Biodegradación de plásticos por larvas de la harina (Coleoptera: Tenebrionidae)

Se les conoce con el nombre común de gusanos de la harina a las larvas de las especies de escarabajos de la familia Tenebrionidae. De esta, cuatro especies destacan por su capacidad para consumir polímeros plásticos: las del escarabajo amarillo (Tenebrio molitor L.), del escarabajo negro (Tenebrio obscurus F.), del escarabajo castaño (Tribolium castaneum H.) y las del escarabajo gigante (Zophobas atratus F.), (Tablas I y II). El desarrollo de estos organismos se da en cuatro etapas o estadios: huevo, larva, pupa y adulto. Las larvas del género Tenebrio típicamente miden entre 2.5 y 3.5 cm de longitud (Bryning, Chambers & Wakefield, 2005), mientras que la longitud de las del género Zophobas oscilan entre los 4 y 6 cm (Leung et al., 2012); las más pequeñas son las del género Tribolium con apenas 6 mm. Estas especies son originarias de Europa y actualmente se encuentran distribuidas a escala global.

Yang et al. (2015 a) mostraron las primeras evidencias sobre la degradación de espumas plásticas por larvas de insectos cuando reportaron que las de T. molitor fueron capaces de digerir poliestireno expandido (EPS), logrando una degradación eficiente del material dentro de su tracto intestinal en un tiempo de retención menor a 24 h. Durante esta investigación no se detectaron diferencias significativas entre la tasa de supervivencia de las larvas alimentadas con una dieta convencional y aquellas alimentadas exclusivamente con EPS y basándose en el uso de sustratos marcados con α¹³C y β¹³C, los autores detectaron que el 47.7% del carbono del EPS ingerido fue mineralizado y convertido en CO₂, mientras que el 49.2% fue excretado como humus y alrededor del 1% se incorporó como biomasa.

Derivado de estos estudios, también fue analizado el papel de la microbiota intestinal en la degradación del EPS (Yang et al., 2015 b), lográndose el aislamiento y la identificación de una cepa bacteriana (Exiguobacterium sp. YT2) que fue capaz de formar una biopelícula sobre la superficie del EPS en un periodo de 28 días y generar agrietamientos visibles (0.2 - 0.3 mm de diámetro) en el material plástico, disminuyendo su peso molecular y aumentando su solubilidad (Tabla III).

Un estudio realizado por otro grupo de investigación (Yang et al., 2018 a) evaluó la influencia de la temperatura, la composición de la dieta y la densidad del plástico en la eficiencia de degradación del PS en larvas comerciales de T. molitor provenientes de Estados Unidos. Los resultados de esta investigación concluyeron que cuando las larvas fueron cultivadas con una dieta mixta de trigo/PS, la eficiencia de degradación aumentó hasta en un 72% con respecto a las larvas alimentadas exclusivamente con PS. La temperatura tuvo una influencia significativa en el proceso de degradación, encontrándose un valor óptimo de 25 °C. Además, los mismos autores observaron que las larvas tuvieron una mayor eficiencia de degradación del PS de baja densidad en comparación con el de alta densidad. Se ha confirmado que T. molitor tiene la capacidad para degradar PS, como una característica intrínseca y conservada en la mayoría de las variedades de esta especie (Yang et al., 2018 b).

Nukmal, Umar, Amanda & Kanedi, (2018) compararon las tasas de supervivencia, las ganancias de masa en sus distintos estadios, los periodos de pupación y la ovoposición de T. molitor cultivados con dietas convencionales (almidón de yuca) y dietas a base de EPS y poliestireno extruido (XPS). Los resultados mostraron que, en comparación con la dieta convencional, las dietas exclusivas de EPS y XPS no aumentaron significativamente la tasa de mortalidad de las larvas. Ambos tipos de PS promovieron periodos de pupación significativamente mayores y disminuyeron la ovoposición de los imagos al reducirse el número de huevecillos en los cultivos. Sólo aquellos insectos cultivados con XPS desarrollaron menor masa en las larvas, pupas e imagos.

