EVALUACIÓN DE LA BIODEGRADABILIDAD DE UNA PELÍCULA DE PLÁSTICO DE BIOPOLÍMERO SINTETIZADO A PARTIR DE XILOGLUCANO DE TAMARINDO

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Texto completo

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I

EVALUACIÓN DE LA BIODEGRADABILIDAD DE UNA PELÍCULA DE

PLÁSTICO DE BIOPOLÍMERO SINTETIZADO A PARTIR DE

XILOGLUCANO DE TAMARINDO

PAOLA ANDREA ÁLVAREZ BETANCOURT

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C.

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II

EVALUACIÓN DE LA BIODEGRADABILIDAD DE UNA PELÍCULA DE PLÁSTICO DE BIOPOLÍMERO SINTETIZADO A PARTIR DE XILOGLUCANO DE

TAMARINDO

TRABAJO DE GRADO EN MODALIDAD DE INVESTIGACIÓN-INNOVACIÓN PRESENTADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE:

INGENIERA AMBIENTAL

AUTOR:

PAOLA ANDREA ÁLVAREZ BETANCOURT

TUTOR PRINCIPAL:

M. Sc. JAIME EDDY USSA GARZÓN, UDFJC

MIEMBRO DEL COMITÉ TUTOR:

Ph.D. VICTOR MANUEL LUNA PABELLO, UNAM

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C.

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III

Agradecimientos

Inicialmente quiero expresar mi gratitud a Dios, porque es Él quien ha permitido todo en mi vida y que procesos como este surjan de la mejor manera. Agradezco a mi tutor, el decano Jaime Ussa Garzón, quien a través de su gran trabajo en aula nos motiva a investigar, a buscar soluciones, nos da ejemplo; le agradezco como director su mirada objetiva, sus sugerencias, el compartir sus amplios conocimientos y puntos de vista para que nuestros trabajos de grado busquen tener el mejor desarrollo y considerar un amplio panorama; agradezco su calidad como persona, su buena disposición, el permitirse los espacios

de la mejor manera para asesorarnos. De gran importancia para todo este proceso y por eso quiero darle un cálido agradecimiento al Doctor Víctor Luna Pabello, de la Universidad Nacional Autónoma de México, quien un día me abrió las puertas de su laboratorio que luego se convirtió en mi preciado lugar de ir todos los días; me incluyó en su grupo de trabajo, me orientó en la idea de investigación, me dio el tiempo y su paciencia para realizar procesos básicos y luego mis desarrollos experimentales enteramente en sus instalaciones. Le agradezco porque aún en la distancia ha seguido apoyándome y adecuando los tiempos para mi desarrollo escrito. Agradezco profundamente al doctor Luis Hernández y a Laura Mauricio, de la UNAM, por su continuo acompañamiento durante el desarrollo de mi proceso experimental, ustedes me transmitieron el conocimiento. En especial a la laboratorista Laura Mauricio quiero expresarle mi mayor gratitud por acogerme en su día a día, por enseñarme, por cuidarme, por todas los conocimientos que me transmitió, por tener la mejor disposición y actitud con las personas, como nunca había visto. Quisiera con esto también dar un gran agradecimiento al Lic. Luis Rodríguez y al Lic. Carlos González, por también transmitirme sus conocimientos y asesorarme ampliamente en técnicas y al inicio de la parte escrita de esta investigación. Quiero agradecer profundamente a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por abrir paso a presupuestos para investigación y para convenios con universidades del exterior y principalmente lo que ha sido ser parte de esta gran institución. Agradezco a toda la planta docente del proyecto curricular de ingeniería ambiental, por toda nuestra formación, pues somos fruto de sus enseñanzas. Aprovecho para agradecer al M.Sc. Néstor Bernal y a la M.Sc. Martha Gutiérrez, por sus enseñanzas en estadística y en biología. También, quisiera agradecer a la Universidad Nacional Autónoma de México por permitirnos a los extranjeros un semestre lleno de experiencias enriquecedoras en sus instalaciones, pues nos brindan todo lo que está a su alcance. Por último, y no menos importante, agradezco a toda mi familia, en especial a mi madre, mi hermano y mi padre, pues todo lo hago por ustedes, son mi motivación de vida. A mis amigos también quiero agradecerles y en especial, agradezco a Nicolás Arias por su continuo apoyo incondicional y motivación.

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IV

Resumen ejecutivo

El creciente y desmedido uso de plásticos dadas sus ventajas frente a otros materiales (metal, vidrio, papel, cartón), en el rendimiento, ahorro en costos, reducción de peso, aislamiento térmico/eléctrico, manejabilidad; contribuye a la problemática ambiental actual de acumulación de residuos sólidos, dados sus largos períodos de degradación que pueden tardar hasta 600 años; debido a esto, el campo de la investigación ha avanzado sintetizar materiales ‘plásticos’

alternativos que asimilen más rápidamente los microorganismos. El objetivo principal de este estudio fue evaluar la biodegradación de una muestra de biopolímero sintetizado de xiloglucano de tamarindo1, en un sistema en de compostaje en condiciones óptimas (temperatura permanente: 58°C; pH: 7.75; humedad: 45%; C/N=34.13), dispuesto en 5 biorreactores: 2 para la muestra, 2 para los controles y 1 para el blanco; se hicieron, mediciones muestrales de la cantidad de CO2 liberado por biodegradación empleando Ba(OH)2 como trampa de gas y HCl como titulante, en paralelo con registros visuales del comportamiento del material. El tiempo de biodegradación fue de 18 días, con pérdida de masa del 40.34%. Complementariamente, se realizó la caracterización de los microorganismos participantes en la biodegradación a través de siembra primaria en agar sangre y Sabouraud, siembra secundaria en BHI, diferenciando 13 morfologías coloniales, con tendencia a bacilos Gram (+). Además, se realizó el perfil enzimático en AA, LD, BP, que demostró existencia de enzimas amilasa, caseinasa y lecitinasa; las pruebas API permitieron la identificación de bacteria Pasteurella haemolytica (precisión 96.3%) y el reconteo en placa mostró un promedio de 2.15 x1012 UFC/mL de muestra.

Palabras clave: problemática ambiental del plástico, biodegradación, sistema de composteo,

microorganismos, xiloglucano de tamarindo, bioplástico.

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V Tabla de contenido

Resumen ejecutivo ... III

Capítulo I Introducción ... 1

Capítulo II Objetivos, alcances e hipótesis ... 7

Objetivo general ... 7

Objetivos específicos ... 7

Alcances ... 8

Hipótesis ... 8

Capítulo III Marco teórico-conceptual ... 9

1. Teoría de sistemas ... 9

2. Teoría del desarrollo sostenible ... 10

3. Plástico ... 12

4. Problemática ambiental por el plástico en Colombia ... 17

5. Problemática ambiental del plástico a nivel global ... 18

6. Alternativas de solución ante las problemáticas del plástico... 22

6.1. Vivir sin plástico. ... 22

6.2. Prohibir el plástico –gestión de residuos, innovación y consumo responsable. ... 23

6.3. Reutilización, reciclaje y valorización. ... 24

6.4. Sustitución tecnológica del material. ... 28

Capítulo IV Metodología ... 34

Primera fase: medición de la biodegradabilidad de la muestra ... 34

1. Parámetros iniciales ... 35

1.1. Solicitud, adquisición de composta - acondicionamiento del inóculo ... 35

1.2. Determinación pH inicial del inóculo de composta. ... 35

1.3. Estado inicial muestra experimental ... 35

1.4. Contenido total de Nitrógeno (N), Carbono (C), Hidrógeno (H) y Azufre (S) ... 36

1.5. Determinación sólidos totales. ... 36

1.6. Determinación de sólidos volátiles. ... 36

2. Medición muestral de CO2. ... 37

2.1. Montaje sistema controlado de compostaje. ... 37

2.2. Modelo experimental. ... 40

2.3. Comportamiento de las sustancias problema. ... 41

2.4. Cantidad de CO2 muestral - cálculos. ... 41

2.5. Análisis estadístico. ... 42

3. Etapa final de la prueba ... 42

3.1. Validación. ... 43

3.2. Pérdida de masa. ... 43

3.3. Ecotoxicidad. ... 43

Segunda fase: caracterización de los microorganismos ... 44

1. Siembra primaria microorganismos del biorreactor “muestra 1” ... 44

1.1. Medio de cultivo agar Sangre – bacterias. ... 45

1.2. Medio de cultivo agar Sabouraud – hongos. ... 45

2. Siembra secundaria en BHI ... 45

3. Tinción diferencial de gram ... 46

4. Perfil enzimático ... 46

(6)

