4. Biotecnología y ambiente
4.1. La biotecnología blanca
El término “biotecnología blanca” hace referencia a la rama de la biotecnología dedicada a optimizar los procesos industriales, buscando reemplazar a las tecnologías contaminantes por otras más limpias o amigables con el ambiente. Básicamente, emplea organismos vivos y enzimas para obtener productos más fáciles de degradar, y que requieran menos energía y generen menos desechos durante su producción.
El uso de enzimas o biocatalizadores es uno de los avances más significativos en el área de la biotecnología blanca. Las ventajas de su uso residen en la alta selectividad y eficiencia de las enzimas en comparación con los procesos químicos. Mientras los procesos químicos convencionales requieren alta presión y alta temperatura, los microorganismos y sus enzimas trabajan a presión y temperaturas normales. Además, las enzimas son biodegradables y muchas de ellas pueden funcionar en solventes orgánicos, alta concentración de sales y otras condiciones extremas. Las enzimas hoy se aplican a prácticamente todas las industrias, incluyendo la farmacéutica, alimenticia, química, textil, de detergentes, del papel, etc.
Los detergentes son probablemente el mejor ejemplo de cómo el empleo de enzimas reduce los costos, ya que el lavado sin enzimas requiere casi el doble de energía que el lavado sin enzimas. En la industria textil, se estima que la incorporación de enzimas al lavado reduce el consumo de energía y de agua en un 50%.
Las enzimas en los jabones para la ropa
Las enzimas optimizan la eficiencia de los jabones para lavar la ropa y, a la vez, permiten el trabajo de limpieza a bajas temperaturas y en lavados más cortos, reduciendo significativamente el consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono. Otro beneficio ambiental es que las enzimas son biodegradables y reemplazan a los compuestos químicos que se vienen liberando al ambiente desde hace muchos años. Las enzimas usadas en los detergentes de lavado de ropa actúan sobre los materiales que forman parte de las manchas, desintegrándola y/o desprendiéndola de la tela durante el lavado:
- Proteasas: para la remoción de manchas de origen proteico, como las de sangre y huevo, y se obtienen de Bacillus licheniformis, B. Amyloliquefaciens o Aspergillus flavus.
- Amilasas: para la degradación de los residuos de almidón de alimentos como papa, chocolate, etc. No son componentes esenciales de los detergentes ya que tienen una acción limitada sobre los carbohidratos y éstos son solubles en agua (por lo tanto son de fácil remoción por los lavados corrientes). Se emplean las amilasas de Bacillus licheniformis.
- Lipasas: para la remoción de manchas de aceites, lápiz de labios, manteca. Las lipasas más eficaces son producto de la manipulación genética, y se obtienen del hongo Aspergillus oryzae.
- Celulasas: producidas por hongos, sirven para remover las manchas de tierra o restos vegetales, pero sobre todo para restaurar la suavidad y el color de fibras de algodón, ya que degradan a las microfibras que endurecen la ropa y opacan los colores sin afectar las fibras principales de la ropa.
- Cuaderno para docentes Nº 73: enzimas que limpian la ropa
La biotecnología aplicada a la industria de papel y celulosa también es un buen ejemplo de biotecnología blanca. Durante el tratamiento de la madera, la remoción de la lignina requiere de altas temperaturas y de tratamientos con oxígeno y cloro, que resultan en la formación de derivados clorados tóxicos. Como alternativa puede emplearse el "biopulping", un tratamiento con xilanasas, enzimas que degradan el xilano de la hemicelulosa, eliminando la lignina a la que está asociada. Muchos investigadores están intentando también disminuir (o modificar) el contenido de lignina por modificación genética de los árboles destinados a la producción de papel y celulosa. En este sentido cabe mencionar también la obtención de papa y mandioca transgénicas para la obtención de almidón con más amilopectina, óptimo para esta industria.
- Cuaderno para docentes Nº 97: la historia del papel
El reemplazo parcial de fertilizantes y plaguicidas químicos por agentes biológicos también puede considerarse parte de la biotecnología blanca aplicada a la actividad agropecuaria. Como ejemplos, cabe mencionar el uso de:
- Microorganismos libres o simbiontes para la fijación de nitrógeno.
- Baculovirus, virus que infectan y matan a las orugas que parasitan a los cultivos de soja y otras leguminosas.
- Esporas del hongo Metarhizium anisopliae para combatir la cigarrita de la hoja de la caña de azúcar o la broca de los cítricos.
- Toxinas de la bacteria Bacillus thuringiensis o Bt, en sus varias formulaciones, e incluso formando parte de cultivos genéticamente modificados para resistir el ataque de insectos (como el maíz y el algodón Bt).
