Informe de Microorganismo

 

 

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA  AMBIENTAL Trabajo Académico

B IODE ODE GR ADAC IÓN DE MATER MATER IALES DE POLIE POLIE TI TILENO LENO TER E FTALATO (PET), (PET), POR IDEONELLA IDEONELLA SA K AIENSIS

AUTORES:: AUTORES - Eufracio Utrilla Yesenia Farelly. ORCID(0000-0001-8731-697X) -Fierro Tello Joe Sebastián. ORCID (0000-0002-3634-744X) -Huaman Ochoa Alex Jeofreye. ORCID (0000-0002-8194-4999) -Miranda Coaquira Melany Verónica.ORCID(0000-0002-9964-7378) - Soto Mera Pedro Junior. ORCID (0000 0002 4993 6681) -Zuleny Jasmin Castillo Agurto. ORCID (0000-0001-5714-8901) ASESOR:

Gladys Nalvarte Palominos LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:

Tratamiento y Gestión de los Residuos LIMA  – PERÚ 2021

 

  Índice

Carátula I.

INTRODUCCIÓN

ll.

OBJETIVO

lll.

DESARROLLO

REFERENCIAS

 

  l.

INTRODUCCIÓN Según la ONU se habla que, en la actualidad, se sabe que el aumento poblacional va creciendo. Esto va a conllevar a que la demanda de productos se incremente, especialmente los envoltorios que originan grandes volúmenes de desperdicios, estos están conformados por polímeros sintéticos o llamados plásticos, este tipo de material es resistente al proceso de degradación. El plástico se utiliza más en el mundo y esto se debe a que es un elemento sencillo y económico de fabricar, tiene una duración muy larga, siendo estas mal llamadas "ventajas" los principales aliados de la contaminación. “El tereftala to de

polietileno (PET) se utiliza en todo el mundo y se ha convertido en una preocupación medioambiental. La degradación enzimática del PET está limitada por unas pocas especies de microorganismos, la biodegradación aún no es una estrategia de remediación viable. La producción de estos polímeros sintéticos, hoy en día, es una de las industrias más destacadas a nivel mundial. Por ello, existe un alto nivel de contaminación originado por el volumen excesivo de residuos que se generan día a día, la falta de tratamiento adecuado conlleva al deterioro del medio ambiente y la proliferación de enfermedades, trayendo como consecuencia que la salud de las personas descienda (Sharon y Sharon, 2012). Por otra parte, Se

 

han desarrollado muchas investigaciones donde se nos muestra las consecuencias de los polímeros sintéticos y su degradación. En los últimos años se han mencionado estos métodos biológicos para poder degradar materiales, es decir, de forma natural y segura. El detalle es ver qué tipos de microorganismos tienen la capacidad de romper estas cadenas de polímeros. En cuanto a los trabajos previos realizados de interés internacional se estableció que la bacteria

Ideonella Sakaiensis

puede

degradar PET con las enzimas PETasa y MHETasa (Yoshida, 2016, p.5). La degradación ambiental del PET está producido por la acción sinérgica de foto-oxidación termo-oxidativa y actividad biológica (microorganismos). Su degradación se puede mejorar añadiendo aditivos, pues mejora la auto oxidación, disminuye el peso molecular pa para ra que los microorganismos microorgani smos

 

degraden rápidamente el polímero (Tokiwa, 2009, p. 3735).Por otro lado, en las teorías relacionadas al trabajo de investigación, se define a los polímeros sintéticos como grandes moléculas que están compuestos por enlaces de muchas unidades repetitivas, estos están formados normalmente por enlaces covalentes entre los átomos de carbono que forman una cadena polimérica. Asimismo, se describe al plástico Polietileno Tereftalato (PET), este polímero termoplástico se produce por la polimerización de etilenglicol con un ácido denominado tereftálico (Susnavas, 2017, p.11). En su estructura química está conformado por la la unión de ácido tereftálico, etilenglicol, óxido de etileno y etileno. El PET tiene una temperatura de fusión baja, y es mayormente un material material blando, el anillo de benceno, con el que está formado, también le confiere mayor dureza. Por otra parte, existen los microorganismos, que se desarrollan en ambientes naturales, siendo su crecimiento variado, dependiendo de las interacciones que tenga ya sea sinérgicas, antagónicas, etc., así como también, por las características químicas y físicas del entorno en donde se encuentren. Dentro de este conocimiento, está el uso de microorganismos eficientes, que según el diario “El País”, científicos japoneses hallaron en una planta de reciclaje de plásticos, una bacteria denominada “ Ideonella Sakaiensis”,

la cual puede degradar el plástico PET en un me nor tiempo

que otras bacterias (2018). Este problema va en aumento aument o debido a su fácil