VI

6. Evaluación cualitativa y conteo bacteriano ... 47

6.1. Alistamiento y montaje de sistemas de degradación. ... 47

6.2. Análisis cualitativo de la degradación. ... 50

6.3. Conteo bacteriano. ... 50

7. Actividad bacteriana muestra experimental estado inicial ... 51

8. Actividad enzimática en los sistemas de composteo ... 51

Capítulo V Resultados y discusión ... 52

Primera fase: medición biodegradabilidad de la muestra ... 52

1. Resultados preliminares - parámetros iniciales ... 52

1.1. Solicitud, adquisición de compost – acondicionamiento del inóculo... 52

1.2. Determinación de pH inicial del inóculo de composta. ... 54

1.3. Estado inicial muestra experimental. ... 55

1.4. Contenido total de Nitrógeno (N), Carbono (C), Hidrógeno (H) y Azufre (S) ... 55

1.5. Determinación de sólidos totales. ... 57

1.6. Determinación de sólidos volátiles. ... 59

2. Medición muestral de CO2 ... 61

2.1. Montaje sistema controlado de compostaje. ... 61

2.2. Modelo experimental. ... 63

2.3. Comportamiento de las sustancias problema. ... 64

2.4. Cantidad de CO2 liberado – cálculos. ... 74

2.5. Análisis estadístico. ... 80

3. Etapa final de la prueba ... 90

3.1. Validación. ... 90

3.2. Pérdida de masa. ... 91

3.3. Ecotoxicidad ... 93

Segunda fase: caracterización de los microorganismos ... 93

1. Siembra primaria microorganismos del biorreactor “muestra 1” ... 93

1.1. Medio de cultivo agar Sangre – bacterias. ... 93

1.2. Medio de cultivo agar Sabouraud - hongos. ... 98

2. Siembra secundaria en BHI ... 101

3. Tinciones diferenciales de Gram ... 107

4. Perfil enzimático ... 120

5. Pruebas bioquímicas ... 130

6. Evaluación cualitativa y conteo bacteriano ... 134

6.1. Alistamiento y montaje de los sistemas de degradación. ... 134

6.2. Análisis cualitativo de la degradación. ... 134

6.3. Recuento en placa. ... 138

7. Actividad bacteriana muestra experimental estado inicial ... 142

8. Actividad enzimática en los sistemas de composteo ... 144

Capítulo VI Conclusiones ... 147

Capítulo VII Recomendaciones ... 152

Bibliografía ... 155

Anexos ... 170

Anexo 1. Determinación de parámetros – fundamento de algunos reactivos ... 170

Anexo 2. Preparación de medios y estándares de referencia para cultivos microbianos ... 171

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VII

Tabla de figuras

Figura 1. Zona de recepción de los residuos, Planta UNAM. Fuente: propia. ... 4

Figura 2. Área de pretatamiento y separación, Planta UNAM. Fuente: propia. ... 4

Figura 3. Área de mezcla. Planta UNAM. Fuente: propia. ... 5

Figura 4. Fase de maduración en pilas de volteo, Planta UNAM. Fuente: propia ... 5

Figura 5. Localización Planta de Compostaje UNAM: ... 5

Figura 6. Diagrama metodología Fase l. Elaborado por: autora ... 34

Figura 7. Planteamiento Modelo Experimental para medición muestral de CO2. Elaborado por: autora ... 40

Figura 8. Viraje de la titulación: de color magenta a incoloro. Lectura de HCl 0.05N empleado, en mL. ... 41

Figura 9. Metodología Fase 2. Elaboración propia. ... 44

Figura 10. Adecuación de los matraces con tapones para la esterilización en el autoclave. ... 48

Figura 11. Aislamiento de la cepa bacteriana a partir de las 16 colonias aisladas, a 0.5 McFarland. ... 49

Figura 12. Composta acondicionada para inóculo luego de homogeneizarse en tamiz. ... 53

Figura 13. Agitación durante 18 horas±1hora a temperatura ambiente, seguida de un filtrado con gasa. ... 54

Figura 14. Estado inicial de la muestra de biopolímero de xiloglucano de tamarindo ... 55

Figura 15. 1g de muestra previo a haber sido situado en el horno por 1 hora y en posterior. ... 57

Figura 16. Resultado de exponer el crisol + la masa de composta a 550°C. ... 60

Figura 17.Estado inicial del montaje en los respectivos biorreactores con composta ... 62

Figura 18. 1) Estado de medición muestral 2) Estado permanente de los matraces ... 63

Figura 19. Se observa el crecimiento de hongos en los biorreactores de la muestra 1 y la muestra 2. ... 64

Figura 20. Se evidencia la presencia de líquido en abundancia como producto de la biodegradación ... 65

Figura 21. Comparación visual del proceso de biodegradación que se está llevando a cabo en los sistemas Muestra 1 y Muestra 2 con respecto al control negativo ... 65

Figura 22. Muestra 1 y muestra 2 respectivamente: se puede evidenciar que prevalece la presencia de humedad, y predomina en la muestra 1, sin embargo las lecturas de carbono son similares. ... 66

Figura 23. Se puede evidenciar que la humedad disminuyó considerablemente para ambas muestras. ... 66

Figura 24. Esquema general de los procesos químicos durante la fase aerobia de la composta en la planta de compost y el momento inicial del sistema de composteo en este estudio experimental. ... 68

Figura 25. Etapas y procesos de la degradación anaerobia, modificado de (Lucia Corrales et al., 2015)... 71

Figura 26. Planteamiento general de las reacciones en los sistemas de compostaje o biorreactores con la muestra experimental en la etapa anaerobia ... 71

Figura 27. Cantidad de milimoles de CO2 liberados en los biorreactores de composta ... 76

Figura 28. Gráfico en 3D de variables tiempo, CO2 y sistema de composteo. Elaboración: autora. ... 83

Figura 29. Diagrama de caja y bigotes de los datos obtenidos de liberación de CO2 ... 84

Figura 30. Gráfico de análisis individuales de biodegradación sustancias problema. ... 85

Figura 31. Correlograma entre los diferentes tratamientos del estudio ... 90

Figura 32. Estado actual de la vegetación luego de un año del vertimiento de los residuos del sistema de composteo ... 93

Figura 33. Variedad de colonias desarrolladas luego de 24 horas de incubación en Agar Sangre. ... 94

Figura 34. Colonias bacterianas en el agar Sabouraud. Ausencia de hongos. ... 99

Figura 35. Aislamiento de colonia S1 en medio BHI. ... 102

Figura 36. Aislamiento de colonia S2 en medio BHI. ... 102

Figura 37. Aislamiento de colonias S4blanca (S4B-derecha) y S4 roja (S4R-izq) en medio BHI. ... 103

(8)

VIII

Figura 39. Aislamiento de colonias 1 (izq.) y 2 (der.) en medio BHI. ... 104

Figura 40. Aislamiento de colonia 6 en medio BHI. ... 104

Figura 41. Aislamiento de colonia 8 en medio BHI. ... 104

Figura 42. Aislamiento de colonia 9 en medio BHI. ... 105

Figura 43. Aislamiento de colonias 12 (sup.) y 13 (inf.) en medio BHI. ... 105

Figura 44. Aislamiento de colonias 16 (sup.) y 15 (inf.) en medio BHI. ... 106

Figura 45. Aislamiento de colonia 19 satelital (19sat) en medio BHI. ... 106

Figura 46. Aislamiento de colonia 19 transparente (19transp) en medio BHI. ... 106

Figura 47. Tinción de Gram colonia S1. ... 107

Figura 48. Tinción de Gram colonia S2. ... 108

Figura 49. Tinción de Gram colonia S4B. ... 108

Figura 50. Tinción de Gram colonia S4R. ... 108

Figura 51. Tinción de Gram colonia S6. ... 109

Figura 52. Tinción de Gram colonia 1. ... 109

Figura 53. Tinción de Gram colonia 2. ... 109

Figura 54. Tinción de Gram colonia 6. ... 110

Figura 55. Tinción de Gram colonia 8. ... 110

Figura 56. Tinción de Gram colonia 9. ... 110

Figura 57. Tinción de Gram colonia 12. ... 111

Figura 58. Tinción de Gram colonia 13. ... 111

Figura 59. Tinción de Gram colonia 15. ... 111

Figura 60. Tinción de Gram colonia 16. ... 112

Figura 61. Tinción de Gram colonia 19sat. ... 112

Figura 62. Tinción de Gram colonia 19transp. ... 112

Figura 63. Colonias 1, 2 6 y 8 en AA. ... 120

Figura 64. Colonias 1, 2 6 y 8 en LD. ... 120

Figura 65. Colonias 1, 2 6 y 8 en BP. ... 120

Figura 66. Colonias 9, 12, 13 y 16 en AA ... 120

Figura 67. Colonias 9, 12, 13 y 16 en LD. ... 120

Figura 68. Colonias 9, 12, 13 y 16 en BP. ... 120

Figura 69. Colonias S1, S2 y S6 en AA. ... 121

Figura 70. Colonias S1, S2 y S6 en LD... 121

Figura 71. Colonias S1, S2 y S6 en BP. ... 121

Figura 72. Colonias S4B, S4R, S5 y S6 en AA. ... 121

Figura 73. Colonias S4B, S4R, S5 y S6 en LD. ... 121

Figura 74. Colonias S4B, S4R, S5 y S6 en BP. ... 121

Figura 75. Pruebas automatizadas manuales del sistema minimizado API® 20NE. ... 131