4.2. Los bioplásticos
Casi todo lo que compramos, la mayor parte de la comida que comemos y muchas de las bebidas que bebemos vienen envasados en plástico. Estos plásticos generalmente son sintéticos, fabricados por polimerización de compuestos derivados del petróleo, y no son biodegradables. Si bien hay métodos para reciclar plásticos, en el caso de los envases de alimentos estos procesos son muy limitados, ya que los materiales que los componen están formados por estructuras difíciles o casi imposibles de separar en capas o partículas menores. Debido a estos inconvenientes, el tratamiento de los plásticos descartados como basura se ha vuelto un problema ambiental cada vez más serio. Considerando además que los plásticos actuales derivan del petróleo, que es una fuente no renovable de energía, hoy hay mucho interés y esfuerzos destinados a la fabricación de embalajes para alimentos basados en bioplásticos.
Se denominan bioplásticos a aquellos plásticos que son biodegradables y que esencialmente derivan de recursos renovables, como el almidón y la celulosa de las plantas, por ejemplo. Se dice que un material es biodegradable cuando puede ser degradado por microorganismos para originar moléculas sencillas asimilables por el ambiente. Como los microorganismos no tienen las enzimas necesarias para romper las uniones químicas de las moléculas que forman parte de los plásticos sintéticos comunes, como el polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, polietilentereftalato, etc., estos plásticos no resultan biodegradables.
Los bioplásticos hoy se producen esencialmente a partir de los cultivos o sus deshechos (almidón, celulosa) o a través de procesos de fermentación bacteriana. El mayor foco se ha centrado en el uso del almidón como materia prima, debido a su disponibilidad, sus antecedentes como parte de plásticos compostables y a que en algunas situaciones podría resultar económicamente competitivo con el petróleo. Se emplea generalmente almidón de maíz, aunque se están investigando otras fuentes, como la papa, cebada y avena. Los bioplásticos hechos de almidón resultan quebradizos y, a menos que el almidón se mezcle con otros materiales o se lo modifique químicamente, no sirve para fabricar films flexibles y resistentes. Sin embargo, resultan interesantes para bandejas rígidas de bombones u otros productos secos, ya que desde el punto de vista de su degradación, prácticamente se disuelven en agua.
Otra materia prima que puede usarse para hacer bioplásticos es la celulosa. Este polímero es el principal componente de los tejidos vegetales, y por lo tanto el polímero más abundante en la naturaleza. Como el almidón, está compuesto de moléculas de glucosa, pero unidas de forma diferente, impidiendo la firme compactación de las fibras. Por eso la celulosa rinde bioplásticos quebradizos, poco flexibles y bastante permeables a la humedad. Como una alternativa, las investigaciones se han volcado al desarrollo de materiales basados en celulosa modificada químicamente, como el acetato de celulosa. Este compuesto es empleado para hacer envoltorios, ya que tiene buenas propiedades para hacer films flexibles y resistentes a rupturas y perforaciones.
Debido a las limitaciones que presentan los polímeros naturales como materias primas para la elaboración de bioplásticos, hoy el mayor desarrollo se enfoca en los bioplásticos obtenidos por fermentación bacteriana, como los poliláctidos (PLA) y los polihidroxialcanoatos (PHA). Los PLA son poliésteres alifáticos, biodegradables y termoplásticos, derivados del ácido láctico. Éste se genera por fermentación ácido-láctica del almidón o deshechos agrícolas ricos en almidón. Los PLA resultan flexibles, fácilmente moldeables, resistentes y con buena capacidad de barrera a la humedad. Ya se lo emplea para vajillas y utensilios descartables y para envasar alimentos y bebidas.
Los PHA son polímeros lineales de hidroxiácidos, y se obtienen a partir de microorganismos que los acumulan como sustancias de reserva. Debido a que a veces estos microorganismos son difíciles de cultivar, resulta muy interesante la posibilidad de usar bacterias de laboratorio, mejor caracterizadas, a las que se les ha incorporado por ingeniería genética los genes necesarios para la síntesis de PHA. De la misma manera, estos genes podrían introducirse en plantas y así abaratar los costos de producción. El PHA más conocido es el polihidroxibutirato (PHB), y el más usado en el envasado de alimentos. Además de la biodegradabilidad, los PHA presentan propiedades termoplásticas y una buena capacidad de barrera a la humedad, asemejándose en parte al polipropileno en sus propiedades mecánicas. Sin embargo, es más quebradizo, lo que limita, además de los altos costos de producción, su aplicación masiva.
Hoy hay un gran número de empresas en todo el mundo volcadas al desarrollo de nuevos y mejores bioplásticos, ya sean derivados de almidón o celulosa, u obtenidos por fermentación microbiana. Las empresas líderes se encuentran en Estados Unidos, Canadá, Japón, y la Unión Europea, aunque otros países como Australia, Brasil, Corea y China se están agregando a la lista. Las innovaciones intentan cubrir una amplia gama de aplicaciones: vajilla y utensilios descartables, botellas, bolsas de supermercado, bolsas para snacks, bandejas y embalajes de alimentos, films, etc. Por otro lado, cada vez son más las cadenas de supermercados que han comenzado a adoptar estos productos, fundamentalmente para envasar agua y alimentos frescos.