 

fabricación y su corta duración de uso, además de ser fácil y muy económico de obtener, pero estas mismas cualidades lo hacen muy peligroso. Los países con mayor producción de plástico según Greenpeace son: China con 29% del total en 2016, en segundo lugar está Europa con 19% y Norteamérica es tercera (Ramírez y Ayala, 2014, p. 2). Según Torres, (2016) en la identificación de la bacteria en Ideonella sakaiensis, concluye que se alimenta de PET, (tereftalato de polietileno), uno de los plásticos más utilizados a nivel mundial. Prácticamente todas las botellas y envases de plástico de uso común utilizan este compuesto, debido a sus propiedades, las bacterias que comen plástico pueden alimentarse de este polímero. Para ello cuentan con un conjunto de

 

enzimas nunca antes visto en la naturaleza. Las enzimas son proteínas responsables de degradar un producto. El primero se encarga de convertir el plástico en un producto llamado monotereftalato. Una vez digerido, es capturado por Ideonella y "digerido" nuevamente por otra enzima, pero esta vez dentro de la bacteria. Así, este organismo convierte al PET en su principal fuente de carbono. Según Gómez, J., & Oliveros, C., (2016). En su artículo titulada ‘’Biodegradación de polietileno de tereftalato por microorganismos aislados de sitios de disposición final de residuos sólidos, táchira, Venezuela’’

acotaron la importancia de los microorganismos para degradar tereftalato de polietileno (PET) para disminuir el impacto ambiental de los residuos sólidos de plásticos, para ello, aislaron microorganismos que fueron sacados del Táchira, se colocan los aislados contacto con lámina de PET en un tubo de ensayo, con un caldo MMM y se llevaron a la incubación, y luego se aprecia que el peso de d e las láminas se disminuyó, y por lo tanto tant o se evidenció la diversidad de microorganismos para degradar los plásticos. Según Flores et al.(2019) en su investigación Efectividad de la bacteria Ideonella Sakaiensis para para la biodegradación de materiales de Polietileno Tereftalato (PET), en el periodo 2019 II,  II,  Tuvo como propósito determinar la eficiencia de la bacteria Ideonella Sakaiensis en la degradación del tereftalato de polietileno plástico (PET), por lo que la investigación no se trata solo de las teorías sobre este tema y los antecedentes relacionados con nuestro trabajo. Nuestra investigación es cualitativa y básica, más que experimental, horizontal, porque utiliza reseñas de artículos científicos, artículos, revistas y libros escritos por otros autores en español e inglés. El procedimiento utilizado es observar el tipo de documento, ya que los documentos relacionados con el hecho a estudiar son identificados, seleccionados y finalmente analizados. Como resultado, al recopilarlos y compararlos, después de diluirlos en serie y cultivarlos en una película de PET, las bacterias que la degradaron se aislaron como bacterias gram negativas y aeróbicas. Además, se elaboró una tabla con los participantes para comparar parámetros como el pH, la temperatura, el tiempo y la

 

