Un nuevo tipo de bioplástico podría ayudar a reducir la huella medioambiental de la industria del plástico. Investigadores dirigidos por la Universidad de California en San Diego han desarrollado una forma biodegradable de poliuretano termoplástico (TPU), un plástico comercial suave pero duradero que se utiliza en calzado, tapetes, cojines y espuma viscoelástica. Está lleno de esporas bacterianas que, cuando se exponen a los nutrientes presentes en el compost, germinan y descomponen el material al final de su ciclo de vida.
El trabajo se detalla en un artículo publicado el 30 de abril en Nature Communications. .
El TPU biodegradable se fabricó con esporas bacterianas de una cepa de Bacillus subtilis que tiene la capacidad de descomponer materiales poliméricos plásticos.
"Es una propiedad inherente de estas bacterias", dijo el coautor principal del estudio Jon Pokorski, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y codirector del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales (MRSEC) de la universidad. "Tomamos algunas cepas y evaluamos su capacidad para utilizar TPU como única fuente de carbono, luego elegimos la que creció mejor".
Los investigadores utilizaron esporas bacterianas, una forma latente de bacteria, debido a su resistencia a las duras condiciones ambientales. A diferencia de las esporas de hongos, que cumplen una función reproductiva, las esporas bacterianas tienen un escudo proteico protector que permite a las bacterias sobrevivir en estado vegetativo.
Para fabricar el plástico biodegradable, los investigadores introdujeron esporas de Bacillus subtilis y gránulos de TPU en una extrusora de plástico. Los ingredientes se mezclaron y fundieron a 135 grados centígrados y luego se extruyeron como finas tiras de plástico.
Para evaluar la biodegradabilidad del material, las tiras se colocaron en entornos de abono tanto microbianamente activos como estériles. Las instalaciones de compost se mantuvieron a 37 grados centígrados con una humedad relativa que oscilaba entre el 44 y el 55 %. El agua y otros nutrientes del compost provocaron la germinación de las esporas dentro de las tiras de plástico, que alcanzaron una degradación del 90 % en cinco meses.
"Lo sorprendente es que nuestro material se descompone incluso sin la presencia de microbios adicionales", afirmó Pokorski. "Lo más probable es que la mayoría de estos plásticos no terminen en instalaciones de compostaje ricas en microbios. Por lo tanto, esta capacidad de autodegradarse en un entorno libre de microbios hace que nuestra tecnología sea más versátil".
Aunque los investigadores aún necesitan estudiar qué queda después de que el material se degrada, señalan que cualquier espora bacteriana que quede probablemente sea inofensiva. Bacillus subtilis es una cepa utilizada en probióticos y generalmente se considera segura para humanos y animales; incluso puede ser beneficiosa para la salud de las plantas.
En este estudio, las esporas bacterianas fueron diseñadas evolutivamente para sobrevivir a las altas temperaturas necesarias para la producción de TPU. Los investigadores utilizaron una técnica llamada evolución adaptativa de laboratorio para crear una cepa resistente a las temperaturas de extrusión. El proceso implica hacer crecer las esporas, someterlas a temperaturas extremas durante períodos de tiempo cada vez mayores y permitirles mutar de forma natural. Las cepas que sobreviven a este proceso se aíslan y se someten nuevamente al ciclo.
"Continuamente evolucionamos las células una y otra vez hasta que llegamos a una cepa que está optimizada para tolerar el calor", dijo el coautor principal del estudio Adam Feist, científico investigador en bioingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. "Es sorprendente lo bien que funcionó este proceso de evolución y selección bacteriana para este propósito".
Las esporas también sirven como relleno fortalecedor, similar a cómo las barras de refuerzo refuerzan el hormigón. El resultado es una variante de TPU con propiedades mecánicas mejoradas, que requiere más fuerza para romperse y exhibe una mayor capacidad de estiramiento.
"Ambas propiedades mejoran enormemente simplemente añadiendo las esporas", dijo Pokorski. "Esto es fantástico porque la adición de esporas lleva las propiedades mecánicas más allá de las limitaciones conocidas, donde anteriormente existía un compromiso entre resistencia a la tracción y capacidad de estiramiento".
Si bien el estudio actual se centró en producir cantidades más pequeñas a escala de laboratorio para comprender la viabilidad, los investigadores están trabajando para optimizar el enfoque para su uso a escala industrial. Los esfuerzos en curso incluyen aumentar la producción a cantidades de kilogramos, hacer evolucionar las bacterias para descomponer los materiales plásticos más rápido y explorar otros tipos de plásticos más allá del TPU.
"Hay muchos tipos diferentes de plásticos comerciales que terminan en el medio ambiente; el TPU es sólo uno de ellos", dijo Feist. "Uno de nuestros próximos pasos es ampliar el alcance de los materiales biodegradables que podemos fabricar con esta tecnología".
Más información: Jonathan Pokorski, poliuretanos termoplásticos biocompuestos que contienen esporas bacterianas evolucionadas como rellenos vivos para facilitar la desintegración del polímero, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47132-8. www.nature.com/articles/s41467-024-47132-8
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de California - San Diego