Figura 76. Estado inicial sistemas de degradación. MEI 1, MEI2, MCP, MCN, MCM. ... 134

Figura 77. Aumento de turbidez por actividad de degradación bacteriana. ... 135

Figura 78. Fotografía del fondo del matraz con la muestra experimental en el MM, la MEI 1. ... 136

Figura 79. (Izquierda a derecha) Control positivo, control negativo y control de medio. ... 136

Figura 80. Matraces situados en agitador ambiental orbital. ... 137

Figura 81. Ilustración del procedimiento para el vertimiento en placa de MEI 1 y MEI 2. ... 138

Figura 82. Conteo: 244 ⇒ 2.44 x1010 UFC/mL de muestra. ... 139

Figura 83. Conteo: 316 (>300, se denominan, por tanto, incontables). ... 139

(9)

IX

Figura 85. Conteo: 185. ⇒ 1.85 x1011 UFC/mL de muestra. ... 140

Figura 86. Conteo: 199 ⇒ 1.99 x1012 UFC/mL de muestra. ... 140

Figura 87. Conteo: 231 ⇒ 2.31 x1012 UFC/mL de muestra. ... 140

Figura 88. (Izq.). Siembra en BHI del estado inicial de la muestra. (Der). Tinción de Gram. ... 143

Figura 89. Control (+) en AA. Desarrollo: sí. Resultado: (-). ... 144

Figura 90. Control (+) en BP. Desarrollo: no. Resultado: (-). ... 144

Figura 91. Control (+) en LD. Desarrollo: no. Resultado: (-). ... 144

Figura 92. Control (-) en AA. Desarrollo: sí. Resultado: (-). ... 144

Figura 93. Control (-) en BP. Desarrollo: no. Resultado: (-). ... 144

Figura 94. Control (-) en LD Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 144

Figura 95. Muestra 1 en AA. Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 145

Figura 96. Muestra 1 en BP. Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 145

Figura 97. Muestra 1 en LD. Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 145

Figura 98. Muestra 2 en AA. Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 145

Figura 99. Muestra 2 en BP. Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 145

Figura 100. Muestra 2 en LD. Desarrollo: sí. Resultado: (+). ... 145

Figura 101. (Izquierda) Aislamientos por agotamiento por estría, tipos de estríado.. ... 172

Figura 102. Siembra por estrías por agotamiento en cuato fases. Tomado de (Jimenez, 2011). ... 172

Figura 103. Morfología colonial bacteriana según su superficie, forma y borde (Gil, 2010). ... 173

Figura 104. Preparación Agar BHI por autora. ... 174

Figura 105. Esquema de diferencias estructurales entre bacterias Gram negativas y positivas ... 175

Figura 106. Realización de Tinción de Gram ... 176

Figura 107. Galería las cartas de colores API® 20 NE: pruebas negativas y positivas ... 178

Figura 108. Resultados en AA. ... 180

Figura 109. Resultados en LD. ... 180

Figura 110. Resultados en BP. ... 180

Figura 111. Método de diluciones sucesivas y de vertido en placa para conteo bacteriano ... 182

(10)

X

Tabla de tablas

Tabla 1. Contenido de los matraces para conteo bacteriano. ... 49

Tabla 2. Resultados del pH inicial del inóculo de composta. ... 54

Tabla 3. Análisis elemental muestra xiloglucano de tamarindo ... 55

Tabla 4. Análisis elemental control positivo - celulosa ... 56

Tabla 5. Resultados en masa de crisoles con muestra y composta para determinar sólidos totales. ... 57

Tabla 6. Resultados en masa de crisoles con muestra y composta para determinar sólidos volátiles ... 59

Tabla 7. Descripción de los procesos relevantes evidenciados del proceso experimental de la Fase 1. ... 64

Tabla 8. Poder calorífico inferior (PCI) y poder calorífico superior (PCS) de combustibles gaseosos .... 72

Tabla 9. Agrupación de los resultados obtenidos según los días de muestreo, volumen de titulante y cálculo de CO2. ... 74

Tabla 10. Cantidades de CO2 liberados en el proceso de biodegradación ... 75

Tabla 11. Resultados del uso de métodos estadísticos para el análisis de los datos. ... 81

Tabla 12. Resultados del pH final del incóculo de composta con muestra experimental ... 90

Tabla 13. Resultado de sólidos volátiles para biorreactores M1 y M2. ... 91

Tabla 14. Resultados en masa de crisoles con fracción del contenido de los reactores Muestra 1 y Muestra 2 al final de la prueba, para determinar sólidos volátiles ... 91

Tabla 15. Masa de los biorreactores de sistema de composteo, Muestra 1 y Muestra 2, al inicio y al final de la prueba de biodegradación. ... 92

Tabla 16. Resultados de la siembra secundaria Agar BHI para aislamiento bacteriano. ... 102

Tabla 17. Tinción de Gram de las colonias aisladas en la siembra secundaria en agar BHI. ... 107

Tabla 18. Resultado perfil enzimático pruebas bioquímicas en AA, LD, BP, de las cepas bacterianas aisladas en BHI. ... 120

Tabla 19. Recopilación de resultados de caracterización de las cepas bacterianas. ... 127

Tabla 20. Resultados pruebas bioquímicas sistemas miniaturizados API® 20NE. ... 130

Tabla 21. Análisis cualitativo de la degradación de cepas bacterianas sobre la muestra experimental. 134 Tabla 22. Resultado del conteo bacteriano de la muestra experimental en MM y cepas bacterianas ... 139

Tabla 23. Perfil enzimático del contenido de los biorreactores de la Primera Fase ... 144

Tabla 24. Tabla de identificación del método rápido mediante sistema manual API®. ... 176

Tabla 25. Pruebas Bioquímicas en los medios de cultivo AA, LD, BP. ... 180

Tabla 26. Contenido del medio mineral ... 181

Tabla 27. Composición de la turbidez estándar de McFarland. ... 181

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XI

Siglas, acrónimos y abreviaciones AA Agar Almidón

AGV Ácidos grasos volátiles

API Analytical Profile Index – Índice Analítico de Perfil

ASTM American Society of Testing Materials - Asociación Americana de Ensayo de Materiales BHI Brain Heart Infusion – Infusión cerebro corazón

BP Agar Baird Parker

CIC Capacidad de Intercambio Catiónico

DANE Departamento Administrativo Nacional de Estadística es decir Es decir

Fig. Figura

IIM Instituto de Investigación en Materiales - UNAM LD Agar Leche Descremada

MADS Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible MO Materia orgánica

MM Medio Mineral p.e. Por ejemplo

PE Polietileno PS Poliestireno

PVC Cloruro de Polivinilo RSU Residuos Sólidos Urbanos

SMA Standard Methods Agar – Agar Métodos Estándar TSI Triple Sugar Iron – Triple azúcar hierro

TM Toneladas métricas.

