Biodegradação do Polietileno

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BIODEGRADAÇÃO DO POLIETILENO 
 
Caroline da Costa Pagani, Tássia Gabriela Pereira Montalvão, Thássia Félix de Almeida 
Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, Brasil. 
Engenharia Bioquímica 
1 INTRODUÇÃO 
A habilidade dos microrganismos de usarem o polietileno como fonte de carbono foi 
descoberta recentemente, e os microrganismos descobertos que tem a capacidade de 
crescer no polietileno estão sendo isolados e seus efeitos de mudanças nas propriedades 
do material estão sendo estudados. Mesmo a biodegradação e a biodeterioração do 
polietileno serem demonstradas em várias pesquisas, as enzimas envolvidas e seus 
mecanismos associados ainda não são tão claros e compreendidos totalmente. 
O polietileno é conhecido por ser um polímero resistente a degradação. É 
quimicamente e biologicamente inerte e tem sido utilizado para fabricação de vários 
produto plásticos e até na utilização de estruturas em construções. Do ponto de vista 
ecológico, o acúmulo do resíduo desse plástico no meio ambiente é uma crescente 
preocupação, pois a taxa de fabricação de plásticos ja ultrapassa 25 milhões de toneladas 
por ano. 
O estudo dos mecanismos de biodegradação do polietileno não é realizado apenas 
pelo impacto ecológico causado, mas também pois o polietileno se transformou num 
material usado na construção de estruturas chave para muitas indústrias, fazendo ser 
necessário o entendimento da sua degradação e deterioração para a estabilidade e 
integridade da construção. 
A degradação do polietileno pode ser dividida de em: 
Degradação abiótica: É a deterioração causada por fatores ambientais como a 
temperatura, radiação UV; 
Degradação biótica: É a biodegradação causada por ação de microrganismos que 
modificam e consomem o polímero levando a mudanças nas suas propriedades. 
Mesmo que o dano seja classificado por um desses 2 tipos, na natureza os dois ocorrem 
cooperativamente. 
A utilização desse polímero com microrganismos é fisicamente limitado pela sua 
insolubilidade em água e alto peso molecular. Mesmo assim, tem evidências suficientes 
que provam a biodegradação, mesmo ela sendo extremamente lenta. Ainda falta 
conhecimento do caminho metabólico completo envolvido no processo e na estrutura e 
identificação de todas as enzimas envolvidas. Poucos avanços foram feitos e até as 
conclusões feitas precisam ser verificadas. 
 
2 MICRORGANISMOS ENVOLVIDOS NA DEGRADAÇÃO DO 
POLIETILENO 
Como a biodegradação do polietileno é complexa e não é totalmente compreendida. 
Foram feitos dois possíveis mecanismos. A primeira abordagem, estuda a performance 
usando cepas puras - que seriam uma linhagem de microrganismos produzida em 
laboratório, tipo clones, com a finalidade de estudos - capazes de degradar o plástico, sua 
vantagem é ser um caminho conveniente para investigar o mecanismo metabólico ou 
descobrir os efeitos de diferentes condições ambientais da degradação, porém ignora a 
possibilidade do polietileno se biodegradar de maneira cooperativa entre diferentes 
espécies. 
A segunda abordagem, é usar ambientes complexos e comunidades microbianas 
aplicadas a diferentes microambientes. Água marinha, solo ou compostagem são 
exemplos de ambientes onde o polietileno já foi testado. 
A estrutura de comunidade microbiana isolada na superfície do polietileno durante o 
experimento também pode ser influenciada pelo tipo de polímero usado como substrato, 
pois existem vários tipos de polietileno. É importante destacar que o polietileno também 
é encontrado misturado com aditivos como oxidantes ou amido, os dois tem sido 
aplicados para melhor a biodegradabilidade do polímero. 
Atualmente os microrganismos que conseguem degradar o polietileno são limitados 
a 17 gêneros de bactérias e 9 gêneros de fungos. Esses números tendem a aumentar com 
as novas técnicas mais sensíveis de isolamento. 
Exemplos de bactérias: Acinetobacter baumannii spp, Microbacterium 
paraoxydans e Bacillus cereus. 
Exemplos de fungos: Apergillus niger, Penicillium funiculosum e Verticillium 
lecanii. 
 