cantidad de PET degradado, para finalmente explicar con unas tablas. La conclusión es que la bacteria Ideonella Sakaiensis sí logró descomponer el tereftalato de polietileno (PET) en sus componentes originales, a saber, ácido tereftálico y etilenglicol, lo que llegaría inferir que los microorganismos utilizan diferentes vías metabólicas para descomponerse en estos materiales existentes en el medio ambiente. Según Chugnas (2019) en su trabajo titulado Eficiencia de las bacterias pseudomonas SP y dietziaceae para la degradación de Tereftalato de Polietileno, 2019,se realizó con el objetivo de dictaminar la eficacia de las bacterias Pseudomonas sp y Dietziaceae en la degradación del Tereftalato de polietileno (PET), la importancia del estudio se basa en la potencialidad degradadora con la que cuentan ambos géneros de bacterias según características propias, para el primer género el cual es muy conocido debido a sus diversas investigaciones con derivados de plástico, por otro lado, el segundo género es de conocimiento escaso pero fue seleccionado por su efectividad al degradar hidrocarburos, al lograr identificar qué género es más eficiente se podrán utilizar para realizar tratamientos con la finalidad de disminuir los residuos plásticos. En la experimentación se realizaron pruebas en laboratorio posteriormente se realizó el procedimiento para obtención de las muestras. El PET fue expuesto directamente a las bacterias en las placas Petri. Ambas especies fueron expuestas al PET por el periodo de 7 días, monitoreando las primeras 96 horas las placas 1R10 obteniendo un resultado máximo de 29.40% en el género Dietziaceae. Transcurridos los 7 días se realizó el pesaje final, donde el género Dietziaceae alcanzó un máximo de 40.03% de degradación, en cuanto a Pseudomonas sp el mayor porcentaje alcanzado fue de 19.20%. Finalmente se llegó a la conclusión de que ambas especies son eficientes en la degradación de tereftalato de polietileno siendo la especie predominante Dietziaceae. Segùn Tokiwa, 2009, p. 3735.En cuanto a los trabajos previos realizados de interés internacional se establecieron que la bacteria Ideonella Sakaiensis puede degradar PET con las enzimas PETasa y MHETasa

 

(Yoshida, 2016, p.5). La degradación ambiental del Tereftalato de polietileno se produce por la acción sinérgica de la fotooxidación termo oxidativa y la actividad biológica (microorganismos). su degradación se puede mejorar añadiendo aditivos, pues mejora la auto oxidación, reduce el peso molecular para que los 10 microorganismos degraden más fácil el polímero. En base a la realidad problemática mostrada, planteamos como: Objetivo General es dar a conocer la eficiencia de la bacteria Sakaiensis

Ideonella

para degradar el plástico polietileno tereftalato (PET),y como

Objetivos específicos describir las principales enzimas contenidas en la bacteria

Ideonella Sakaiensis

encargadas de la degradación de plásticos

(PET) y analizar las condiciones físicas y químicas que tiene la bacteria para degradar plástico e Indagar sobre los impactos ambientales que trae el (PET).

IIl.

Desarrollo 3.1 Eficiencia que tiene la bacteria Ideonella Sakaiensis para degradar el plástico (PET) La eficiencia que tiene la bacteria

Ideonella Sakaiensis  es

de un 90%

de éxito de degradar los (PET) y esto ayuda a contribuir con el cuidado del medio ambiente, con la finalidad de reducir el problema que representa en la actualidad, la acumulación de residuos sólidos. Dentro de estos trabajos previos se encontraron para comenzar, que la bacteria Ideonella Sakaiensis sí logra desintegrar el Polietileno tereftalato (PET) hasta sus componentes originales, es decir ácido tereftálico y etilenglicol; ya que estas bacterias emplean el polietileno tereftalato como única fuente de carbono, lo que permite inferir que los microorganismos utilizan distintas vías metabólicas para desintegrar estos materiales presentes en el ambiente.

 

3.2  Biodegradación del PET   3.2.1. Consideraciones previas: Como se mencionó anteriormente, el PET está compuesto por monómeros unidos entre sí por enlaces tipo éster. En consecuencia, aquellos microorganismos que tengan enzimas hidrolíticas capaces de atacar y romper estos enlaces podrían generar compuestos de bajo peso molecular (monómeros) que pueden ser asimilados por la célula. Sin embargo, debemos tener en cuenta una serie de consideraciones previas a la hora de emprender estudios sobre la biodegradación del PET. La capacidad de los microorganismos para degradar el PET dependerá de sus propiedades fisicoquímicas, por lo que no todos los tipos de PET son igualmente susceptibles a la degradación [24]. En este sentido, se ha demostrado que la velocidad a la que se degradan los poliésteres está relacionada con la movilidad de las cadenas poliméricas, que está determinada por el grado de cristalinidad y la diferencia entre la temperatura de degradación y la temperatura de fusión. o transición vítrea (dependiendo de la cristalinidad del polímero) [25]. De hecho, en polímeros semicristalinos como el PET, un alto porcentaje de cristalinidad afecta negativamente negativament e la actividad actividad de algunas enzimas dificultando su degradación. Esto se debe a que, en las regiones amorfas, las cadenas de polímero están menos empaquetadas y su movilidad es mayor, lo que las hace más accesibles a las enzimas y hace que estas partes sean más susc susceptibles eptibles a la biodegradación. biodegradaci ón. Por el contrario, en la fracción cristalina las cadenas están ordenadas y fijadas por fuerzas intramoleculares, por lo que su movilidad es mucho menor [24,25,26]. Como consecuencia, la biodegradación será más lenta en aquellos polímeros PET que presenten un mayor grado de cristalinidad  

.