UDFJC Universidad Distrital Francisco José de Caldas UFC Unidad Formadora de Colonias

UNAM Universidad Nacional Autónoma de México

USAII Unidad de Servicios de Apoyo a la Investigación y la Industria Xg Xiloglucano

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1

Introducción

El presente estudio está encaminado a mostrar el comportamiento de biodegradación que presenta una muestra de plástico de biopolímero sintetizado a partir de xiloglucano de tamarindo, mediante un sistema de compostaje, para evaluar el tiempo en que este material puede ser

asimilado por los microorganismos. Con esto se evalúa si el biopolímero de tamarindo, sintetizado por del Real, Wallander, Maciel, Cedillo & Loza (2015) para ser sustituto del poliestireno, es adecuado en términos de tiempos de degradación, ya que este surge como una alternativa de solución en vista de la creciente problemática ambiental de acumulación de residuos plásticos, que está determinada por sus altos tiempos de permanencia en el ambiente: “cualquier pieza de plástico que se haya generado alguna vez en la historia todavía existe, aún no se ha degradado” (Chandra et al., 2018), pues de acuerdo con el tipo de plástico, la

biodegradación puede tomar hasta 700 años (Derraik, 2002),

El impacto ambiental que tiene el plástico es altamente negativo, principalmente cuando es introducido al medio natural como desecho, debido a su masiva producción, los hábitos de consumo que los ligan a ser artículos de un solo uso (Téllez, 2012) y la inadecuada disposición. De acuerdo con Parker (2018), cada año resultan en el océano cerca de 8 millones de toneladas de plástico y en total, desde que inició su producción a gran escala a mediados del siglo XX, se estima una acumulación de residuos de este material de 8.300 millones de toneladas –de las que la cifra de reciclaje no alcanza la quinta parte–, las cuales afectan constantemente el medio biótico en todas sus escalas.

Estudios como el de Jambeck et al. (2015) afirman que en el 2010 se registraron 275 millones de toneladas métricas (TM) de residuos de plástico, en el 2012 un total de 288 millones TM en

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2 192 países costeros, con 4,8-12,7 millones entrando al océano, del total de 2,5 billones TM de residuos municipales que fueron generados por 6,4 billones de personas de tales países (93% de la población). Dicha masividad tanto de consumo como de generación de residuos se debe a que la población actual prefiere el plástico con respecto a otros materiales (metal, vidrio, papel, cartón) dadas sus ventajas en el rendimiento (propiedades mecánicas), bajos costos, bajo peso, aislamiento térmico/eléctrico, versatilidad de manejabilidad y creación, entre otros.

Gran parte de los plásticos que resultan en los océanos son degradados por los rayos solares UV (fotodegradación) y por el ambiente marino reduciéndose a microplástico (<5mm) (microp. ‘secundario’). El microplástico primario, resultado de la abrasión de grandes plásticos durante manufactura, uso, mantenimiento o erosión de llantas; agentes de ‘fregado’ de cuidado personal, cremas, geles, etc., que corresponde entre el 15 y 31% del total de plástico presente en el océano, es decir, 1,5 millones de toneladas al año (Boucher & Friot, 2017), o cerca de 50 billones

fragmentos de plástico, sin incluir el fondo marino o las playas (Sebille et al., 2015). El principal problema del microplástico consiste en su afectación a los organismos: se han identificado más de 220 especies marinas que los confunden con su alimento (Boucher & Friot, 2017).

En Colombia, según el DANE citado por PlasticsEurope (2016), la producción de artículos de plástico entre enero y septiembre de 2015 se incrementó 5,2% (la generación de residuos

plásticos en Colombia ha alcanzado 1.075.294 kg/día y el promedio mundial: 1.420.189 kg/día (Rangel, Williams, Anfuso, Arias, & Gracia, 2017)), y aunque es positiva su capacidad de generar empleo en la población (crecimiento de 2,6%), es más significativo el aumento de la problemática por los residuos plásticos: en las playas del litoral del departamento Atlántico, Caribe Colombiano, el 27% de los residuos son plásticos (la vegetación el 59%), es decir, hay en

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3 promedio 0,82 ítems en cada metro cuadrado (Rangel et al., 2017). El conflicto radica en que es un artículo ‘flotante persistente’, que se traslada de costa a costa sin degradarse.

Por tanto, la generación de residuos de plástico petroquímico producto de todo tipo de

actividades2, crea un aspecto de orden global que origina la presión ambiental en los medios biótico, abiótico y socioeconómico, que a su vez genera efectos en todos los componentes de dichos medios (hidrológico, geológico, geomorfológico, ecosistémico, demográfico, etc.) y sobre

factores como la calidad del agua, la biodiversidad, o la contaminación del suelo, uno de los

temas más ignorados porque las mayores investigaciones se han enfocado en los ambientes oceánicos, donde se identifican impactos ambientales significativos como: variación en los nutrientes del suelo, bioacumulación de microplásticos y aditivos, así como un aumento en la incidencia de problemas tanto de salud pública como de los ecosistemas (Chae & An, 2018).

Para enfrentar dicha problemática, en la última década se ha realizado investigación para

sustituir el plástico petroquímico por ‘bioplásticos’ (de polímeros naturales), los cuales,

representan una medida para la reducción de residuos orgánicos (resultan a menudo de

aprovechar los residuos como semillas y bagazos), así como una alternativa biotecnológica para evitar el uso de los plásticos convencionales que se conoce no son biodegradables. A medida que se obtienen resultados de síntesis de nuevos materiales surge la necesidad de realizar pruebas de viabilidad para corroborar si estos responden favorablemente al requerimiento básico de bajo tiempo de biodegradación.

Se estima que globalmente no existe un país cuyos habitantes no hagan uso del plástico petroquímico, por consiguiente, los sustitutos creados a partir de biopolímeros deben estar diseñados de manera que puedan ser fácilmente asimilados por los microorganismos de los

2 El uso de estos términos, corresponde a los empleados y definidos en la Metodología General para la Elaboración y

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4 medios como el agua y el suelo, con el fin de dar solución a la problemática de acumulación de residuos. La primera fase de este estudio, correspondió a la prueba de biodegradabilidad de la muestra experimental o plástico sintetizado a partir de xiloglucano (Xg) de tamarindo (XgT) con acrilato de etilo bajo condiciones controladas de compostaje basados en el método estándar ASTM-5338 (ASTM International, 2015), con un sistema adaptado para la toma muestral de CO2, además de adaptaciones preliminares de la sustancia problema y la composta que fue inoculada para este fin, la evaluación cualitativa del cambio en los sistemas de compostaje, así como una etapa final que consistió en el cálculo de la pérdida de masa, la validación del estudio a partir del pH y la determinación del tiempo de biodegradación .

La ‘composta’ o ‘compost’ empleado para este estudio provino de la planta de la UNAM (en operaciones desde 1994) cuyas instalaciones están dedicadas al tratamiento biológico de los residuos sólidos urbanos (RSU) provenientes de Ciudad Universitaria de la UNAM, en la Ciudad de México. Estos se componen principalmente de residuos vegetales de poda, pastos y plantas al deshierbar, de madera o tala por saneamiento, residuos de restaurantes, módulos de comida y en general del consumo de estudiantes y profesores. A diario se procesan 25 a 36m3 de residuos y se obtienen 140m3 de compost al mes (UNAM, 2015). A continuación, se pueden apreciar las diferentes zonas de tratamiento de esta planta de compostaje.

Figura 1. Zona de recepción de los residuos, Planta UNAM. Fuente: propia.

Figura 2. Área de pretatamiento y separación, Planta UNAM. Fuente: propia.

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5 Figura 3. Área de mezcla. Planta UNAM. Fuente:

propia.

Figura 4. Fase de maduración en pilas de volteo, Planta UNAM. Fuente: propia

Figura 5. Localización Planta de Compostaje UNAM: 19°18’38.92” N 99°10’37.74” O. Tomada de Centro Nacional de Estudios Espaciales (CNES), DigitalGlobe,

INEGI, compilados por ©Google Earth Pro 2018.

La segunda fase consistió en la caracterización básica de los microorganismos que

participaron en el proceso de biodegradación de la muestra experimental (bioplástico de XgT), siendo lo primero la definición de existencia de bacterias u hongos por siembra primaria y diferenciación de colonias para observar variedad; posteriormente, la siembra secundaria en medios enriquecidos para el aislamiento por colonias diferenciadas, la descripción de la morfología colonial, las tinciones diferenciales y las morfologías celulares. Posteriormente, se llevaron a cabo las pruebas respectivas para encontrar la presencia de las enzimas amilasa, caseinasa y lecitinasa, para encontrar en la actividad enzimática bacteriana la posibilidad de asimilar como nutrientes los compuestos poliméricos de la muestra experimental. Se aplicaron asimismo pruebas miniaturizadas para identificación de no enterobacterias (API® NE)

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6 únicamente por disponibilidad. Se hizo un reconteo en placa para encontrar las unidades

formadoras de colonia por mililitro de muestra para encontrar la capacidad de los sistemas de composteo de dar sustento a organismos viables.

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Capítulo II

Objetivos, alcances e hipótesis Objetivo general

Evaluar la biodegradabilidad de una película de plástico sintetizada a partir de xiloglucano de tamarindo y acrilato de etilo a partir de un sistema de compostaje en condiciones controladas de laboratorio.