Brandon et al. (2018) estudiaron la biodegradación de una mezcla de LDPE (polietileno de baja densidad) y EPS por larvas de T. molitor. Los resultados obtenidos muestran que las larvas fueron capaces de mineralizar LDPE a tasas similares a las reportadas durante la degradación de EPS. De manera interesante, los estudios de cromatografía de permeación en gel (GPC) indicaron que el peso molecular del LDPE excretado disminuyó en 40.1 ± 8.5% mientras que el peso molecular del EPS disminuyó 12.8 ± 3.1%, además, los análisis de resonancia magnética nuclear (NMR) y espectroscopía infrarroja (FTIR) revelaron modificaciones químicas atribuibles a una oxidación parcial del polímero. La disminución en el peso molecular y la oxidación de las cadenas hidrocarbonadas de un compuesto suelen estar directamente relacionadas con un aumento en la biodegradabilidad del mismo. Aunado a lo anterior, los autores analizaron el microbioma intestinal de las larvas mediante secuenciación genética de segunda generación durante la biodegradación de ambos polímeros, encontrando que las unidades taxonómicas operables Citrobacter sp. y Kosakonia sp. estuvieron asociadas con el consumo de LDPE y EPS respectivamente.

En el trabajo realizado por Peng et al. (2019) se estudió la capacidad de las larvas de los escarabajos T. obscurus y T. molitor para degradar EPS. Los resultados mostraron que las larvas de T. obscurus exhibieron una eficiencia de degradación del 40% mayor que la de T. molitor. Los análisis de FTIR y termogravimetría (TGA) del material excretado por las larvas de ambas especies indicaron una disminución significativa del peso molecular del polímero, así como la formación de grupos funcionales hidrofílicos, lo que generaría una mayor solubilidad de la sustancia y, comúnmente, una disminución en su toxicidad y recalcitrancia. Por último, los autores reportaron que la tasa de degradación de EPS tuvo un incremento importante en ambas especies cuando su dieta fue enriquecida con harina de maíz y salvado de trigo, esto parece indicar que, a pesar de contar con un sustrato capaz de abastecer sus demandas energéticas, la voracidad de los organismos por el polímero plástico no decrece e incluso podría promoverse.

Otra investigación reciente ha explorado la capacidad de T. molitor para degradar otros polímeros plásticos recalcitrantes como caucho vulcanizado y viruta de neumáticos (Aboelkheir, Visconte, Oliveira, Toledo-Filho & Souza, 2019). Los resultados de esta investigación muestran que el contacto con las larvas después de 30 días generó modificaciones químicas y estructurales en ambos materiales; sin embargo, los niveles de degradación, evaluados por la pérdida de masa de los materiales, fueron bajos (3.15% para el caucho vulcanizado, 1.7% para la viruta de neumático).

El potencial tratamiento de microplásticos de policloruro de vinilo (PVC), PE y PS por larvas de T. molitor también ha sido investigado (Wu, Tao & Wong, 2019), durante este estudio, se observó que 3 grupos de larvas provenientes de 3 provincias diferentes en China lograron ingerir los tres tipos de microplásticos; sin embargo, las dietas no suministraron energía suficiente para el crecimiento de los organismos. De los tres microplásticos analizados, el PVC se metabolizó en menor medida.

Otro reporte reciente (Xia, Wang, Huo & Yang, 2020) mencionó la identificación de una nueva especie bacteriana, Mixta tenebrionis aislada del tracto intestinal de larvas de T. molitor que mostraron capacidad para degradar PS; sin embargo, no se especificó si este microorganismo es capaz de degradar el polímero plástico. En otro estudio se aisló una bacteria: Acinetobacter sp. AnTc-1 del tracto intestinal de larvas de T. castaneum capaces de masticar y digerir XPS (Wang, Xin, Shi & Zhang, 2020). Los experimentos de NMR, TGA, GPC y microscopía electrónica (SEM y TEM) confirmaron la presencia de modificaciones estructurales, la formación de grupos funcionales y la disminución en el peso molecular del PS después de un periodo de 20 días de incubación de la cepa AnTc-1. Lo anterior sugiere que este microorganismo tiene la capacidad para degradar PS y posiblemente juega un papel importante en el metabolismo intestinal de T. castaneum.

Algunos autores han analizado los cambios en el microbioma y el perfil enzimático intestinal de T. molitor durante su desarrollo con una dieta basada en espuma de PE y otros plásticos (Przemieniecki, Kosewska, Ciesielski & Kosewska, 2020). Sus resultados han sugerido que las enzimas esterasa y aril-amidasa podrían estar estrechamente relacionadas con la degradación de la espuma del PE, aunque la ruta exacta de la biotransformación de este polímero es aún incierta.