3.3 Principales enzimas contenidas en la bacteria Ideonella  S akai akaiens ens i s

 

  Tras realizar diluciones sucesivas y cultivarlas en partículas PET para así tener un enriquecimiento de células capaces de nutrirse con polímeros. Se aisló la bacteria que asimila y degrada PET. Un Gram Negativo, aeróbico, contiene un flagelo que sirve para su movimiento. Estas bacterias funcionan mejor a temperaturas de 30 ° C y pueden degradar una hoja delgada de PET solo en 6 semanas. Las enzimas responsables de la biodegradación y asimilación del PET son PEThidrolasa y / o PETasa y MHETasa.

 

Estas enzimas funcionan de la siguiente manera, se tiene el sustrato que en este caso es PET este es degradado por la PETasa  que presenta un centro activo el cual se adhiere el sustrato, este es degradado por la actividad enzimática teniendo como producto (2hidroxiletil) tereftálico conocido como MHET (sintetizado por la esterificación de ácido tereftálico y óxido de etileno) a su vez será degradado por la enzima MHETasa, esta al igual que la primera enzima, presenta un centro activo donde se introducirá el MHET , la enzima realiza la catálisis de la molécula lo cual da origen a dos moléculas nuevas que son; primero el etilenglicol, que este es usado en las pinturas y líquidos de frenos . La segunda molécula es el ácido tereftálico, se usa en la producción del antioxidante y antiinflamatorios ácido protocatecuico. Estas dos moléculas luego se descomponen generando dióxido de carbono y agua.

 

3.3.1  La MHETasa. Características estructurales y mecanismos moleculares. Según los estudios, estos investigadores encontraron que había otro ORF cuyos niveles de expresión eran similares a los del gen PETasa [35]. Al purificar la proteína que codifica, se informó que degrada perfectamente MHET, pero no mostró ninguna actividad contra PET, BHET o ésteres alifáticos unidos a p-nitrofenol [35,36,38]. Esto sugiere que la proteína actúa específicamente sobre MHET y que es

 

responsable de su conversión en TPA y EG. Esta enzima se denominó MHETasa y su estructura cristalina se ha determinado recientemente en su forma de ligando libre y se ha vinculado a un análogo de MHET no hidrolizable (MHETA) [44]. Según los análisis filogenéticos, la MHETasa se agrupa con feruloil esterasas y tanasas del bloque X en la base de datos ESTHER [44]. Al igual que la PETasa, PET asa, presenta el pliegue característico de la superfamilia α / β hidrolasa, sin embargo, a diferencia de ella, MHETasa tiene una estructura bipartita que consta de un dominio α / β hidrolasa y un dominio cap, insertado entre la hélice β 7 y α 15 de la cadena el pliegue de α / β -hidrolasa  

3.3.2 La PETasa. Características estructurales y mecanismos moleculares. Por análisis genético y bioquímico, las enzimas de I. sakaiensis están involucradas en la hidrólisis del PET. A partir del genoma de la bacteria, se identificó un marco de lectura abierto (ORF) que codificaba una supuesta lipasa, cuya secuencia de aminoácidos mostraba una homología del 51% con respecto a la TfH hidrolasa de T. fusca [35, 37]. Una vez purificada, la proteína se incubó con una lámina de PET a 30 ° Después de 18 horas de incubación, se trabajó la aparición de cavidades en la superficie del plástico por un lado (Figura 9) y, por otro lado, la liberación de intermediarios del hidrólisis del PET, ambos hechos indicativos de la capacidad hidrolítica de dicha proteína [Esta enzima extracelular, denominada PETasa, es capaz de hidrolizar el PET, liberando principalmente MHET, junto con pequeñas cantidades de BHET y TPA. La PETasa también es capaz de actuar sobre uno de los intermedios, BHET, cuya hidrólisis produce MHET [35]. Cuando se compara la actividad de PETasa con la de otras enzimas que hidrolizan PET, como la TfH de T. fusca, se observa que la actividad de PETasa sobre los ésteres alifáticos unidos a p-nitrofenol p- nitrofenol es menor que la de TfH. Sin embargo, cuando se usa PET como s ustrato, la actividad de PETasa es 120 veces mayor que la de TfH, y lo mismo ocurre con BHET [35].

