Tenebrio molitor: Una opción prometedora para la degradación de plásticos
El plástico es un material que llegó para cambiar nuestras vidas; desde su aparición, se mostró muy prometedor por sus múltiples aplicaciones, bajo precio y fácil elaboración. Sin embargo, no fue sino hasta hace 20 años que aumentó exponencialmente su producción; ahora puede encontrarse en todos lados en forma de diversos materiales como el PET, PVC y unicel, entre otros. Paradójicamente, las cualidades que los hacen tan atractivos, como su durabilidad y resistencia a la degradación, son las que los han convertido en un problema. En la actualidad enfrentamos una crisis mundial de contaminación del medio ambiente causada por los plásticos, especialmente porque la mitad de su producción está diseñada para ser de un solo uso. De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas (2021), cada año se generan 400 millones de toneladas de desechos plásticos; del total de ese residuo solamente se recicla el 10%, mientras que el resto se quema, termina en vertederos, o acaba acumulándose en los ecosistemas. Una gran cantidad termina en los océanos formando islas enormes de plástico, de hasta un millón de kilómetros cuadrados, o en suelos y cuerpos de agua dulce, donde afectan la vida silvestre. Muchos de estos materiales nunca desaparecen. Simplemente se rompen en pedazos más y más pequeños, hasta llegar a dimensiones microscópicas (Hale et al. 2020). Los microplásticos pueden ser ingeridos e inhalados por su presencia en el aire, agua y alimentos, y pueden acumularse en el cuerpo. Se ha estudiado su efecto en organismos modelo, mostrando que pueden causar inflamación, toxicidad a las células, problemas en el metabolismo, e infecciones por contaminación microbiana; sin embargo, sus efectos en la salud humana todavía no se conocen (Blackburn & Green, 2021).
Por ello se han presentado diversas estrategias para mitigar el problema que representa el manejo de esos residuos; algunas de ellas incluyen la prohibición de plásticos de un solo uso, reciclaje, limpieza de ecosistemas, así como degradación física, química y biológica. Esta última se refiere al uso de organismos para degradación del plástico, como bacterias y hongos, que tienen esta capacidad derivada de la acción de diversas enzimas (Lim & San Thian, 2021). Por ejemplo, para el poliestireno se ha reportado la actividad de enzimas lacasas y oxidorreductasas; el estireno se oxida para formar fenilacetato, que después es utilizado en el ciclo de Krebs. Así mismo, el polietileno sufre la acción de enzimas oxidativas que insertan grupos funcionales con oxígeno (como carbonilo y ácido carboxílico) en el polímero, seguido de fragmentación por hidrólisis y finalmente mineralización en la biomasa microbiana (Mohanan et al., 2020).
Entre los organismos capaces de degradar el plástico se encuentran los tenebrios, también conocidos como gusanos de la harina (Tenebrio molitor). Son capaces de consumir distintos tipos de plásticos. Una parte de lo que ingieren se degrada completamente y es utilizada como fuente de nutrientes; otra parte se libera como CO2, y una fracción pequeña se degrada parcialmente y es excretada en el frass (excremento, partes anatómicas y cutículas de insecto, alimento sin digerir) (Brandon et al., 2018). Su habilidad de degradar estos polímeros deriva de la acción de su microbiota intestinal, es decir, los microorganismos de su tracto digestivo. Por este potencial, la investigación sobre los microorganismos causantes de este proceso ha adquirido importancia, así como su posible aplicación a gran escala.
Tenebrio molitor
El Tenebrio molitor es una especie de escarabajo de la familia Tenebrionidae, caracterizados por ser cosmopolitas y alimentarse de materia orgánica en descomposición. Este insecto come granos, cereales y harinas principalmente; a veces son considerados una plaga secundaria, pues suelen infestar los almacenes de los productos que han sido dañados previamente por otras plagas.
El Tenebrio molitor es un insecto de metamorfosis completa, es decir, tiene etapas de huevo, larva, pupa y adulto. La duración de su ciclo de vida es variable y depende de las condiciones ambientales; manteniendo la temperatura entre 25-28 °C y la humedad relativa a 60% se logran ciclos de vida de 10-12 semanas, mientras en condiciones adversas se puede prolongar hasta más de 600 días (Ribeiro et al., 2018).
