Biodegrabilidad ambiental en materiales plásticos: concepto, medición, uso y consecuencias

Biodegrabilidad ambiental en materiales plásticos: concepto, medición, uso y consecuencias

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¿Qué es biodegradabilidad [1-3]?
La biodegradabilidad es una opción de fin de vida que permite aprovechar el poder de microorganismos presentes en el entorno de disposición seleccionado para eliminar por completo del ambiente los productos de plástico diseñados para la biodegradabilidad, a través de la cadena alimenticia microbiana de manera oportuna, segura y eficaz.

Debido a que es una opción de fin de vida e involucra los microorganismos presentes en el entorno de disposición  seleccionado, se debe identificar claramente la "forma de disposición" cuando se habla o reporta la biodegradabilidad de un producto - por ejemplo, la biodegradabilidad en ambiente de compostaje (plástico compostable), biodegradabilidad en el ambiente del suelo, biodegradabilidad en condiciones anaerobias (en el entorno de digestores anaerobios o incluso un entorno de relleno sanitario), o de biodegradabilidad en el medio marino.

Reportar el tiempo para completar la biodegradación, o más específicamente el tiempo necesario para la asimilación microbiana completa del plástico en el entorno de disposición seleccionado, es un requisito esencial – de tal forma que afirmar que eventualmente se degradará  sobre la base de datos que muestran una biodegradabilidad inicial del 10-20% no es aceptable y sobre todo es engañoso, especialmente porque el porcentaje de biodegradación se nivela y alcanza una meseta después de una velocidad y un nivel de biodegradación iniciales - dibujar una línea punteada de extrapolación de la tasa de degradación inicial y valorar la biodegradación en 100% es científicamente insostenible, incluso en la química de la escuela secundaria.

Medición de la biodegradabilidad - la base científica
Los microorganismos utilizan sustratos de carbono para obtener energía química para sus procesos vitales. Los sustratos de carbono se convierten en "alimentos" que los microorganismos usan para sostenerse. Para que esto ocurra, el sustrato de carbono debe ser transportado dentro de la célula.

El peso molecular es un criterio importante pero no el único para el transporte a través de la membrana celular. Factores como el balance hidrofóbico-hidrofílico, características moleculares y estructurales también se regulan el transporte a través de la membrana celular. En condiciones aeróbicas, el carbono se oxida biológicamente a CO2 dentro de la célula, liberando energía que  se utiliza por los microorganismos para sus procesos vitales. Bajo condiciones anaeróbicas, se produce CO2 + CH4. Por lo tanto, una medida de la velocidad y la cantidad de CO2 o CO2 + CH4 producidos en función de la entrada total de carbono en el proceso es una medida directa de la cantidad de sustrato de carbono que está siendo utilizado por los microorganismos (porcentaje de biodegradación).

Esto es fundamental, biología básica y bioquímica que se enseña en clases de primer año y se puede encontrar en cualquier libro de texto de bioquímica. Esta es la base de diversos estándares nacionales (ASTM, EN, OCDE) e internacionales (ISO) para medir la biodegradabilidad o la utilización microbiana de los productos químicos y plásticos biodegradables.

Parece obvio y lógico de la lección de biología básica sobre que para hacer una afirmación de biodegradabilidad, todo lo que hay que hacer es lo siguiente: exponer el sustrato plástico de ensayo de como única fuente de carbono para los microorganismos presentes en el ambiente objetivo de disposición (como el compostaje, o en el suelo o la digestión anaeróbica o ambiente marino), y medir el CO2 (aeróbico) o CO2 + CH4 (anaeróbico) que se produce. Una medida de la producción de gas proporciona una medida directa del sustrato de carbono plástico que está siendo utilizado por los microorganismos presentes en el ambiente objetivo de disposición (% de biodegradación). Los métodos ASTM e ISO enseñan la forma de medir el porcentaje de biodegradabilidad en ambientes diferentes basados, nuevamente, en la bioquímica fundamental descrita anteriormente.

