Genera nuevas posibilidades para la limpieza de residuos plásticos
Los investigadores han observado durante mucho tiempo que una familia común de bacterias ambientales, las Comamonadacae, crece en los plásticos que se encuentran en los ríos y sistemas de aguas residuales de las ciudades. Pero sigue siendo un misterio lo que hacen exactamente estas bacterias Comamonas.
Ahora, investigadores de la Universidad Northwestern han descubierto cómo las células de una bacteria llamada Comamonas descomponen el plástico para su uso como alimento.
Primero, mastican el plástico hasta convertirlo en pequeños trozos, llamados nanoplásticos. Luego, secretan una enzima especializada que descompone aún más el plástico. Finalmente, las bacterias utilizan un anillo de átomos de carbono del plástico como fuente de alimento, descubrieron los investigadores.
El descubrimiento abre nuevas posibilidades para desarrollar soluciones de ingeniería basadas en bacterias para ayudar a limpiar basuras plásticas difíciles de eliminar, que contaminan el agua potable y dañan la vida silvestre.
"Hemos demostrado sistemáticamente, por primera vez, que una bacteria de aguas residuales puede tomar un material plástico de partida, deteriorarlo, fragmentarlo, descomponerlo y usarlo como fuente de carbono", dijo Ludmilla Aristilde de Northwestern, quien dirigió el estudio. "Es sorprendente que esta bacteria pueda realizar todo ese proceso, y hemos identificado una enzima clave responsable de la descomposición de los materiales plásticos. Esto podría optimizarse y aprovecharse para ayudar a eliminar los plásticos del medio ambiente".
Aristilde es experta en la dinámica de la materia orgánica en los procesos ambientales y profesora adjunta de ingeniería ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern. También es miembro del Centro de Biología Sintética, del Instituto Internacional de Nanotecnología y del Instituto Paula M. Trienens de Sostenibilidad y Energía. Los coautores principales del estudio son Rebecca Wilkes, ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Aristilde, y Nanqing Zhou, actual asociada postdoctoral en el laboratorio de Aristilde. Varios ex investigadores de grado y posgrado del Laboratorio de Aristilde también contribuyeron al trabajo.
El problema de la contaminación
El nuevo estudio se basa en investigaciones anteriores del equipo de Aristilde, que desentrañaron los mecanismos que permiten a Comamonas testosteri metabolizar carbonos simples generados a partir de plantas y plásticos descompuestos.
En la nueva investigación, Aristilde y su equipo volvieron a analizar la C. testosteroni, que crece en tereftalato de polietileno (PET), un tipo de plástico que se utiliza habitualmente en envases de alimentos y botellas de bebidas. Como no se descompone fácilmente, el PET es un importante contribuyente a la contaminación plástica.
"Es importante señalar que los plásticos PET representan el 12% del uso total de plásticos a nivel mundial", dijo Aristilde. "Y representan hasta el 50% de los microplásticos en las aguas residuales".
Imagen: Mecanismos de fragmentación de pellets de tereftalato de polietileno en nanoplásticos y carbonos asimilables en aguas residuales por Comamonas
Capacidad innata para degradar plásticos
Para comprender mejor cómo C. testosteroni interactúa con el plástico y se alimenta de él, Aristilde y su equipo utilizaron múltiples enfoques teóricos y experimentales. Primero, tomaron bacterias aisladas de aguas residuales y las cultivaron en películas y gránulos de PET. Luego, utilizaron microscopía avanzada para observar cómo cambiaba con el tiempo la superficie del material plástico.
A continuación, examinaron el agua que rodeaba a las bacterias en busca de pruebas de que el plástico se había descompuesto en fragmentos más pequeños, de tamaño nanométrico. Y, por último, los investigadores observaron el interior de las bacterias para identificar las herramientas que utilizaban para degradar el PET.
"En presencia de la bacteria, los microplásticos se descompusieron en diminutas nanopartículas de plástico", explicó Aristilde. "Descubrimos que las bacterias de las aguas residuales tienen una capacidad innata para degradar el plástico hasta convertirlo en monómeros, pequeños bloques que se unen para formar polímeros. Estas pequeñas unidades son una fuente biodisponible de carbono que las bacterias pueden utilizar para crecer".
Después de confirmar que C. testosteroni efectivamente puede descomponer plásticos, Aristilde quiso averiguar cómo. Mediante técnicas ómicas que pueden medir todas las enzimas dentro de la célula, su equipo descubrió una enzima específica que la bacteria expresaba cuando se exponía a plásticos PET. Para explorar más a fondo el papel de esta enzima, Aristilde pidió a sus colaboradores del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee que prepararan células bacterianas sin la capacidad de expresar la enzima. Sorprendentemente, sin esa enzima, la capacidad de las bacterias para degradar el plástico se perdió o disminuyó significativamente.
Imagen: Comamonas testosteroni
Cómo cambian los plásticos en el agua
Aristilde cree que este descubrimiento podría aprovecharse para buscar soluciones medioambientales, pero también afirma que este nuevo conocimiento puede ayudar a entender mejor cómo evolucionan los plásticos en las aguas residuales.
"Las aguas residuales son un enorme reservorio de microplásticos y nanoplásticos", dijo Aristilde. "La mayoría de la gente piensa que los nanoplásticos entran en las plantas de tratamiento de aguas residuales como nanoplásticos. Pero estamos demostrando que los nanoplásticos pueden formarse durante el tratamiento de aguas residuales a través de la actividad microbiana. Esto es algo a lo que debemos prestar atención a medida que nuestra sociedad intenta comprender el comportamiento de los plásticos a lo largo de su viaje desde las aguas residuales hasta los ríos y océanos receptores".
El estudio se publica en la revista Environmental Science & Technology: Mechanisms of polyethylene terephthalate pellet fragmentation into nanoplastics and assimilable carbons by wastewater Comamonas