Recientemente se ha observado que la capacidad para degradar polímeros plásticos por escarabajos va más allá del género Tenebrio. Los adultos del escarabajo Tribolium castaneum han mostrado la capacidad para producir daños estructurales en recipientes de PE (Hassan, Qasim, Iqbal & Jamil, 2014; Hassan et al., 2016) y en bloques de EPS, donde se pudo observar una pérdida significativa en la masa del material (21.07%) durante un periodo de incubación de 20 días (Fabreag & Familara, 2019). Sin embargo, el grado de despolimerización y las modificaciones estructurales (de haberlas) en las espumas plásticas no fueron confirmados mediante análisis instrumentales.

Por otro lado, en estudios realizados por Yang, Wang & Xia (2020) con larvas del escarabajo rey Zophobas atratus [= Z. morio] se observó que este insecto también posee una capacidad importante para metabolizar EPS en su tracto digestivo. Los autores reportaron una tasa específica de degradación de EPS hasta 4 veces mayor a las reportadas anteriormente en T. molitor. Además, los análisis respirométricos exhibieron una mineralización del 37.6% del EPS después de 16 días de tratamiento, tiempo durante el cual las larvas pudieron subsistir con una dieta exclusiva de material plástico. El análisis del humus generado durante el tratamiento sugiere que existe una despolimerización parcial de las cadenas largas del EPS dentro del tracto intestinal de las larvas con la consecuente formación de productos de bajo peso molecular, confirmándose la biotransformación de este material. Estos resultados aumentan la probabilidad de que la capacidad para biodegradar polímeros plásticos se extienda a otros miembros de la familia Tenebrionidae (una de las más grandes del orden Coleoptera: 20,000 especies; Cifuentes-Ruiz & Zaragoza-Caballero, 2014).

Otro grupo de investigación ha reportado que la cepa bacteriana Pseudomonas sp., aislada del tracto intestinal de Z. atratus ha exhibido capacidad para degradar PS. Mediante análisis de expresión génica por PCR cuantitativa reversa (RT- qPCR), se observó que algunas enzimas del tipo hidrolasas (serina-hidrolasa y s-formilglutatión hidrolasa) aumentaron considerablemente su expresión, mientras que otras hidrolasas y esterasas (alfa-beta hidrolasa, arilesterasa, tioesterasa) disminuyeron de manera importante su expresión (Kim et al., 2020). Estos resultados parecen indicar que una disminución de la actividad de ciertas enzimas, combinado con el incremento de otras es necesario para lograr una degradación eficiente del PS; sin embargo, aún se requiere de mayor investigación para comprender con más profundidad los mecanismos bioquímicos de la degradación de este polímero plástico.

Biodegradación de plásticos por larvas de la cera

Los gusanos de la cera son las larvas de los insectos comúnmente conocidos como polillas de la cera. Entre estos organismos, tres especies han sido estudiadas por su capacidad para degradar plásticos: Achroia grisella F., Galleria mellonella L. y Plodia interpunctella H. (familia Pyralidae) (Tabla IV). Las larvas de la cera son plagas importantes y agresivas de las colmenas de abejas, éstas viven como parásitos y se alimentan de la cera, de ahí su nombre. Las larvas de la cera, al igual que las de la harina, descritas en la sección anterior, se usan extensivamente como alimento para mascotas, como reptiles, anfibios, aves y también como carnadas para la pesca. A. grisella (polilla menor) y G. mellonella (polilla mayor), son dos especies cercanas que se producen comercialmente; por el contrario, P. interpunctella, llamada comúnmente polilla de la India, no es producida a gran escala.

Uno de los primeros reportes sobre biodegradación de plásticos por este tipo de organismos fue el de Yang, Yang, Wu, Zhao & Jiang (2014), ellos encontraron que las larvas de la cera de la India (P. interpunctella) eran capaces de masticar y comer películas de PE. A partir de los intestinos de la palomilla P. interpuctella, se han aislado dos líneas de bacterias, Enterobacter asburiae y Bacillus sp., ambas han mostrado la capacidad de descomponer PE en condiciones de laboratorio. En una prueba durante 28 días de incubación con estas bacterias, se observó disminución en la hidrofobicidad del plástico. Además, por medio de SEM y microscopía de fuerza atómica se observaron huecos y cavidades de 0.30.4 μm de profundidad en el material.