Para el cultivo de tenebrios se deben tomar en cuenta ciertos factores, como luz, temperatura, humedad, densidad poblacional, y dieta. En las granjas de producción se suelen utilizar cajas de plástico apiladas de forma vertical, separando las etapas de larva y adulto. Los tenebrios presentan fotofobia, es decir, tienden a alejarse de la luz; esto facilita su cultivo, ya que no es necesario el uso de fuentes de luz específicas como con otros insectos. En la producción, los tenebrios suelen ser alimentados con salvado de trigo, que contiene los nutrientes necesarios para su crecimiento; sin embargo, se recomienda adicionar una fuente de proteína como levadura de cerveza, soya, y caseína. Además, es importante añadir agua, usualmente dada con vegetales. El tenebrio cuenta con una cutícula gruesa que evita la desecación, lo que les permite soportar la falta de agua; este organismo prefiere niveles altos de humedad, aunque esto a su vez puede favorecer el crecimiento de contaminantes como hongos, bacterias y ácaros.
Aplicaciones del tenebrio
La larva de tenebrio se emplea como insumo en la producción de alimentos para animales, especialmente como producto vivo para mascotas exóticas como reptiles, anfibios y aves. El tenebrio es considerado de gran valor nutricional, ya que tiene un contenido de proteína de 43-66% en peso seco, con todos los aminoácidos esenciales para humanos. Además, en peso presentan 17-42% de grasa, predominando el ácido palmítico, oleico y linoleico. También el tenebrio es una fuente de zinc, magnesio, y vitamina B12 (Grau et al., 2017).
El perfil nutricional de los tenebrios es similar al de la harina de pescado, por lo que son una alternativa de alimento para animales de producción. Han sido probados en dietas de cerdos, peces, y camarones, donde han mostrado un buen potencial. Por otro lado, en los últimos años ha adquirido popularidad su uso para elaborar harina alta en proteína para consumo humano; el tenebrio es de los pocos insectos aprobados como alimento por la Unión Europea, la cual es un referente para México dada la falta de legislación en el país. Actualmente existen proyectos donde los tenebrios han sido recomendados en los sistemas de soporte vital para las misiones espaciales como fuente de proteína.
Además, el reemplazo y complemento del consumo tradicional de proteínas animales con tenebrios, permite disminuir el impacto ambiental asociado a la fabricación de estos productos, debido a que la producción de insectos, en comparación con el ganado, produce menos gases de efecto invernadero, requiere menor espacio y poca agua. Los insectos tienen tasas de reproducción más altas y mejores índices de conversión alimenticia; es decir, se reproducen y aumentan su población más rápido, y aprovechan mejor su alimento.
Degradación de plásticos mediante Tenebrio molitor
Una de las aplicaciones más sorprendentes de los tenebrios es que son capaces de comer plásticos (Figura 1). Se ha visto que los tenebrios pueden consumir varios tipos de plásticos como poliestireno, PVC, polietileno, polipropileno y poliuretano. Estos polímeros se pueden encontrar en productos como esponjas para lavar trastos, empaques de comida, aislantes térmicos, bolsas, textiles, entre muchos otros.
La degradación de estos materiales ha sido vinculada a la microbiota intestinal de los tenebrios. Se ha asociado el aumento de diversos microorganismos a dietas de plásticos. Entre ellos, la cepa Exiguobacterium sp. YT2 ha demostrado la capacidad de descomponer poliestireno, mostrando una eficiencia mayor dentro del intestino, lo que sugiere una acción sinérgica entre el insecto y las bacterias (Yang et al., 2015). En este género se han identificado especies que participan en la biorremediación de agua y descomposición de hidrocarburos fenólicos, heterocíclicos y aromáticos (Kasana et al., 2017). Asimismo, se ha reportado que Citrobacter sp. y Kosakonia sp. pueden desintegrar poliestireno y polietileno, ambos géneros pertenecientes a la familia Enterobacteriaceae, conocida por la especie degradadora de polietileno Enterobacter absuriae aislada del intestino de la larva de la palomilla bandeada (Brandon et al., 2018). También se ha identificado a E. hormaechei en tenebrios alimentados con poliestireno (Urbanek et al., 2020).