- Cuaderno para docentes Nº 48: plásticos biodegradables o bioplásticos
4.3. La biorremediación
La biodegradación es el proceso natural por el cual los microorganismos degradan o alteran moléculas orgánicas transformándolas en moléculas más pequeñas y no tóxicas. Sin embargo, este proceso es muy lento y puede acelerarse introduciendo determinadas bacterias o plantas en los ambientes contaminados. Esta intervención se denomina “biorremediación” o “biocorrección” y se define como el empleo de organismos vivos para eliminar o neutralizar contaminantes del suelo o del agua. En los procesos de biorremediación generalmente se emplean mezclas de microorganismos, aunque algunos se basan en la introducción de cepas definidas de bacterias u hongos. Actualmente se están desarrollando microorganismos, algas (especialmente cianobacterias o algas azules) y plantas genéticamente modificadas para ser empleadas en biorremediación.
Básicamente, los procesos de biorremediación pueden ser de tres tipos: la degradación enzimática, la remediación microbiana, y la fitorremediación.
Degradación enzimática
Consiste en el empleo de enzimas en el sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Dichas enzimas son previamente producidas en bacterias transformadas genéticamente.
Remediación microbiana
Se refiere al uso de microorganismos directamente en el foco de la contaminación. Estos microorganismos pueden ya existir en ese sitio o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser inoculados en el sitio contaminado (proceso de inoculación). Cuando no es necesaria la inoculación de microorganismos, suelen administrarse más nutrientes, como fósforo y nitrógeno con el fin de acelerar el proceso.
Los investigadores buescan permanentemente bacterias y hongos que puedan degradar petróleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. Incluso, hay microorganismos que pueden degradar parcialmente otros compuestos químicos como el PCB, arsénico, selenio, cromo. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados más fácilmente.
Es importante destacar, sin embargo, que la remediación de un ambiente contaminado es un proceso muy complejo que requiere un abordaje integral, combinando herramientas físicas, químicas y microbiológicas.
Algunos desarrollos relacionados con la remediación microbiana:
- Bacterias Pseudomonas transgénicas capaces de degradar compuestos tóxicos que contienen cloro (como el cloruro de vinilo).
- Bacterias capaces de degradar algunos de los componentes del petróleo.
- Bacterias capaces de reducir las formas altamente tóxicas de mercurio en otras menos tóxicas y volátiles.
- Bacterias que transforman metales del suelo (como el cromo) en formas menos tóxicas o insolubles.
- Microorganismos capaces de degradar TNT, un explosivo de gran potencia y muy agresivo para el entorno.
- Bacterias que pueden eliminar el azufre de los combustibles fósiles, como en el caso del carbón o del petróleo, para permitir combustiones más limpias.
- La utilización de la bacteria Deinococcus radiodurans para eliminar elementos radiactivos presentes en el suelo y aguas subterráneas.
- Cianobacterias a las que se le han introducido genes de bacterias Pseudomonas con capacidad de degradar diferentes hidrocarburos o pesticidas.
- Bacterias transgénicas que se usan para extraer metales valiosos a partir de residuos de fábricas o de minas, o para eliminar los vertidos de petróleo, o el sulfuro causante de la lluvia ácida que producen las centrales energéticas de carbón.
- Cuaderno para docentes Nº 46: La biotecnología y la limpieza del ambiente
Fitorremediación
La fitorremediación propone el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados. Actualmente se encuentra en desarrollo, y se basa en la capacidad que tienen algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos, etc.
Según la planta y el agente contaminante, la fitorremediación puede producirse por:
- acumulación del contaminante en las partes aéreas de la planta o en las raíces
- reducción de la movilidad del contaminante para impedir la contaminación de aguas subterráneas
- desarrollo de bacterias y hongos que crecen en las raíces y degradan contaminantes
- captación y degradación del contaminante para originar compuestos menos tóxicos
Actualmente, gran parte de las investigaciones en fitorremediación están enfocadas en dilucidar los mecanismos del transporte de metales en las plantas y por qué algunas son capaces de absorber y tolerar altas cantidades de metales tóxicos, mientras que otras no.
4.4. Los Biocombustibles
Actualmente, los combustibles fósiles y la energía nuclear proporcionan cada año alrededor del 90% de la energía que se utiliza en el mundo. Pero las reservas de combustibles fósiles son limitadas y, en mayor o menor grado, contaminantes.
Desde mediados del siglo XX, con el crecimiento de la población, la extensión de la producción industrial, y el uso masivo de tecnologías, comenzó a crecer la preocupación por el agotamiento de las reservas de petróleo y el deterioro ambiental. Desde entonces, se impulsó el desarrollo de energías alternativas basadas en recursos naturales renovables y menos contaminantes, como la luz solar, las mareas, el agua, y la biomasa.