Objetivos específicos

Determinar la biodegradación a través de la pérdida de masa, las condiciones físicas de desintegración de material y el grado de biodegradabilidad por liberación de CO2 de la muestra experimental de xiloglucano de tamarindo a través de un método de prueba bajo condiciones controladas de compostaje en biorreactores.

Verificar la validez de las condiciones iniciales y finales de esta prueba de biodegradabilidad a través de las determinaciones de sólidos totales, sólidos volátiles, pH y contenido elemental necesarios en el inóculo de composta y la muestra experimental.

Realizar la caracterización de los organismos agentes de la biodegradación presentes en el sistema controlado de compostaje, los biorreactores a partir del aislamiento, descripción de morfología celular y colonial, clasificación de Gram, perfil de enzimas y conteo bacteriano.

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Alcances

Mediante este estudio fue posible conocer el tiempo de degradación por parte de

microorganismos de una película plástica de xiloglucano de tamarindo (XgT) y acrilato de etilo en un sistema de compostaje inicialmente aerobio que posteriormente fue tornándose anaerobio, a partir de un método indirecto de medición de dióxido de carbono con lo cual se hizo posible la comparación con respecto a las distintas sustancias expuestas al mismo tratamiento, que fueron celulosa, polietileno y el control de medio. Por otro lado, a través de este estudio, se permitió la caracterización básica de los microorganismos que participaron en dicha biodegradación, a través del aislamiento primario, secundario, tinción de Gram, tipificación de la morfología celular, perfil enzimático de amilasa, caseinasa y lecitinasa. Se logró la identificación de una especie bacteriana con un 96% de precisión. También, se realizó el conteo bacteriano por mL de muestra y se llegó a observar las características enzimáticas iniciales de la muestra, para saber la

actividad de metabolitos presentes en ella.

Hipótesis

Existe diferencia significativa entre la actividad de biodegradación por parte de

microorganismos sobre la muestra experimental, es decir, la película plástica de biopolímero de xiloglucano de tamarindo con respecto a la sustancia conocida como biodegradable, la celulosa, la reconocida como persistente, el polietileno, cuando estas son sometidas a condiciones

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Capítulo III Marco teórico-conceptual

1. Teoría de sistemas

La teoría de sistemas ha venido interviniendo en el objetivo de comprender los

comportamientos humanos y los fenómenos que derivan de las esferas de sus prácticas; esta teoría se basa en la premisa de que gran cantidad de sucesos pueden ser concebidos como un ‘sistema’ que aunque sea abstracto, puede ser modelado de forma precisa para desarrollar ideas puntuales sobre dichos sucesos a través de varias disciplinas, las cuales permiten comprender las interacciones del sistema, las hacen identificables al ser el sistema un conjunto de elementos relacionados con atributos diferenciables (Rhodes, 2012). El primer esfuerzo para concebir ‘La Teoría General de Sistemas’ lo dio el biólogo Ludwig von Bertanlaffy en 1940, quien

fundamentó los primeros énfasis a través de las matemáticas (Yackinous, 2015).

Para comprender la teoría de sistemas, es necesario concebir las nociones que se tienen en cuenta actualmente de los tipos de sistemas: los sistemas cerrados, que no poseen interacciones significativas con su entorno; los sistemas abiertos, que si interactúan con el medio en que se encuentran, como los sistemas vivos; los sistemas complejos, que poseen comportamientos impredecibles dada las interdependencia entre los elementos que los componen y variación en el tiempo; estos últimos han sido el foco de investigación las últimas dos décadas (Rhodes, 2012).

Gran parte de lo que se ha llegado a consolidar como las ‘ciencias ambientales’ se basa en la teoría de sistemas y fundamentalmente en los sistemas complejos, que cambian sus propiedades en el tiempo, en su límite definido interaccionan con los factores dentro y fuera del sistema generando productos que se relacionan con su entorno y luego de este provienen nuevamente las entradas al sistema. Así, muchas de las problemáticas, conjeturas o coyunturas de diferentes

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10 comunidades humanas, desde lo étnico a lo bélico, la sobrepoblación, la pobreza endémica, la crisis medio ambiental, encuentran la posibilidad o alternativas de solución, si y solo si se integran los conocimientos de las ciencias naturales-ambientales a las ciencias sociales y

humanas, puesto que la fragmentación del conocimiento en ramas, si bien es una herramienta de la academia, no corresponde a la reflexión que requiere el mundo real, por lo que resolver o mejorar tanto los sistemas socioeconómicos humanos en sí mismos como su interacción con los sistemas biofísicos o naturales desde el enfoque sistémico resulta ser correcto (Yackinous, 2015).

Los abordajes a lo largo de este documento se realizarán entorno a esta teoría como una de las bases fundamentales de la ingeniería ambiental, por lo cual, los conceptos que se exponen a continuación buscan tener en cuenta la mayor cantidad de esferas concebibles para cada una y su respectiva interacción, ya que los análisis actuales no pueden centrarse en una sola área del conocimiento, como la microbiología o la química, sino que deben integrarse entre ellos para lograr una mejor comprensión y de ese modo propuestas más reales o viables para la solución de la problemática actual de acumulación de residuos de plástico desde la perspectiva de la

ingeniería ambiental que propiamente busca las soluciones desde la relevancia de la interacción hombre-naturaleza y la propuesta de soluciones viables para lograr mantenerla.

2. Teoría del desarrollo sostenible

Las concepciones bajo las que se fundamenta este estudio provienen de la base del

cumplimiento de esta teoría, la cual surge de una toma de conciencia a nivel global de la relación del desarrollo económico y el medio ambiente, concretamente a partir del marco de las Naciones Unidas y la creación en 1983 de la Comisión de Desarrollo y Medio Ambiente (que incluye expertos de lo científico, político y social), que trató los temas de desarrollo, medio ambiente, cooperación internacional, objetivos, compromisos para las organizaciones, institutos, gobiernos

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11 e individuos. Estos esfuerzos, resultaron en el informe “Nuestro futuro común” (‘Our common future’, en inglés) de Brundtland (en honor a la directora de la comisión, Harlem Brundtland, primer ministro de Noruega), en cual se introduce el concepto de desarrollo sostenible:

“Está en manos de la humanidad asegurar que el desarrollo sea sostenible, es decir, asegurar que satisfaga las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras

generaciones para satisfacer las propias”. (Brundtland, G.H., 1987, citado por Gómez, 2015). Este concepto se ha venido manejando desde tres dimensiones o esferas: lo social, lo económico y lo medio ambiental, de manera que la interacción entre estas resulten en algo soportable, viable y equitativo; la integración resulta ser fundamental para lograr resultados de desarrollo, es decir, una interacción de manera equilibrada para la sostenibilidad (Behrentz, Carrizosa, & Acevedo, 2009). Para tal cumplimiento, las Naciones Unidas trazaron los denominados ‘objetivos del desarrollo sostenible’ (ODS) durante la Agenda 2030 (CEPAL, 2015), un total de 17 objetivos, 169 metas y 231 indicadores, entre los que se incluyen temas como la pobreza, el hambre, la salud, la educación, las formas no convencionales de la energía, los hábitos de consumo, el clima, los ecosistemas terrestres, las alianzas, la industria, innovación e infraestructura, objetivo principal en el que se basa el presente estudio.

A nivel nacional, el concepto de desarrollo sostenible es abordado por la Ley 99 de 1993, que en su Artículo 3 expone: “Se entiende por desarrollo sostenible el que conduzca al crecimiento

económico, a la elevación de la calidad de la vida y al bienestar social, sin agotar la base de recursos naturales renovables en que se sustenta, ni deteriorar el medio ambiente o el derecho de las generaciones futuras a utilizarlo para la satisfacción de sus propias necesidades”. Con

esto, se puede entender que el desarrollo de la economía influencia altamente estas dinámicas, por lo cual, se entiende la necesidad del nacimiento de ramas como la ‘Economía ambiental’, en

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12 la que se pude incluir la valoración de los recursos naturales como de uso directo, indirecto, de opción y valores de no uso; por otro lado, se explica el surgimiento de la propuesta integral de ‘bienes y servicios ecosistémicos’ (Paulo Rodríguez & Cubillos, 2012).

En este sentido, cabe resaltar que se hace necesario comprender que los esfuerzos de este estudio están guiados a dar respuesta a los requerimientos a los que apunta la humanidad en la actualidad en cuanto a garantizar el desarrollo sostenible, la investigación es parte fundamental en este conjunto de acciones debidas para lograr el equilibrio en las esferas de la sostenibilidad, puesto que así dará paso a la búsqueda de soluciones tecnológicas más apropiadas como lo es la sustitución de materiales, en este caso, del plástico petroquímico convencional, causante de una de las problemáticas actuales más alarmantes por acumulación de residuos, siendo la

biodegradabilidad de tales sustitutos un aspecto importante a evaluar y desde el punto de vista de la ingeniería ambiental, la posibilidad de hallar el medio más eficiente para su biodegradabilidad, encontrando justificantes de modo que se asegure la aplicabilidad tecnológica de los bioplásticos.

