Por Reyna Berenice González González y Pablo Alfredo Sánchez Pineda
Desde hace muchos años, la producción de plástico se han convertido en un problema que no para de crecer. Se espera que se triplique para el 2060 y desgraciadamente solo se recicla 9% de estos residuos [1,2]. Se trata de un material que ha sido encontrado con mayor frecuencia dentro de nuestra cadena alimentaria y en microecosistemas, generando alerta por los posibles efectos que pueden repercutir en la salud humana.
En años recientes, han surgido nuevas alternativas de materiales de origen orgánico y biodegradables. Los biopolímeros biodegradables, como el polihidroxialcanoato (PHA), el polihidroxibutirato (PHB) y el ácido poliláctico, se producen a partir de fuentes renovables y pueden descomponerse de manera natural en el medio ambiente, ofreciendo ventajas ecológicas.
Entre las fuentes para producir estos biopolímeros se encuentra los azúcares, las proteínas y los microorganismos. Estos últimos han despertado un gran interés debido a su capacidad de rápido crecimiento, su abundancia en la naturaleza, el bajo consumo energético que requieren y sus posibles aplicaciones simultáneas en el tratamiento de agua y la obtención de otros recursos.
Entre estos microorganismos se encuentran las microalgas, conocidas por producir los biopolímeros PHA y PHB, similares al polipropileno (un tipo de plástico usado en envases, ropa y piezas de automóviles). Sin embargo, el escalamiento de la producción de estos biomateriales mediante microorganismos enfrenta limitaciones debido a sus biorequerimientos, como el control de nutrientes específicos, la cantidad de CO2 en el ambiente e incluso la intensidad de la luz.
Microalgas y carbon dots
Han surgido nuevas estrategias para mejorar la producción de biopolímeros en sistemas de microalgas. Una de ellas consiste en controlar ciertos nutrientes en el medio de cultivo para inducir un “estrés” que activa una ruta metabólica para producirlos [4].
Sin embargo, este “estrés” también puede provocar una reducción considerable en el crecimiento celular, lo cual es desfavorable. Esto ha llevado a realizar investigaciones enfocadas a solucionar ese problema, por ejemplo, estudios recientes indican que agregar nanomateriales de carbono, como los llamados “carbon dots”, a sistemas en condiciones normales, puede aumentar significativamente el crecimiento de estos microorganismos [5-6].
Los carbon dots son nanopartículas de carbono con un tamaño de 1 a 10 nanometros (nm) que presentan propiedades únicas como fluorescencia, biocompatibilidad y baja toxicidad. Poseen una gran versatilidad por su capacidad de ser añadidos con otros compuestos. Además, son nanomateriales que se pueden obtener a partir de materiales orgánicos como residuos agrícolas o frutas comunes.
Estos puntos de carbono son mucho más pequeños que las células e incluso más pequeños que la mayoría de los virus, porque 1 nm equivale a 0.000001 milímetros. Su tamaño diminuto les confiere esas propiedades que está siendo investigadas por su utilidad.
En este caso, teniendo en cuenta la problemática actual y las referencias publicadas, se identificó el área de oportunidad para desarrollar nanopartículas de carbono que aumenten el crecimiento celular de microalgas en condiciones de estrés y así incrementar la producción de biopolímeros.
La microalga seleccionada para el estudio fue Scenedesmus sp., que ha demostrado su capacidad para acumular biopolímeros como los polihidroxialcanoatos (PHA), los cuales son producidos por microorganismos como reserva de energía y carbono. Dado que la acumulación se realiza bajo ciertas condiciones de cultivo, se convierte en una candidata prometedora para la producción de bioplásticos.
Se crearon carbon dots utilizando tunas, frutas que necesitan poca agua para crecer y son ricas en minerales y azúcares, los cuales proporcionan el carbono necesario para crear nanopartículas [7]. Además, se agregó la superficie con nitrógeno, fósforo y una combinación de ambos para mejorar la biocompatibilidad y las propiedades ópticas [8].
Una vez preparados, estos puntos de carbono se agregaron a los medios de cultivo de Scenedesmus sp., y se tomaron muestras cada 5 días. Las muestras de microalgas se analizaron para determinar la concentración de carbohidratos, lípidos, proteínas, el crecimiento celular y la cantidad de PHA presente.
El estudio realizado mostró resultados positivos. El crecimiento celular de las microalgas en cultivos con carbon dots fue superior a otros métodos. El aumento fue de 32% en comparación con el control [9,10].
Además, se logró un incremento del 26.9% en la producción de PHA, demostrando que es posible aumentar la producción de bioplásticos en cultivos de microalgas mediante la aplicación de nanomateriales de carbono provenientes de fuentes orgánicas y métodos sustentables.
Retos por resolver
La producción de biopolímetos mediante microorganismos, a pesar de su gran potencial, enfrenta obstáculos para su implementación a gran escala, como la dificultad de mantener condiciones óptimas para el crecimiento de microalgas en volúmenes grandes. Sin embargo, los impactos positivos potenciales que podría generar el escalamiento de la producción de PHA y PHB son considerablemente amplios.