Posteriormente, Bombelli et al. (2017) documentaron que cien larvas de G. mellonella consumieron casi 0.1 g de bolsas plásticas (LDPE) en 12 horas. La cera de las abejas está constituida por lípidos compuestos, incluyendo alquenos, alcanos, ésteres y ácidos grasos. El hidrocarburo más frecuentemente presente en la cera de abeja es el etileno (CH₂ - CH₂), por esta razón, los autores hipotetizaron que las larvas de estos insectos son capaces de alimentarse del PE. Este trabajo sirvió como base para el desarrollo de una nueva área de investigación enfocada en la biodegradación de plásticos por larvas de la cera.

En el año 2019, se publicó evidencia de la degradación del polietileno de alta densidad (HDPE) por la polilla menor de la cera A. grisella (Kundungal et al., 2019 a). Los resultados obtenidos mostraron que, en un periodo de ocho días, el consumo de HDPE aumentó, llegando a un nivel de ingesta de 1.83 mg día^-1 larva^-1. Una dieta combinada (cera de abeja y PE) aumentó el consumo de HDPE y fue necesaria para que el insecto culminara su ciclo de vida y tuviera una segunda generación de larvas degradadoras de plástico. A su vez, el mismo equipo de colaboradores evaluó el efecto del pretratamiento con radiación solar sobre LDPE que posteriormente fue consumido por A. grisella. El pretratamiento consistió en la exposición a la luz solar de 8.00 a.m. a 4.00 p.m. por 15 días (Kundungal et al., 2019 b). El plástico irradiado se agrietó y esto favoreció la voracidad de las larvas, así como un aumento en la mineralización de las excretas, lo que indicó una mayor biodegradación del material.

Otros estudios se han enfocado en tratar de comprender mejor las rutas de biodegradación de los plásticos. Kong et al. (2019) observaron que la cera de abeja fue parcialmente degradada por larvas de G. melonella cuya microbiota intestinal fue inhibida por antibióticos, indicando que las largas cadenas de hidrocarburos son inicialmente despolimerizadas por el hospedero y liberan las largas cadenas de ácidos grasos que subsecuentemente serán metabolizadas por la microbiota del estómago. Cuando G. melonella fue alimentada con cera de abeja hubo un aumento de transcriptos que codifican para carboxilesterasas específicas, lipasas y enzimas involucradas en la oxidación de ácidos grasos. A pesar de estos hallazgos, aún no se conocen con detalle las rutas enzimáticas de la degradación del PE; sin embargo, Kong et al. (2019) apoyaron la propuesta de Bombelli et al. (2017), en la que se sugirió que las rutas enzimáticas involucradas en la degradación del plástico y la cera de abeja son similares.

Durante el transcurso del año 2020, Cassone, Grove, Elebute, Villanueva & LeMoine presentaron evidencia de una relación entre el microbioma intestinal de las larvas de G. melonella, la biodegradación de LDPE y la producción de etilenglicol como producto metabólico. Ellos confirmaron bioquímicamente que las larvas consumen y metabolizan LDPE. Además, estos autores identificaron que el género de bacterias Acinetobacter está directamente involucrado en la biodegradación del PE. También encontraron que el microbioma del estómago de estos lepidópteros está influenciado por factores ambientales, la etapa del desarrollo larval y el tipo de dieta.