3 EFEITOS DA ATIVIDADE MICROBIANA NO POLIETILENO 
Os microrganismos, bactérias e fungos, capazes de colonizar a superfície do 
polietileno causam diversos efeitos nas propriedades do material e 7 diferentes 
características de mudança foram observadas em polímeros depois do ataque microbiano 
explicadas a seguir. 
 
3.1 Grupos Funcionais 
A acumulação ou consumo de grupos funcionais depende do equilíbrio das taxas de 
oxidação e degradação decorrente da natureza dos microrganismos presentes. A 
incubação com microrganismos gera alterações na concentração dos grupos funcionais 
da superfície do polietileno. Em geral, as concentrações dos grupos diminuem e o número 
de ligações duplas aumentam quando a atividade biológica é detectada. 
Os grupos oxidados modulam a ligação microbiana aumentando a hidrofilicidade da 
superfície, assim, esses grupos são facilmente degradados pelos microrganismos. O que 
implica que a degradação do polietileno será reforçada se uma superfície mais oxidada é 
utilizada como substrato. 
 
3.2 Hidrofóbico/Hidrofílicos 
A hidrofobia é fundamental para determinar a extensão da colonização sobre o 
substrato polimérico, enquanto que a hidrofilia facilita a colonização dos microrganismos. 
A hidrofobicidade / hidrofilicidade de uma superfície depende da natureza, concentração 
e exposição dos grupos funcionais presentes no material. Se a extensão do processo de 
oxidação devido à ação de fatores abióticos for superior à extensão de consumo de grupos 
funcionais, então será observado um aumento na hidrofilicidade. Por outro lado, se a taxa 
de consumo de grupos funcionais for superior à taxa de oxidação, então será observado 
um aumento na hidrofobicidade. 
 
3.3 Cristalinidade 
O polietileno é um polímero semicristalino constituído por microestruturas 
cristalinas que estão rodeadas por regiões amorfas. Por ser mais acessível para os 
microrganismos, as regiões amorfas são consumidas primeiro indicando. Contudo, não 
há suficiente pesquisa até o momento para afirmar definitivamente o que acontece depois 
que as regiões amorfas são consumidas. 
 
3.4 Distribuição de peso molecular 
Um efeito comum observado após ataque microbiano, é um aumento no peso 
molecular médio como resultado do consumo das cadeias de peso molecular mais baixo. 
Alguns autores concluíram que o efeito de fatores abióticos também interfere no peso 
molecular. Isso pode ser determinado através da técnica de cromatografia a alta 
temperatura e do uso de medidas reológicas que se correlacionam indiretamente com a 
distribuição do peso. 
 
3.5 Topografia de Superfície 
A colonização de superfícies de polietileno por microrganismos gera alterações na 
topografia de superfície. O desenvolvimento de colônias de diferentes microrganismos na 
superfície do polietileno e a penetração de estruturas de hifas têm sido relatados como 
características comuns após o ataque microbiano. 
 
3.6 Propriedades Mecânicas 
As alterações induzidas pela oxidação na cristalinidade e no peso molecular médio 
provocam a modificação das propriedades mecânicas. Os efeitos da atividade biológica 
sobre amostras de polietileno têm sido estudados principalmente em filmes finos. As 
alterações nas propriedades mecânicas devido à atividade microbiana ainda são uma área 
ativa ou pesquisa. 
 