Por ejemplo, las emisiones equivalentes de carbono del polipropileno son de 1.34 kg de CO2 por kg de ese material, en tanto que un biopolímero degradable como el PHA presenta un rango de 0.032 y 0.49 kg de CO2 por kg de PHA [11, 12, 13]. Estos sumado a que los modelos de producción de bioplásticos pueden integrar sistemas de captura de CO2 del ambiente, tratamiento de aguas residuales y la producción de otros compuestos [3].
Se estima que el mercado de los plásticos convencionales podría alcanzar los 56.36 mil millones de dólares para 2031 [14], por lo tanto, es crucial llevar a cabo investigaciones que optimicen el crecimiento y desarrollo de bioplásticos, como PHA y PHB, para atender la demanda de biopolímeros y provocar un impacto ambiental positivo para el planeta.
Para más información consultar:
Sánchez-Pineda, P.A., López-Pacheco, I.Y., Villalba-Rodríguez, A.M. et al. Enhancing the production of PHA in Scenedesmus sp. by the addition of green synthesized nitrogen, phosphorus, and nitrogen–phosphorus-doped carbon dots. Biotechnol Biofuels 17, 77 (2024).
Referencias
- OECD, “Global plastic waste set to almost triple by 2060, says OECD,” Global plastic waste set to almost triple by 2060, says OECD. Accessed 25 Oct 2022.
- Schwarz AE, Ligthart TN, GoBizarro D, De Wild P, Vreugdenhil B, van Harmelen T. Plastic recycling in a circular economy; determining environmental performance through an LCA matrix model approach. Waste Manag. 2021;121:331–42.
- Atiwesh G, Mikhael A, Parrish CC, Banoub J, Le T-A T. Environmental impact of bioplastic use: A review. Heliyon. 2021.
- García G, Sosa-Hernández JE, Rodas-Zuluaga LI, Castillo-Zacarías C, Iqbal H, Parra-Saldívar R. Accumulation of PHA in the microalgae scenedesmus sp. under nutrient-deficient conditions. Polymers. 2020.
- Yang L, et al. Enhancing bioenergy production with carbon capture of microalgae by ultraviolet spectrum conversion via graphene oxide quantum dots. Chem Eng J. 2022.
- Zhao Z, Xue R, Fu L, Chen C, Ndayisenga F, Zhou D. Carbon dots enhance the recovery of microalgae bioresources from wastewater containing amoxicillin. Bioresource Technology. 2021;335:125258.
- Zenteno G, Juárez-Flores BI, Aguirre-Rivera JR, Ortiz-Pérez MD, Zamora-Pedraza C, Rendón-Huerta JA. Evaluación De Azúcares Y Fibra Soluble En El Jugo De Variantes De TunaS (Opuntia spp.). Agrociencia. 2015;49:141–52.
- Qie X, et al. High photoluminescence nitrogen, phosphorus co-doped carbon nanodots for assessment of microbial viability. Colloids Surf B Biointerfaces. 2020;191: 110987.
- Do Nascimento M, de los A dublan M, Ortiz-Marquez JCF, Curatti L. High lipid productivity of an Ankistrodesmus—Rhizobium artificial consortium. Bioresour Technol. 2013.
- Yang L, et al. Growth and lipid accumulation by different nutrients in the microalga Chlamydomonas reinhardtii. Biotechnol Biofuels. 2018;11(1):40.
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- Yu J, Chen L-X L. The Greenhouse Gas Emissions and Fossil Energy Requirement of Bioplastics from Cradle to Gate of a Biomass Refinery. Environmental Science & Technology. 2008;42(18):6961–6966.
- Mannina G, Mineo A. Polyhydroxyalkanoate production from fermentation of domestic sewage sludge monitoring greenhouse gas emissions: A pilot plant case study at the WRRF of Palermo University (Italy). Journal of Environmental Management. 2023;348:119423.
- SkyQuest Technology. Bioplastics Market Size, Share, Growth Analysis, By Raw Material (Sugar Cane, Potato, Corn Starch, Others), Product Type (Biodegradable (PBAT, PBS, PLA, PHA, Others), Non-Biodegradable (Bio-PE, Bio-PA, Bio-PET, PTT, PEF, Bio-PP, Others)), End-use Industry, and Region – Industry Forecast 2024-2031. Report ID: SQMIG15A2253. Global. June 2024.
Autores
Reyna Berenice González González. Doctora en Ciencias de Ingeniería. Forma parte de la Unidad de Bioprocesos del Instituto de Materiales Avanzados y Manufactura Sostenible, en el Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Su investigación se enfoca en la síntesis, caracterización y aplicación de nanomateriales de carbono. Hasta la fecha, ha publicado más de 46 artículos en revistas indexadas de alto factor de impacto, alcanzando más de 1000 citas, un índice h de 19 y un índice i10 de 27.
Pablo Alfredo Sánchez Pineda. Ingeniero en Nanotecnología y Especialista de Proyecto en la Unidad de Bioprocesos del Instituto de Materiales Avanzados y Manufactura Sostenible, en Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Su investigación se centra en el desarrollo de diferentes nanomateriales de carbono a partir de precursores verdes, con el objetivo de explorar su posible aplicación en biopolímeros para usos alimentarios. Se especializa en el desarrollo sostenible de nanomateriales y sus interacciones en sistemas biológicos.