La extrapolación lineal o de cualquier otra forma para estos complejos sistemas biológicos no es aceptable y es engañosa porque no existe actualmente un sustento científico para un modelo de extrapolación – de hecho los datos de biodegradabilidad actuales para  formulaciones poliolefina + aditivos (oxo u otros aditivos) muestran el porcentaje biodegradación nivelándose y llegando a una meseta después de un cierto nivel inicial de biodegradación.

El mal uso de biodegradabilidad en el contexto del medio ambiente
Algunos estudios utilizan el término "biodegradable", para indicar que las muestras de PE se sometieron a un medio ambiente biótico (suelo, compost) como parte de su procedimiento experimental.

Se mide la pérdida de peso, reducción de peso molecular, el índice de carbonilo, la pérdida de propiedades mecánicas (las películas se hacen frágiles). Los fabricantes de aditivos referencian estos estudios y extrapolan para decir que su producto es "completamente (100%) biodegradable " en el ambiente, basados en pérdida de peso y características físicas, químicas o la pérdida de propiedades mecánicas. Sin embargo, no aparecen los datos  de biología / bioquímica fundamental mostrando la utilización de carbono por los microorganismos, medida por el CO2 generado (aeróbico) o CO2 + CH4 (anaeróbico).

Un artículo de revisión de Chem. Communication journal (una revista establecida, muy respetada) [4] reportó aumento de las tasas de biodegradación de poliolefinas, mediante el anclaje de pequeñas cantidades de glucosa, sacarosa o lactosa, en poliestireno funcionalizado. Una simple pérdida de 2-12% en peso y la formación de grupos carbonilo fue evidencia de biodegradación.

En otro artículo de revisión de una revista científica, polietileno y polipropileno fueron puestos en un ambiente de compostaje después de la extracción con solvente para quitar los antioxidantes presentes, y se informó de que el PP perdió el 60% de la masa después de seis meses, mientras el polietileno de baja densidad perdido sólo un 10%. Es bien sabido que el PP no estabilizado se degrada en el medio ambiente. Esto se resume en el capítulo del libro de la siguiente manera: el PP se biodegrada con mucha mayor rapidez que el LDPE por la pérdida de peso en compostaje, y los copolímeros de etileno-propileno se  biodegradan a velocidades intermedias entre el polipropileno y polietileno. Esto implica que el 60% del carbono del PP ha sido utilizado por los microorganismos presentes en el compost, medido por emisión de CO2. Sin embargo, tal información no estaba disponible en el texto de referencia [5].

Hay muchos más ejemplos donde la pérdida de propiedades físicas, químicas y propiedades mecánicas se utilizan para afirmar "biodegradabilidad". En algunos artículos, la colonización microbiana o formación de biopelículas se utiliza para reclamar biodegradabilidad. La pérdida de peso molecular, la reducción de peso, índice de carbonilo, la pérdida de propiedades mecánicas, la formación de biopelículas, la colonización microbiana no confirman la utilización microbiana del sustrato de carbono polimérico, ni proporciona la cantidad de carbono utilizado o el tiempo para completar la utilización de microorganismos.

Más recientemente, un artículo de 2009 [6] informó de la degradación abiótica de los polietilenos oxobiodegradables en un entorno de humedad natural y saturada, durante un año, y luego sometidos los fragmentos obtenidos del proceso abiótico a la biodegradación en una mezcla de suelo: compost: perlita (1:1:2) a 58°C durante tres meses.

El porcentaje de biodegradabilidad medido por CO2 producido fue 3,61% (humedad natural abiótico) y 5.70% (humedad saturada abióticos). El porcentaje de biodegradabilidad de las muestras en compost a 58°C a la intemperie durante un año, en empaques de PP, fue del 12,4% y a 25°C fue del 5,4% después de tres meses. Teniendo en cuenta este tipo de biodegradabilidad casi insignificante después de un año a la intemperie y la subsiguiente exposición a un ambiente de compost agresivo, biológicamente activo durante 3 meses, es sorprendente observar que las empresas afirman que los productos oxo se va a biodegradar completamente en el medio ambiente. El estudio muestra que una cantidad considerable de los plásticos degradados, algunos de los cuales podrían ser microscópicos, se liberan al medio ambiente.