 

 

3.4 Condiciones físicas y químicas que tiene la bacteria para degradar plástico. La bacteria

Ideonella Sakaiensis

sobrevive en un pH que va desde 6

hasta 9 de valores, con un promedio de 7.45, es decir que puede vivir en un ambiente tanto alcalino como ácido, esto es un buen indicador para poder trabajarlo y realizar más investigaciones. Esta bacteria trabaja solo en temperatura altas, con un promedio de 32.1 °C, sobrevive a altas temperaturas, por ello podemos también decir, que, si se quieren realizar trabajos experimentales con esta bacteria, tendremos que realizarla en temporadas de verano y primavera, pues en temporadas frías corremos el riesgo de que el proyecto no funcione como se espere. El tiempo también dependerá del tamaño que se tenga la muestra, pero de igual manera, logra degradar en poco tiempo, en solo días como máximo y ya no en meses ni años.

3.5 Impactos ambientales que trae el (PET)

Los plásticos son polímeros complejos, lo que significa que son cadenas largas y repetitivas de moléculas que no se disuelven en agua. La resistencia de estas cadenas hace que el plástico sea muy duradero y tarde mucho tiempo en descomponerse de manera natural. Si fuese posible descomponerlos en unidades químicas más pequeñas y solubles, sería posible recoger estos componentes y reciclarlos para fabricar nuevos plásticos, como un sistema de lazo cerrado. Según  Ruiz existe una alta posibilidad que el poliestireno pueda transportar y liberar contaminantes al ambiente por ser un material muy peligroso y nocivo para cualquier ser vivo, cuando este se presenta en forma de residuo (Ruiz,2016, p 12). El principal impacto medioambiental de los residuos plásticos es la

 

contaminación de los hábitats marinos. Se S e sospecha que la ingestión de los desechos transfiere sustancias químicas tóxicas a los organismos. En el caso de los los vertederos, verted eros, los aditivos y lo loss elementos constituyentes constituyent es pueden liberarse y entrar al medio ambiente.  Alrededor de 8 millones de residuos res iduos lleg llegan an al océano cada c ada día, siendo sien do uno de los principales factores para la destrucción de la fauna y flora marina ya que los residuos que se encuentran en su totalidad ahí son objetos hechos a base de plásticos como botellas, fundas, tapas, etc. (ECOMUNDO, 2011). La gran cantidad de plásticos en materia prima no pueden ser degradados po porr el ambiente; como e ess el caso de

la

madera, el papel, o incluso el metal sino el vidrio, no se oxidan ni se descomponen con el tiempo (Villalba, 2016).  2016). 

CONCLUSIONES: -  La capacidad de degradación que tienen los microorganismos con respecto al material sintético resultó, result ó, según la revisión de varios autores, ser eficiente y una de las alternativas más viables, de tal manera que pueden contribuir al cuidado del medio ambiente, con el fin de reducir el problema que actualmente representa la acumulación de residuos sólidos. Dentro de estos trabajos previos se encontró en un primer momento que la bacteria Ideonella Sakaiensis sí logra desintegrar el tereftalato de polietileno (PET) a sus componentes originales, es decir, ácido tereftálico y etilenglicol; ya que estas bacterias utilizan el tereftalato de polietileno como única fuente de carbono, lo que nos permite inferir que los microorganismos utilizan diferentes vías metabólicas para desintegrar estos materiales presentes en el medio ambiente.  -  Se encontró que las enzimas de la bacteria Ideonella Sakaiensis, biodegradan el PET, gracias a las enzimas PETasa y MHETasa, estas funcionan de la siguiente manera, está el sustrato, que en este caso es el PET, este es degradado por la PETasa que presenta a El centro activo al que se adhiere el sustrato, este es degradado por la actividad

 

enzimática, teniendo como producto (2-hidroxiletil) tereftálico conocido como MHET (sintetizado por la esterificación de ácido tereftálico t ereftálico y óxido de etileno), a su vez, será degradado por la enzima MHETasa. Esta, al igual que la primera enzima, presenta un centro activo donde se introducirá el MHET, la enzima realiza la catálisis de la molécula, lo que da lugar a dos nuevas moléculas que son el etilenglicol y el ácido tereftálico. Estos dos luego se descomponen generando dióxido de carbono y agua.  

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