3. Plástico

Los plásticos, un tipo de polímeros (macromoléculas formadas por la unión de varios

monómeros mediante enlaces covalentes), han intervenido en la vida de los seres humanos desde hace siglos, desde aquellos de origen natural como los cuernos, pezuñas, conchas, con los que se fabricaban peines, botones y accesorios, hasta aquellos que por la difícil recolección de los naturales, fueron elaborados con modificaciones químicas mejorando sus propiedades, como el caucho vulcanizado (caucho natural con azufre en polvo) de Charles Goodyear (1839). Así pues, los plásticos actuales han sido producto de amplias mejoras químicas: el primer plástico con hidrocarburos fue un sustituto del marfil natural sintetizado en 1860, un procesado de piroxilina

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13 con alcohol y en 1909 se elaboró el primer plástico totalmente sintético, la bakelita (fenol y formaldehído) de Hendrik Baekeland (Escuela Colombiana de Ingeniería, 2007).

En los años 30 se desarrolló en Alemania el poliestireno (PS) y el poliestireno expandido (EPS), así como el nylon de Walace Carothers, la primera fibra artificial para paracaídas durante la Segunda Guerra Mundial, momento en el que se desarrolló también la “goma sintética”, por dificultad para obtener materia prima; luego en la posguerra, el alemán Karl Ziegler descubrió un catalizador capaz de producir polímeros específicos, hecho que demostró el italiano Giulio Natta (ganadores nobel en 1963), lo que dio paso a la producción a gran escala de plásticos sintéticos a nivel mundial (Perdomo, 2002). Por ello, en la segunda mitad del siglo XX la producción y uso de los plásticos sintéticos aumentó debido a su versatilidad, bajo costo y mejores propiedades, desplazando así a materiales metálicos, de cartón, vidrio. El desarrollo cronológico de los tipos de plásticos sintéticos ha sido altamente documentado y lo expone Escuela de Ingeniería (2007).

Ahora, para manejar un término definido, se aclara que el ‘plástico’ etimológicamente proviene del griego Plastikos que significa “susceptible a ser moldeado” (Universidad de Salamanca, n.d.-b). Por otro lado, La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM International, 2015) especifica como plástico a cualquier material que contenga como elemento esencial alguna sustancia orgánica de gran peso molecular, que es sólido en su estado final, que ha tenido en alguna etapa de su manufactura (fundido, cilindrado, prensado, estirado, moldeado) diferentes formas de fluidificación, mediante la aplicación, junta o separada, de presión o calor. Son polímeros que pueden ser moldeados bajo presión para adquirir diversas formas con el fin de ser empleados en múltiples usos de embalaje, pinturas y recubrimientos (López C, 2004).

Clasificación de los plásticos. Según su origen, se pueden catalogar en USAL (n.d.-b): naturales, como el almidón, la celulosa, lignina, serina; artificiales o semisintéticos, que

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14 provienen de la transformación química de polímeros naturales, como el celuloide, acetato de celulosa, galatita, ebonita, entre otros; sintéticos, los obtenidos químicamente a partir de sustancias de bajo peso molecular para formar monómeros y la subsiguiente polimerización de éstos. Por su parte, los polímeros naturales presentan estructuras más complejas tanto en

composición como en organización mientras que los sintéticos contienen normalmente entre uno y tres tipos diferentes de unidades que se repiten (Beltrán Rico & Marcilla Gomis, 2012).

Por otro lado, según su comportamiento frente al calor y el método de polimerización, los plásticos sintéticos se dividen en: elastómeros, termoplásticos (cadenas desligadas) y

termoestables (cadenas ligadas) (Meneses, Corrales, & Valencia, 2007). Los elastómeros, poseen miles de monómeros en grandes cadenas altamente flexibles, desordenadas y entrelazadas que al estirarse se y ordenan, pero al dejar la tensión retornan a su desorden natural; p.e. el poliisopreno, polibutadieno, poliuretanos (Escuelaing, 2007).

Los termoplásticos (pistómeros o termoplastos) son polímeros (lineales o ramificados), que de manera reiterativa pueden tener fluidez por la acción del calor sin que se descompongan químicamente (cuando no alcanzan la temperatura de desintegración) y se endurecen al enfriarse; estos poseen temperatura de transición vítrea (Tg) -materiales amorfos- o temperatura de fusión

(Tm) -materiales cristalinos-, superior a la ambiental, y no tienen aplicación por encima de estas

pues pierden sus capacidades. Estos poseen elevado tiempo de degradación y se diferencian las

poliolefinas: polietileno (PE), de alta (HDPE) y baja densidad (LDPE), polipropileno (PP); los estirenos: poliestireno (PS), acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), acrlonitrilo-estireno (SAN),

polipropileno; polímeros halogenados: policloruros de vinilo, cloruro de polivinilo (PVC);

ésteres de: poliacetato de vinilo, polimetacrilato de metilo (PMMA); los óxidos, sulfonas, y similares: polietileno de Tereftalato (PET), policarbonato (PC), poliamidas (PA) (USAL, n.d.-b).

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15 Los polímeros termoestables durómeros o duroplastos, son aquellos con macromoléculas reticuladas que por la acción del calor o mediante endurecedores se solidifican de forma irreversible y al fundirse se descomponen químicamente; estos se crean a partir de materias primas que forman un producto intermedio (prepolímero) con capacidad de fundir y de rellenar un molde, para luego dar paso a termoestables por curado durante el moldeo. Entre estos se reconocen (USAL, n.d.): los fenoplastos, como el fenol-formol (PF); los aminoplastos: la Urea-formol (UF); las resinas reactivas, producidas sin necesidad de calor, frecuentemente

exotérmicas; los poliésteres, que son líquidos viscosos, que requieren catalizadores y aditivos; los poliuretanos (PU); y los polímeros silicónicos (SI).

Los polímeros también se clasifican según su composición como: homopolímeros, formados a partir de un solo tipo de monómero y heteropolímeros, por dos o más tipos de monómeros (cuando son dos, se denominan copolímeros), que pueden ser aleatorios, alternados, en bloque o ramificados. Por su estructura, pueden ser: lineales, de monómeros difuncionales, p.e.: PE, kévlar; ramificados o tri-funcionales, p.e.: PS; entrecruzados, cadenas lineales adyacentes unidas con enlaces covalentes, p.e.: caucho; y reticulados, con cadenas ramificadas entrelazadas en las tres direcciones, p.e.: Epoxi (Pedro Rodríguez, 2016).

Teniendo en cuenta la estructura física, los polímeros pueden existir en estado amorfo (atácticos, con constituyentes monoméricos muy diferentes), semicristalino y cristalino (cuyas moléculas son química y geométricamente regulares). Esta propiedad permite las ya

mencionadas ‘temperatura de transición vítrea’ y ‘temperatura de fusión’; por debajo del estado vítreo, los polímeros amorfos tienen rigidez, fragilidad y transparencia, mientras que, por

encima, se comportan como cauchos o elastómeros. Los termoplásticos poseen en estas altas temperaturas un gran volumen libre y específico, que le permite movimiento, luego al disminuir

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16 temperatura, (temperatura de cristalización, Tc y de fusión, Tm), se cristalizan, y a la

temperatura de transición vítrea, Tg, los segmentos de la partícula pueden moverse con libertad

y modificar su conformación (Beltrán & Marcilla, n.d.).

Propiedades de los plásticos. Al ser resultado de la combinación de moléculas de una misma

naturaleza o monómeros en grandes agregados con diferentes disposiciones, tienen un elevado peso molecular, son de gran tamaño (Universidad de Salamanca, n.d.-b), que se caracterizan por sus atributos útiles para el hombre: resistencia mecánica, difícilmente inflamables (inadecuados a temperaturas mayores a 110° C), relación resistencia/densidad alta (rango de densidades entre 0.9 a 2.3g/cm3), son viscoelésticos, (Beltrán & Marcilla, n.d.), poseen excelente capacidad para el aislamiento térmico y eléctrico (baja conductividad por ausencia de electrones libres), dureza, elasticidad, resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes (según grado de cristalinidad), bajo costo (Escuela Colombiana de Ingeniería, 2007). Todas estas, son características que los hacen tener ventajas sobre materiales como vidrio, madera y cartón.

