Se estima que cada año se añaden intencionadamente 50.000 toneladas de microplásticos a productos agrícolas, pinturas y cosméticos solo en la UE.
Pero ahora los investigadores han desarrollado un sistema biodegradable a base de proteínas de seda que ofrece un sustituto económico y fácil de fabricar.
El nuevo sistema supone un avance significativo en la administración de ingredientes activos para diversos sectores, en particular la agricultura.
Los microplásticos, diminutas partículas de plástico que hoy se encuentran por todo el mundo en el aire, el agua y el suelo, se reconocen cada vez más como una grave amenaza de contaminación y se han detectado en el torrente sanguíneo de animales y personas de todo el mundo.
Algunos de estos microplásticos se añaden intencionadamente a diversos productos, como productos químicos agrícolas, pinturas, cosméticos y detergentes, lo que suma un estimado de 50.000 toneladas al año solo en la Unión Europea, según la Agencia Europea de Sustancias y Mezclas Químicas. La UE ya ha declarado que estos microplásticos añadidos y no biodegradables deben eliminarse para 2025, por lo que se buscan sustitutos adecuados, que actualmente no existen.
Ahora, un equipo de científicos del MIT y de otras instituciones ha desarrollado un sistema a base de seda que podría ofrecer un sustituto económico y fácil de fabricar. El nuevo proceso está descrito en un artículo publicado en la revista Small, escrito por Muchun Liu, investigadora posdoctoral del MIT; Benedetto Marelli, profesor de ingeniería civil y ambiental del MIT; y otras cinco personas de la empresa química BASF, en Alemania y Estados Unidos.
Los microplásticos ampliamente utilizados en productos industriales suelen proteger uno o varios ingredientes activos específicos para evitar que se degraden por la exposición al aire o la humedad hasta el momento en que se necesitan. Permiten la liberación lenta del ingrediente activo durante un periodo determinado y minimizan los efectos adversos en el entorno. Por ejemplo, las vitaminas suelen administrarse en forma de microcápsulas dentro de una píldora o cápsula, y los pesticidas y herbicidas se encapsulan de manera similar. Sin embargo, los materiales que se utilizan hoy para esta microencapsulación son plásticos que persisten mucho tiempo en el medio ambiente. Hasta ahora no había un sustituto práctico y económico que se biodegradara de forma natural.
Gran parte de la carga de microplásticos en el medio ambiente procede de otras fuentes, como la degradación con el tiempo de objetos de plástico más grandes, por ejemplo botellas y envases, y el desgaste de los neumáticos de los automóviles. Cada una de estas fuentes podría requerir sus propias soluciones para reducir su propagación, señala Marelli. La Agencia Europea de Sustancias y Mezclas Químicas ha estimado que los microplásticos añadidos intencionadamente representan aproximadamente entre el 10 y el 15 por ciento del total presente en el medio ambiente, pero esta fuente podría ser relativamente fácil de abordar con este sustituto biodegradable de origen natural, afirma.
«No podemos resolver todo el problema de los microplásticos con una única solución que sirva para todos», afirma. «El diez por ciento de una cifra grande sigue siendo una cifra grande. … Resolveremos el cambio climático y la contaminación del mundo de uno en uno por ciento».
A diferencia de los hilos de seda de alta calidad que se utilizan para tejidos finos, la proteína de seda empleada en el nuevo material alternativo está ampliamente disponible y es menos costosa, afirma Liu. Para obtener los finos hilos necesarios para los tejidos, hay que desenrollar los capullos de gusano de seda con mucho cuidado; para este uso, en cambio, pueden utilizarse capullos que no tienen calidad textil, y las fibras de seda pueden disolverse mediante un proceso escalable a base de agua. El procesamiento es tan sencillo y ajustable que el material resultante puede adaptarse a los equipos de fabricación existentes, lo que podría ofrecer una solución sencilla de «incorporación directa» en fábricas ya operativas.
