Kuwait, la beca del Ministerio de Educación Superior de Kuwait y la beca del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán.