En específico, las propiedades mecánicas de los plásticos dependen de la composición, estructura, y en las condiciones de procesado generales, la velocidad de aplicación de esfuerzos (tiempo) y a la temperatura, por lo que de estos, a partir de ensayos de tracción, flexión,

compresión e impacto, fluencia, y de relajación de esfuerzos, se puede conocer de cada plástico la curva típica de esfuerzo-deformación así como un límite elástico donde ocurre la deformación y esfuerzo límite (irreversible al superarlo); un punto de resistencia a la rotura; un módulo de

Young, que los clasifica en plásticos duros y blandos. Estas propiedades y la difícil degradación

de los plásticos petroquímicos dependen de su elaboración (reacciones de condensación o adición) pues generan partículas de gran tamaño y diferentes disposiciones (Beltrán & Marcilla, n.d.), que los pueden hacer complejos de biodesintegrar y asimilar por los microorganismos.

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4. Problemática ambiental por el plástico en Colombia

Los hábitos de consumo de plástico en Colombia se han establecido de tal forma, que en promedio, se desechan de este material 24kg/persona/año (Gómez, 2018),, cifra que a pesar de ser menor que en países como Brasil, Argentina, Chile, Estados Unidos y que la Unión Europea, es alarmante debido a que la gestión de estos residuos sigue siendo muy precaria en comparación a estos países, los cuales, pueden estar apuntando incluso a disminuir el uso del este material, pero en contraste, la industria del plástico en Colombia aún le apunta al crecimiento: de 2014 a 2016 se ha tenido más de USD$400 millones en importaciones en maquinaria (Valle, 2017), es decir, que aún predomina el interés de inversión en elaboración de plástico en el país.

Según Gómez (2018), directora de Greenpeace Colombia el consumo de plástico en los colombianos refleja un total de 1.250.000 toneladas al año, donde 56% corresponde a plásticos de un solo uso, razón que identifican como la causante de que los ríos Magdalena y Amazonas se encuentran entre los 20 más contaminados por este material en el mundo. Esta ONG asegura que, continuando a este ritmo, cada minuto equivale a un camión (20m3 aprox.) llevando residuos plásticos a los océanos del país. En el medio acuático se dispersan los residuos plásticos fácilmente por procesos físicos, biológicos, a través de la cadena alimentaria y la ruta 'fecal express' desde la superficie hasta el fondo marino; estos, pueden continuar siendo ingresados en el ciclo sedimentario durante siglos pues muchos de estos tienen un potencial de conservación a largo plazo aún (y tal vez más) cuando están enterrados en estratos (Zalasiewicz et al., 2016).

A nivel continental, el río Magdalena transporta una cantidad significativa de residuos plásticos hacia las playas de la costa Caribe de Colombia, debido a la ausencia de plantas de tratamiento en su cauce y eventos climáticos como lluvias torrenciales en esta y 26 cuencas de drenaje menores en cuya escorrentía se trasladan todos los residuos a su desembocadura. Otra

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18 fuente importante de residuos plásticos son los turistas, en donde, según Rangel et al (2017), en la costa Caribe el 27% de todos los desechos de la playa son plásticos, los cuales se convierten en un disturbio para las especies animales y vegetales de estos ecosistemas, además de ser propensos a su traslado por todo el Océano Atlántico.

La ingesta de residuos plásticos (bolsas, envases, embalajes, microplásticos), producto de la “basura de deriva” (desechos llevados de los ríos hacia el mar) ha sido bien documentada a nivel mundial, pero los registros de residuos plásticos en la fauna terrestre son escasos (Takahashi et al. Citado por Cáceres et al., 2015), sin embargo, un estudio muestra contenidos de plástico en las heces del oso de anteojos (Tremarctos ornatus) y en el estómago de cadáveres de coatí andino (Nasuella olivácea) en el PNN Tamá, en Norte de Santander, Colombia; se dedujo estos residuos son arrastrados desde los asentamientos humanos por corrientes de aire o traídos por turistas y cazadores (Cáceres-Martínez, Acevedo-Rincón, & Sánchez-Montaño, 2015).

5. Problemática ambiental del plástico a nivel global

La preocupante situación actual por acumulación de residuos de plásticos convencionales se fundamenta principalmente en los prolongados tiempos de degradación biológica que estos tienen, es decir que, entendiendo como biodegradación la acción de desintegración y asimilación de especies microbianas presentes en el ambiente (suelo, agua y/o aire), sobre las sustancias o productos en condiciones ambientales adecuadas sin producción de subproductos tóxicos (Kalpakjian, Schmid, & Sánchez García, 2002), último que no sucede con los plásticos.

Teniendo en cuenta a la biodegradabilidad como la propiedad de los materiales de

“descomponerse en dióxido de carbono, metano, agua, componentes inorgánicos o biomasa, mediante la acción enzimática de microorganismos, que puede ser medida por tests en un período específico de tiempo, en condiciones normalizadas de depósito” ASTM, citado por

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19 (Catrillón, n.d.), y que esta depende de condiciones como temperatura, humedad, presión parcial de oxígeno, composición de flora microbiana y pH, se encuentra que la desintegración (ruptura de enlaces en su cadena principal) y asimilación por microorganismos de los plásticos en los medios a los que son liberados, como el suelo y cuerpos de agua, es prácticamente nula, puesto que la biodegradabilidad refiere a polímeros que pueden degradarse en tiempos menores a 12 semanas (L. García, Novoa, Franco, & Higuita, 2015) y estos pueden tardar hasta 700 años, así que cualquier plástico que se haya creado aún no se ha degradado.

La fundación The Ocean Cleanup calcula que los ríos transportan cada año entre 1,15

millones y 2,41 millones de toneladas métricas (TM) de residuos plásticos hacia los océanos. De los 40.760 ríos estudiados, apenas 20 transportan 2/3 de la contaminación plástica de los mares; la mayoría de las corrientes más contaminadas están en Asia, iniciando por Yangtsé (China), seguido por el Ganges (India) y la cuenca de los ríos chinos Xi, Dong y Zhujiang. Las corrientes marinas permiten entonces que los plásticos se desplacen alrededor de todo el globo, siendo las zonas árticas y las zonas de convergencia intertropical las áreas de “destino”, por lo que estos ecosistemas son afectados en mayor medida. El problema de control puede deberse a que esta industria mundial, factura aprox. 750.000 millones de dólares al año (Simon & Fuhr, 2017).

Existen ya 5 ‘islas de basura’ o ‘sopas tóxicas’ en el océano compuestas principalmente de plástico; la más antigua se registró en el Pacífico Norte por el oceanógrafo Moore en 1997, y actualmente puede tener de 700 mil a más 1,5 millones de km2 (situada entre 135°O–155°O y 35°N–42°N)(Padial, 2016); las restantes se encuentran una en el Océano Pacífico, dos en el Atlántico y una en el Índico (Greenpeace, 2016). Los impactos que pueden generar estos

residuos en ecosistemas sensibles como los arrecifes coralinos, organismos como el fitoplancton (produce el 50% del O2 en el planeta y es base de la cadena alimenticia marina) y posteriormente

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20 los de orden superior que confunden el plástico y microplástico (con sustancias tóxicas a

menudo) con alimento, puede a la larga afectar a millones de poblaciones de aves y peces, a todos los niveles tróficos subsiguientes, hasta llegar al hombre por bioacumulación.

Aditivos. En el transcurso del tiempo se ha logrado que los plásticos posean propiedades que

se adaptan cada vez más a los usos que la población requiere pues los polímeros de los plásticos tal como se fabrican no son adecuados para uso industrial, por lo que se deben utilizar

compuestos denominados aditivos y modificadores. El primer tipo de estos, es empleado para la fabricación a gran escala de los polímeros, otrogan estabilidad térmica (proceso de fusión); el segundo, mejora sus propiedades, como los agentes humectantes, de mayor durabilidad, flexión, color, olor, brillo superficial, etc; y el tercero, corrige los defectos de las dos anteriores:

plastificantes para PVC flexible, para evitar ataque fúngico, etc. (Coleman, 2011).

Estos compuestos, aunque mejoren las propiedades del plástico representan una problemática ambiental, dado que no permanecen fijos en el producto al no estar químicamente unidos, por lo que se liberan lentamente a la atmósfera, suelo y agua, representando riesgo ecotoxicológico en los organismos tanto terrestres como acuáticos; además, su liberación es acelerada por procesos de tratamiento y aprovechamiento: incineración, reciclaje, etc. (Hahladakis, Velis, Weber, Lacobidou, & Purnell, 2018).

