Transformación física, química y microbiológica de polietileno de baja densidad (PEBD) empleando plasma de oxígeno, fotocatálisis TiO2/UV y Pleurotus ostreatus

Abstract

El polietileno (PE) es el más común de los plásticos y su producción global anual ha sido estimada en 82 millones de toneladas (Ramos et al., 2018), siendo el PE de baja densidad (PEBD) el más empleado (Shah et al., 2008). Cumplida su función básica, estas bolsas son, en su mayoría desechadas e incorporadas a los residuos sólidos urbanos (RSU) alcanzando entre el 20-30 % del volumen total de residuos sólidos contenido en los rellenos sanitarios. Con esto se incrementan, de forma importante, los volúmenes de desechos a tratar, se genera contaminación de suelos y aguas (Ojeda et al., 2009) y se afecta la biota y los recursos hídricos a nivel mundial (Eriksen et al., 2014). En respuesta a esta problemática, el manejo actual de residuos de PEBD está orientado hacia el reciclaje (Lazarevic et al., 2010), el desarrollo de alternativas biodegradables o su biodegradación (O’Brine & Thompson, 2010). La biodegradación del PEBD puede ser acelerada por pretratamientos como la fotooxidación, la termooxidación y quimiooxidación al generar grupos químicos carbonilo (C=O) en la superficie del material que pueden facilitar el ataque microbiano. Por ello este trabajo buscó implementar la transformación de láminas de polietileno de baja densidad (PEBD), a través de un proceso fisicoquímicos-microbiológico secuencial, que incluye la descarga de plasma de oxígeno, la fotocatálisis TiO2/UV y la colonización con Pleurotus ostreatus. Se tomaron láminas de PEBD de 3 cm2 y, después de su caracterización química y física preliminar (peso, grosor, rugosidad, hidrofobicidad, tensión, tipo de grupo químicos funcionales y topografía), se sometieron a un pretratamiento con descargas de plasma luminiscente con gas Argón (Ar) y Oxígeno (O2), solos y en mezcla (1:1), empleando diferentes voltajes y presiones, durante seis minutos y a una distancia del cátodo de 5.6 cm, con el objetivo de modificar las propiedades de hidrofobicidad del material. El mejor resultado, ligado a la hidrofobicidad, fue obtenido en O2 100%, presión de 3.0*10-2 mbares y voltaje de 600 V, el cual presentó una mayor disminución de la hidrofobicidad, por incorporación de grupos polares en su superficie, aumento dela rigidez y ablación. Con esas condiciones se sometieron las láminas de PEBD a un proceso de transformación fotocatalítica (fotocatálisis) TiO2/UV. durante 300 horas. Para evaluar si los factores concentración de TiO2 (g L-1) y pH, favorecían la transformación del PEBD pretratado con plasma, se realizó un diseño factorial 22, cuyas variables de respuesta fueron el peso, la rugosidad, la hidrofobicidad, la tensión, el tipo de grupo químicos funcionales y la topografía. El tratamiento T1 (pH 4.5 y 1 gL-1 de TiO2) presentó los valores más significativos para la variable de respuesta peso e hidrofobicidad el cual fue escogido para la realización de una curva de degradación fotocatalítica a 400 horas. Los resultados muestran que la degradación fotocatalítica generando huecos en la superficie del LDPE, mantiene alta la hidrofilia y la rigidez del material, lo que demuestra el efecto sinérgico entre los dos procesos.

De forma paralela, las láminas de PEBD pretratadas con plasma de O2 se sometieron a un proceso de transformación biológica con el hongo de podredumbre blanca Pleurotus ostreatus. Para seleccionar las condiciones que favorecieran la colonización del hongo y posterior biotransformación del PEBD, pretratado con plasma, se realizó un diseño experimental de tipo Plackett-Burman a 90 días, empleando agar Rhada semisólido modificado con láminas de PEBD y sobre ellas, un gramo de biomasa fúngica. Después del periodo de incubación, las láminas de PEBD fueron retiradas del agar, sumergidas en agua para desprender biomasa y analizadas con las mismas variables de respuesta mencionadas anteriormente. El tratamiento T2 (glucosa 0.625 gL-1, CuSO4 1.5 mM, ABTS 0.1 mM, pH 5.75) presentó los valores más bajos de hidrofobicidad (alta hidrofilia). Bajo este criterio, se realizó una curva de biotransformación a 150 días donde, a parte de las variables de respuesta empleadas en la descarga de plasma y la fotocatálisis, y también analizadas aquí, se estudió la actividad enzimática del hongo, su crecimiento y producción de producción de pigmentos difusibles. Al exponer al hongo a PEBD previamente irradiado con plasma de O2, se observó alta actividad ligninolíticas y alta liberación de pigmentos tipo, lo que muestra el estrés metabólico de P. ostreatus al exponerlo al polímero. Igualmente las imágenes de SEM revelaron una colonización del PEBD del 89% Por otra parte, las variables asociadas al PEBD, mostraron disminución en la hidrofobicidad y pequeños cambios en la estructura química, como la disminución de dobles enlaces y la aparición de algunos grupos polares, lo que sugiere que el tratamiento secuencial (descarga de plasma + P. ostreatus) generó una biotransformación parcial del material, la cual se soporta con la disminución de las bandas características del LPDE y la presencia de grupos carbonilos, peróxidos y alcoholes, observados a través de FTIR.

De igual forma, los ensayos realizados empleando dos tipos de láminas de PEBD oxodegradable, pretratadas con plasma, y crecidas sobre medio Radha semisólido y luego en un sistema de microcosmos, dan cuenta, en una de ellas, de procesos de transformación, tanto fisicoquímica como microbiológica.