El plástico, al ser ingerido por los tenebrios es retenido en el intestino durante 12-15 horas, logrando degradar un 46-69% de lo consumido (Bulak et al., 2021). Estos valores varían de acuerdo con el tipo de polímero, condiciones de alimentación, y la región originaria del insecto. Aproximadamente la mitad del material se convierte en CO2, y la otra parte se incorpora como lípidos en el cuerpo de los insectos. El tenebrio puede sobrevivir alimentándose únicamente de plástico por periodos de un mes aproximadamente, pero estos materiales sólo le confieren carbono e hidrógeno. Para que el tenebrio tenga un desarrollo adecuado necesita una alimentación completada con otros alimentos como el salvado de trigo, que le proporciona nutrientes esenciales como nitrógeno, potasio, sodio y fósforo. Incluso se ha visto que al emplear una alimentación combinada de plástico y salvado de trigo se logra una mayor degradación del primero.
Un reto que existe para poder implementar una producción de tenebrios alimentada con residuos plásticos es que éstos no son reducidos por completo. En el excremento de los insectos queda una parte residual, por lo que se deben diseñar estrategias para lograr una mejor degradación, ya sea con los mismos tenebrios, o con otros procesos fisicoquímicos o biológicos.
La capacidad de estos insectos para consumir y descomponer diferentes tipos de plásticos ha abierto una línea de investigación para comprender esta habilidad y sus posibles aplicaciones a gran escala. Sin embargo, este hallazgo trae consigo cierta controversia sobre la seguridad de consumir insectos que se han alimentado de plásticos. Por un lado, suena inquietante producir alimentos a partir de materiales que son considerados basura, sobre todo ante la inminente crisis alimenticia. Por otro lado, se debe seguir investigando sobre la seguridad de consumir este tipo de alimentos. Esto a su vez nos lleva a preguntarnos si su consumo humano será aceptado, aún contando con evidencia que respalde la no acumulación de plástico en estos organismos.
Referencias
Blackburn, K., & Green, D. (2022). The potential effects of microplastics on human health: What is known and what is unknown. Ambio, 51(3), 518-530. https://doi.org/10.1007/s13280-021-01589-9
Brandon, A. M., Gao, S. H., Tian, R., Ning, D., Yang, S. S., Zhou, J., Wu, W.M. & Criddle, C. S. (2018). Biodegradation of polyethylene and plastic mixtures in mealworms (larvae of Tenebrio molitor) and effects on the gut microbiome. Environmental science & technology, 52(11), 6526-6533. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b02301
Bulak, P., Proc, K., Pytlak, A., Puszka, A., Gawdzik, B., & Bieganowski, A. (2021). Biodegradation of different types of plastics by tenebrio molitor insect. Polymers, 13(20), 3508. https://doi.org/10.3390/polym13203508
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Hale, R. C., Seeley, M. E., La Guardia, M. J., Mai, L., & Zeng, E. Y. (2020). A global perspective on microplastics. Journal of Geophysical Research: Oceans, 125(1), https://doi.org/10.1029/2018JC014719
Kasana, R. C., & Pandey, C. B. (2018). Exiguobacterium: an overview of a versatile genus with potential in industry and agriculture. Critical reviews in biotechnology, 38(1), 141-156. https://doi.org/10.1080/07388551.2017.1312273
Lim, B. K. H., & San Thian, E. (2021). Biodegradation of polymers in managing plastic waste—A review. Science of The Total Environment, 151880. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151880
Mohanan, N., Montazer, Z., Sharma, P. K., & Levin, D. B. (2020). Microbial and enzymatic degradation of synthetic plastics. Frontiers in Microbiology, 11, 580709. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.580709
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Ribeiro, N., Abelho, M., & Costa, R. (2018). A review of the scientific literature for optimal conditions for mass rearing Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae). Journal of Entomological Science, 53(4), 434-454. https://doi.org/10.18474/JES17-67.1
Urbanek, A. K., Rybak, J., Wróbel, M., Leluk, K. & Mirończuk, A. M. (2020). A comprehensive assessment of microbiome diversity in Tenebrio molitor fed with polystyrene waste. Environmental Pollution, 262, 114281. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114281
Yang, Y., Yang, J., Wu, W. M., Zhao, J., Song, Y., Gao, L., … & Jiang, L. (2015). Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: part 2. Role of gut microorganisms. Environmental science & technology, 49(20), 12087-12093. 10.1021/acs.est.5b02663