Problemática ambiental por liberación de aditivos. Es una de las presiones más grandes de la

contaminación en los medios por acumulación de plástico, ya que representa un peligro potencial para la salud pública y ecosistémica debido a su toxicidad y su fácil liberación. Cuando los plásticos llegan a los océanos, están bajo condiciones de turbulencia (la de mayor impacto), salinidad y radiación UV que pueden dar lugar a la migración o lixiviación de aditivos, pues está demostrado que plásticos comunes, PE, PS, PET y PVC, liberan bisfenol A, ftalatos, citratos de

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21 fosfato, Irgafos 168 y otros; por esto, la liberación anual mundial de aditivos de plásticos a los océanos oscila entre 35 y 917 ton (la mayoría del PVC) (Suhrhoff & Sholz-Böttcher, 2016).

Aditivos como los Retardantes de llama están clasificados como altamente contaminantes, pues son corrosivos, tóxicos y con limitada biodegradabilidad al ser compuestos orgánicos halogenados; son altamente persistentes, han sido encontrados en el zooplancton, invertebrados y peces y poseen tendencias a acumularse en el ambiente a largo plazo (Remtavares, 2017). Una de las medidas ante esto es la prohibición, sin embargo, los ya liberados al ambiente permanecen incluso en materiales reciclados (Leslie, Leonards, Brandsma, Boer, & Jonkers, 2016). Países como China están dando prioridad a disminuir su uso para para minimizar riesgos ambientales (Yu et al., 2017), pues estos retardantes liberan gases tóxicos al incinerarse (Digangi, 2013).

Otro aditivo común es el Bisfenol A (BPA), usado en la elaboración de plásticos de

policarbonato y de resinas epoxi (Picric Jordi, 2014) es decir, en latas de los alimentos, anteojos, escudos, cascos, visores deportivos, carcasas electrónicas, discos ópticos, automóviles, bicicletas, palos de golf, esquís, entre otros. A favor de las amplias aplicaciones la (American Chemistry Council, 2017) y la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA, en inglés) aseguran que el BPA es seguro en la actualidad y en los niveles que existen en los alimentos; sin embargo, autores como (R. Huang et al., 2017), afirman que el BPA genera un riesgo potencial para la salud, y una gran población que supera el nivel de ingesta diaria tolerable.

Puntualmente, dentro de las afectaciones por BPA, se afirma que la ingesta masculina causa un impacto negativo en la función testiuclar, y ya que existe en el 89% de las muestras de suero materno, se pudo comprobar que influye en la proliferación de células de Sertoli (soporte

estructural, testicular) que se producen durante la vida fetal o postnatal temprana, pues puede ser hormonal estrogénico (Hart et al., 2017), además de que reduce la actividad androgénica basal de

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22 los testículos fetales humanos durante un período crucial para la masculinización (Eladak et al., 2015); además, puede llegar a afectar la actividad locomotora en embriones (comprobado en pez cebra) (Björnsdotter, Jonker, Legradi, Kool, & Ballesteros-Gómez, 2017).

En el caso de los ftalatos, plastificantes comunes del PVC, se ha registrado que puede filtrarse en alimentos, medicamentos, agua, polvo, aire, conviertiéndose en una contaminación

generalizada por ingestión, inhalación e ingreso por la piel, lo que es comprobado al detectarse ubicuamente en muestras de orina de todos los grupos de edad de todo el mundo (Mu et al., 2018). Uno de los ftalatos más comunes es el DEHP, usado como adhesivo, en productos

electrónicos, adyuvantes agrícolas, materiales de construcción, dispositivos médicos, detergentes (Su, Hwang, Sun, & Wang, 2019), empaques de alimentos, juguetes, cosméticos; tiene por tanto un consumo mundial de 6 a 8 ton/año y es considerado como uno de los contaminantes más abundantes del mundo (Chen et al., 2019).

La anterior afirmación se fundamenta en que el ftalato es disruptor endocrino, genera disfunsión en el sistema reproductor, anomalías de la histología y la función hepática, asma, afectan el desarrollo neuronal, la función renal (Chen et al., 2019), se asocia positivamente con las enfermedades coronarias (Su et al., 2019); en la fauna genera actividad hepatocarcinogénica en roedores, disfucnión en el desarrollo embrionario, disminución de la longitud del cuerpo, anomalías del saco vitelino y respuesta inmune, efectos estrogénicos y reducción de los niveles de lípidos (Mu et al., 2018).

6. Alternativas de solución ante las problemáticas del plástico 6.1.Vivir sin plástico.

Existen actualmente movimientos dedicados a promover una cultura con hábitos de consumo desligados al plástico; los promotores de estas iniciativas suelen ser ambientalistas o ecologistas,

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23 que buscan hacer masiva esta propuesta mediante ONG o la difusión de información a través de plataformas en internet, con los aspectos negativos de los plásticos convencionales y a través de sugerencias de consumo; a menudo aconsejan el uso de implementos que ellos mismos fabrican, bajo el slogan de ‘consumo consciente’. Esta propuesta dista de la reconversión tecnológica a materiales creados a partir de biopolímeros, o la innovación y puede presentar dificultades por acceso de la población a estos insumos o pueden ser insuficientes ante el plástico convencional. No existen estudios que comprueben la posibilidad real de esta medida a escalas globales.

¿Es posible vivir sin plástico? (PlasticsEurope, 2015) reporta que en Europa, el plástico se

emplea en botellas, juguetes, botas, marcos de ventanas, empaques de alimentos, cableado eléctrico, carátulas de libros y cuadernos, parachoques, macetas, marcos de gafas, envase de lácteos, cepillos dentales, esponjas para loza y baño, partes de refrigeradores, paneles solares, juguetes, ollas de teflón, etc., esta compañía expone los porcentajes de uso del total del plástico a su vez, donde el PET, 6.9%; PEHD, 12.1%; PVC, 10.4%; PELD, 17.5%; PP, 18.9%; PS7.7%; PUR, 7.4% y otros el 19.7%. Con esto, además de los usos presentados en esta sección en

‘Clasificación de los plásticos’, se puede observar la alta gama de usos ya establecidos que hacen muy compleja el abandono completo de este material, diferente a la posibilidad de disminuir la utilización de los plásticos de un solo uso.

6.2. Prohibir el plástico –gestión de residuos, innovación y consumo responsable.

La prohibición del uso del plástico ha sido una alternativa que, aunque muy sugerida hoy día, muchos afirman que no es la solución. Basadas en (PlasticsEurope, 2015), diversas compañías, afirma que “la basura marina es el resultado de una combinación de factores”, entre ellos la falta de implementación de una legislación sobre residuos a nivel nacional/regional, de una gestión adecuada en algunas partes del mundo y un comportamiento inapropiado de quien abandona los

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24 residuos en el medio ambiente, por lo que se sugiere la ‘infraestructura de gestión de residuos, innovación y consumo responsable’ como medida que incluye: la noción de que los gobiernos deberían integrar la problemática de la basura marina en las estrategias nacionales de gestión de residuos, usando los plásticos como recursos evitando los vertederos; apoyar la innovación y el diseño responsable; realizar campañas de divulgación sobre el consumo responsable.

A nivel más local, en Colombia desde el 1ro de Julio de 2017 se cobra un impuesto por el uso de bolsa plástica, el cual está reglamentado por el Título 6 del Decreto 2198 de 2017, del

Ministerio de Hacienda y Crédito Público, que incluyó un impuesto de COP$20, por bolsa en el 2017, $30 en el 2018, y $40 para el 2019; en el período de julio de 2017 a enero de 2018 se recaudaron $10.404 millones y se redujo un 30% su consumo (Morales, 2018). Sin embargo, según Duarte, presidente de la Cámara de Plástico en Colombia, la medida no es tan significativa pues el 40% de los residuos llevados al relleno sanitario de Bogotá, Doña Juana, son plásticos, pero las bolsas plásticas son solo el 1% de este total (Mora & Triana, 2018). Otros países, como Francia y Canadá, afirmaron durante el 2018 y 2019 que prohibirían los plásticos de un solo uso para el año 2021, para contribuir a las soluciones globales (Westcott, 2019).

6.3.Reutilización, reciclaje y valorización.

El reciclaje ha sido una herramienta importante para darle utilidad a los desechos plásticos, pues la reincorporación de estos en nuevos procesos productivos permite evitar un paradero indeseado para residuos de este tipo. Para ejemplificar, Japón, a pesar de ser el mayor

consumidor de plásticos en el mundo recicla el 77% de este material y la Unión Europea, otro gran generador, el 26% (Grün, 2016), lo que es bajo considerando que en estudios que clasifican el plástico como omnipresente, se contaron 5.25 trillones de partículas que pesan 268,940

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