Consecuencias Ambientales y de Salud
Hacer inestables y degradables poliolefinas plásticas  hidrofóbicas como el PE, y la liberarlas en el medio ambiente sin asegurarse de que los fragmentos degradados son completamente asimilados por las poblaciones microbianas en un corto período de tiempo, tiene el potencial de dañar el medio ambiente y crear riesgos para la salud. Los fragmentos, algunos de los cuales podrían ser microscópicos, pueden transportarse a través del ecosistema y, potencialmente tener graves consecuencias ambientales y de salud. De hecho, las rigurosas "leyes REACH" de la Unión Europea sobre la emisión de la mayoría de los productos químicos (moléculas pequeñas) que se están convirtiendo en la norma en Europa y en otros países entre ellos Canadá, requieren que el producto químico sea completamente asimilado por los microorganismos en el ecosistema si se liberan al medio ambiente.

En un artículo de Science reciente, Thompson et ál [7] reportaron que los desechos de plástico alrededor del mundo pueden erosionar (degradar) y terminar como gránulos microscópicos o fragmentos similares a fibras, y que estos fragmentos se han ido acumulando en los océanos. Sus experimentos muestran que los animales marinos consumen microscópicos fragmentos de plástico, como se ve en el tracto digestivo de un anfípodo.

La Fundación de Investigación Marina Algalita [8] reporta que los residuos plásticos degradados pueden atraer y retener los elementos hidrofóbicos como los bifenilos policlorados (PCB) y diclorodifeniltricloroetano (DDT) hasta 1 millón de veces los niveles de referencia. Los PCBs y DDTs están a niveles de referencia en el suelo, y se encuentran tan diluidos, que no representen riesgo significativo. Sin embargo, los residuos degradables de plástico con altas áreas superficiales concentran estos productos químicos, lo que resulta en un legado tóxico en una forma que puede presentar riesgos en el medio ambiente.

Investigadores japoneses (9) también han informado de que los PCBs, DDT y nonilfenoles (NP) pueden ser detectados en altas concentraciones en los gránulos de resina degradada de PP recogidos en cuatro costas japonesas. Este trabajo indica que los residuos plásticos pueden actuar como un medio de transporte para los productos químicos tóxicos en el medio marino.

Más recientemente, las cuestiones relacionadas con la liberación de plásticos microscópicos en el medio ambiente y que causan problemas ambientales y de salud fue el tema de una edición reciente de la Philosophical Transactions (de la Real Sociedad) B titulado "Los plásticos, el medio ambiente y salud humana" [10]

El cuerpo de investigación mencionado muestra claramente que las tecnologías oxo o basadas en aditivos, que hacen a los plásticos biodegradables o parcialmente biodegradables, permiten que residuos plásticos queden en el ambiente, en donde pueden representar riesgos significantes para el entorno o la salud.

Resumen de recomendaciones

  1. La incorporación de biodegradabilidad en plásticos en conjunto con un sistema de disposición específica como digestión anaeróbica o compostaje (plásticos compostables) ofrece una propuesta de valor de final de vida responsable con el medio ambiente.
  2. La asimilación microbiana / utilización del sustrato carbono, medido por la producción de CO2 (aeróbico) y CO2 + CH4 (anaeróbica) es una medida de biodegradabilidad.
  3. Sea lineal o con cualquier otra forma de exploración de datos para estos complejos sistemas biológicos, no es aceptable y en cambio muy engañoso.
  4. La pérdida de peso y otras reducciones de las propiedades físicas, químicas y mecánicas no constituyen una medida del porcentaje de biodegradación, aunque pueden ayudar en el proceso.
  5. La degradación o biodegradación parcial no es una opción, ya que puede tener consecuencias potenciales sobre el medio ambiente y la salud humana.
  6. La biodegradación completa (asimilación microbiana) del sustrato de plástico en el medio escogido para disposición (como compostaje), medida por la evolución del CO2 o CO2+CH4 en un corto período de tiempo (un año o menos) es un requisito necesario.

Nota complementaria: Regulaciones alrededor del mundo por falsas afirmaciones

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