También en el año 2020, Lou y colaboradores evaluaron la degradación del PE y el PS por las larvas de G. melonella y el efecto de una dieta complementaria en el consumo de estos polímeros. Ellos observaron pérdidas significativas de masa en los plásticos en un periodo de 21 días, con la subsecuente formación de ácidos grasos y ésteres de cadena larga en la fracción intestinal de las muestras, además de una disminución de los compuestos aromáticos complejos en el humus de las larvas, lo que sugiere una biodegradación parcial de los materiales. El análisis del microbioma intestinal reveló que Bacillus y Serratia estuvieron significativamente asociadas con la dieta de PE y PS respectivamente. La suplementación con cera de abeja y salvado de trigo incrementó las tasas de sobrevivencia de las larvas, incentivó una mayor diversidad microbiana y aumentó el grado de despolimerización de los materiales, pero disminuyó el consumo de plástico en comparación con las larvas que se alimentaron solo con PE o PS. Este hallazgo contrasta con otros que han sido reportados para larvas de escarabajos (Yang et al., 2018 a; Peng et al., 2019) y para A. grisella (Kundungal et al., 2019 a), donde se observaron aumentos significativos en las tasas de consumo de los plásticos cuando los organismos se cultivaron con una dieta complementaria. Esto parece indicar que la promoción en el consumo de plásticos por efecto de una dieta enriquecida es una característica que dependerá de la especie utilizada, por lo que resulta imprescindible el desarrollo de más investigación en esta área, que se enfoque en el estudio individual de las especies y en la optimización de los parámetros de cultivo, con el fin de maximizar la capacidad de degradación de los polímeros por estos sistemas biológicos.

Finalmente, Peydaei, Bagheri, Gurevich, de Jonge & Nielsen (2020) evaluaron el papel de las glándulas salivales de G. mellonella en la degradación del PE. Durante este trabajo se analizaron los cambios en la superficie del PE que fue masticado y consumido, observándose la formación de cavidades e intermediarios de degradación -incluyendo grupos carbonilo- en el material plástico. Lo anterior indicó que la saliva producida por este insecto puede asistir en la degradación del PE. Posterior a ello, se investigaron también los efectos bioquímicos de la exposición al PE sobre la composición del proteoma de las glándulas salivales. Las proteínas cuya expresión fue significativamente afectada por la exposición al PE evidenciaron la inducción de rutas enzimáticas asociadas con la beta-oxidación de ácidos grasos. Los resultados obtenidos en este estudio revelaron que durante la masticación de PE por G. mellonella se forman, de manera simultánea, “picaduras” a lo largo de los bordes de los agujeros producidos por las larvas y productos de degradación que químicamente podrían parecerse a los ácidos grasos. Estos productos de degradación también fueron detectados en suspensiones del PE con saliva de los insectos, lo que reveló que las glándulas salivales podrían estar involucradas en la degradación del plástico desde la misma masticación del material. La exposición a PE no solo promovió una mayor síntesis de proteínas asociadas a la β-oxidación de ácidos grasos, sino que también indujo la producción de estructuras similares a la seda en el borde de los agujeros producidos por las larvas y una expresión significativamente mayor de fibrohexamerina. Por último y de manera interesante, los autores reportaron una disminución en la expresión de una proteína que participa en la regulación de los ciclos fisiológicos de estos insectos: la hormona juvenil esterasa. Esta disminución prolongaría la duración de la etapa larvaria, probablemente por una disminución general del metabolismo, evidenciando un déficit energético derivado de la ingesta exclusiva de PE.

Proyecciones futuras y factibilidad técnicaeconómica de los sistemas de degradación de plásticos por larvas de insectos

Derivado de lo expuesto en los párrafos anteriores, queda claro que la ingesta y consumo de PE y PS por distintos tipos de larvas de insectos es una realidad y algunas evidencias sugieren que estos tratamientos biológicos pueden provocar despolimerización e incluso mineralización de estos materiales. Por otro lado, debemos mencionar que, a pesar de existir estudios alentadores, la viabilidad técnica y económica, así como el impacto ambiental que la implementación de este tipo de procesos pueda tener a gran escala y a largo plazo continúa siendo objeto de debate. Dicho debate gira en torno a I) la evidencia contrastante sobre la biotransformación del PE, II) la baja capacidad que presentan las larvas para desarrollarse de manera óptima cuando se alimentan exclusivamente de polímeros plásticos y III) el bajo valor agregado de los productos de degradación del PE y el PS.