La seda, una alternativa biodegradable a los microplásticos
La seda está reconocida como segura para usos alimentarios o médicos, ya que no es tóxica y se degrada de forma natural en el organismo. En pruebas de laboratorio, los investigadores demostraron que el material de recubrimiento a base de seda podía utilizarse en equipos de fabricación existentes y estándar que funcionan mediante pulverización para producir un herbicida microencapsulado soluble en agua, también estándar, que luego se probó en un invernadero con un cultivo de maíz. La prueba demostró que funcionaba incluso mejor que un producto comercial existente y causaba menos daños a las plantas, afirma Liu.
Aunque otros grupos han propuesto materiales de encapsulación degradables que podrían funcionar a pequeña escala en laboratorio, señala Marelli, «es muy necesario lograr la encapsulación de ingredientes activos con alto contenido para abrir las puertas al uso comercial. La única manera de generar un impacto es sustituir un polímero sintético por uno biodegradable y, además, lograr un rendimiento igual o incluso mejor».
Liu explica que el secreto para hacer que el material sea compatible con los equipos existentes reside en la capacidad de ajustar el material de seda. Al modificar con precisión la disposición de las cadenas poliméricas de los materiales de seda y añadir un tensioactivo, es posible ajustar con precisión las propiedades de los recubrimientos resultantes cuando se secan y endurecen. El material puede ser hidrófobo (repeler el agua) aunque se fabrique y procese en una solución acuosa, o puede ser hidrófilo (atraer el agua), o tener propiedades intermedias; además, para cada aplicación, puede adaptarse para que coincida con las características del material al que sustituye.
Para llegar a una solución práctica, Liu tuvo que desarrollar un método para congelar las gotas de materiales encapsulados mientras se formaban, a fin de estudiar en detalle el proceso de formación. Lo hizo con un sistema especial de congelación por pulverización y pudo observar exactamente cómo funciona la encapsulación para controlarla mejor. Algunos de los materiales encapsulados que forman el «contenido», ya sean pesticidas, nutrientes o enzimas, son solubles en agua y otros no; además, interactúan de distintas maneras con el material de recubrimiento.
«Para encapsular distintos materiales, tenemos que estudiar cómo interactúan las cadenas poliméricas y si son compatibles con distintos materiales activos en suspensión», afirma. El material que constituye el contenido y el material de recubrimiento se mezclan en una solución y luego se pulverizan. Al formarse las gotas, el contenido tiende a quedar incrustado en una cubierta del material de recubrimiento, ya sea el plástico sintético original o el nuevo material de seda.
El nuevo método puede utilizar seda de baja calidad, inservible para fabricar tejidos y de la que actualmente se desechan grandes cantidades porque no tiene usos significativos, afirma Liu. También permite usar tejidos de seda usados y desechados, evitando que ese material termine en los vertederos.
Actualmente, el 90 por ciento de la producción mundial de seda tiene lugar en China, señala Marelli, en gran medida porque el país ha perfeccionado la producción de los hilos de seda de alta calidad que se necesitan para los tejidos. Sin embargo, como este proceso utiliza seda a granel y no requiere ese nivel de calidad, la producción podría ampliarse fácilmente en otras partes del mundo para satisfacer la demanda local si el proceso se generaliza, afirma.
«Este estudio elegante e ingenioso describe un sustituto sostenible y biodegradable a base de seda para los encapsulantes de microplásticos, que plantean un apremiante desafío medioambiental», afirma Alon Gorodetsky, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de California en Irvine, quien no participó en esta investigación. «La modularidad de los materiales descritos y la escalabilidad de los procesos de fabricación son ventajas clave que auguran una buena transición a aplicaciones en el mundo real».
Este proceso «representa un avance potencialmente muy significativo en la administración de ingredientes activos para diversos sectores, en particular la agricultura», afirma Jason White, director de la Estación Experimental Agrícola de Connecticut, quien tampoco participó en este trabajo. «Ante los desafíos actuales y futuros relacionados con la inseguridad alimentaria, la producción agrícola y un clima cambiante, hacen mucha falta estrategias novedosas como esta».