Billen, Khalifa, Van Gerven, Tavernier & Spatari (2020) estudiaron los metabolitos generados durante la biodegradación de LDPE por larvas de G. mellonella. Sus resultados muestran una mínima formación de etilenglicol durante las primeras 36 h de contacto, por lo que los autores sugieren que la transformación química del polímero se debe más a efectos mecánicos de la masticación que a una degradación biológica, lo anterior concuerda con lo sugerido anteriormente por Weber, Pusch & Opatz (2017) y discrepa de los resultados mencionados anteriormente en este texto. Esta evidencia contrastante podría atribuirse a que la capacidad para biotransformar PE posiblemente no sea una característica globalmente conservada en la especie. Aunado a lo anterior, se identificaron microplásticos de PE en el humus excretado, lo cual representaría un riesgo por la posible dispersión de estos contaminantes en el ambiente o su ingreso a las cadenas tróficas. Por otra parte, los autores realizaron un análisis de factibilidad de un sistema de tratamiento de PE a gran escala -el único reporte de este tipo, hasta donde tenemos conocimiento-, este análisis estima un requerimiento de entre 4 y 10 toneladas de G. mellonella para el tratamiento de una tonelada de LDPE, lo que se traduce en un gasto neto de entre 300€ y 1,000€ por tonelada de plástico, montos que exceden los costos de incineración para producción de energía en Europa (Ijgosse, 2019). Derivado de lo anterior, la utilización de estos organismos para el tratamiento de PE parece poco viable, especialmente ante la imposibilidad de utilizar la biomasa o el humus como productos de valor agregado debido a la presencia de microplásticos en los mismos. También es importante señalar que la utilización de larvas de la cera debería realizarse con especial cuidado y control, ya que es una plaga agresiva para las abejas que puede afectar significativamente a los ecosistemas.

En otro estudio se diseñó un modelo de balance energético dinámico para evaluar la factibilidad técnica de un sistema de tratamiento de EPS por larvas de T. molitor cultivadas con dietas a base de este polímero (Matyja, Rybak, Hanus-Lorenz, Wróbel & Rutkowski, 2020). Los resultados mostraron que los organismos alimentados exclusivamente con EPS exhibieron una considerable pérdida de masa, un pobre crecimiento y una tasa de supervivencia de apenas 4% después de 98 días; en contraste, los organismos cultivados con una dieta convencional de avena y dietas mixtas de PS + avena mostraron un crecimiento y una tasa de supervivencia similar (≈50%) en los 98 días de tratamiento. Lo anterior sugiere que el aporte energético que brinda el plástico a estos organismos es insuficiente para completar su ciclo de vida de manera óptima, por lo que el cultivo de estos insectos con una dieta exclusiva de PS sería insostenible a largo plazo. A pesar de que la cría de larvas de harina alimentadas exclusivamente con polímeros plásticos parece no ser una estrategia factible a largo plazo, los hallazgos reportados en los últimos años sugieren que enriquecer la dieta de estos organismos con sustratos convencionales (semillas, cereales, vegetales, etc.) promueve, en la mayoría de los casos, un mejor desarrollo de los mismos, por lo que esta estrategia se presenta como una opción interesante que debe estudiarse con mayor profundidad y focalizarse en la utilización de sustratos económicos y/o subproductos agroindustriales. Por otro lado, de comprobarse la ausencia de metabolitos tóxicos en las excretas o biomasa, se abriría la posibilidad de comercializar los sub-productos derivados de la cría de estos insectos, agregándole valor a una posible aplicación industrial que permitiría el desarrollo de una economía circular, por ejemplo, el humus de T. molitor es un potente bio-fertilizante (Houben, Daoulas, Faucon & Dulaurent, 2020) y la misma biomasa de estos organismos, rica en proteínas y lípidos, se puede utilizar como alimento vivo para animales y peces, carnada para pesca, para la elaboración de alimentos fortificados o para la obtención de aceites (Grau, Vilcinskas & Joop, 2017).

Con base en lo señalado, podemos concluir que el empleo de insectos para el tratamiento de polímeros plásticos no es actualmente una estrategia viable a gran escala; sin embargo, es importante señalar que la investigación en esta área no debería desincentivarse, ya que, considerando la gran diversidad de estas familias de insectos, parece probable que existan especies cuya capacidad para biodegradar estos polímeros aún no haya sido descubierta. Además, las técnicas moleculares modernas como la metagenómica, proteómica o metabolómica así como las técnicas de ingería genética actuales abren un abanico de oportunidades para la identificación y mejoramiento de las bacterias entéricas de estos organismos y para el aislamiento y producción heteróloga de proteínas que estén directamente involucradas en los procesos de biodegradación de estos compuestos.