3.7 Consumo do Polietileno 
Embora o consumo de um polímero por microrganismos forneça evidência de sua 
assimilação, a lentidão desse processo pode torná-lo muito difícil de detectar. No entanto, 
alguns estudos têm relatado uma redução no peso das amostras determinadas quer por 
medidas gravimétricas quer pelaevolução do CO2 a partir das amostras. Na técnica de 
evolução do CO2 assume-se que o polietileno utilizado pelos microrganismos como fonte 
de carbono será finalmente convertido em CO2 durante a respiração e pode, por 
conseguinte, ser utilizado como medida indireta da quantidade de polietileno que tem sido 
utilizada pelos microrganismos. Uma vez que a evolução do CO2 do sistema pode ser 
monitorizada continuamente, permite determinar não só o consumo total do polímero, 
mas também a taxa de degradação. É importante notar que a taxa de extensão do consumo 
de polímero pode ser extensivamente influenciada por fatores abióticos que promovem a 
oxidação. 
 
4 MECANISMO DA BIODEGRADAÇÃO 
Em polímeros, o processo de biodegradação inicia, em geral, através do ataque 
microbiano a sua superfície e de sua colonização, na forma de biofilme. O biofilme é uma 
mistura complexa de microrganismos, água e substâncias poliméricas extracelulares, que 
podem aderir ao filme polimérico por interações de Van der Waals ou interfaciais. 
Esta adesão do biofilme à superfície polimérica é um meio de sobrevivência utilizado 
pelos microrganismos quando as condições ambientais são pobres. A formação de 
biofilmes é um pré-requisito para a corrosão e/ou a deterioração dos materiais, também 
denominado de biodeterioração. A interação matéria orgânica/superfície leva a efeitos: 
bioquímico (no qual as substâncias produzidas pelos microrganismos agem sobre o 
polímero) e enzimático (no qual as enzimas atacam as cadeias do polímero, provocando 
quebras oxidativas na matriz polimérica). 
 Teoricamente, o polietileno pode ser usado como fonte de carbono por 
microrganismos, contanto seu alto peso molecular limita seu uso como substrato para 
reações enzimáticas ocorrerem. Do ponto de vista do processo químico/bioquímico 
envolvido existem duas reações chave, a primeira é a redução do seu peso molecular e a 
segunda a partir da oxidação das moléculas. 
A redução do peso molecular é necessária para facilitar o transporte das moléculas 
pelas células das membranas e porque o sistema enzimático presente nos microrganismos 
só são capazes de atacar certa massa molecular, normalmente entre 10 a 50 carbonos. 
Uma vez que o tamanho da molécula é reduzido, a oxidação é feita para transformar o 
hidrocarboneto em ácido carboxílico que pode ser metabolizado por β-oxidação e pelo 
ciclo de Krebs, os ácidos formados é que podem causar deterioração do material. A figura 
1 representa o mecanismo proposto da biodegradação do polietileno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS 
O efeito da degradação microbiana sobre a morfologia do polietileno é apenas 
parcialmente estudado, sabe-se que as regiões amorfas são mais facilmente degradadas e 
que pequenos cristais são utilizados por microorganismos. Pesquisas realizadas na 
biodegradação de polietileno provaram que a biodegradação deste material, está 
ocorrendo na natureza na presença de fatores abióticos e outros agentes oxidantes. Fatores 
como cristalinidade, grau de oxidação e distribuição do peso molecular podem ter um 
impacto no grau e na taxa de utilização do polímero por microorganismos. Contudo, estas 
conclusões são limitadas e são necessárias mais evidências para identificar os 
mecanismos completos para a degradação do polietileno. O isolamento e a identificação 
das enzimas capazes de oxidar e quebrar as cadeias de polietileno bem como o tamanho 
das cadeias de polietileno que são capazes de utilizar como substrato é um objetivo 
primário para elucidar os mecanismos de degradação do polietileno. É possível que, em 
ecossistemas reais, a biodegradação deste polímero seja um processo cooperativo, assim 
seria importante estabelecer o papel das interações ecológicas entre os microorganismos 
no processo de degradação do polietileno. 
 
Figura 1- Mecanismo proposto da biodegradação do polietileno. 
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
JUAN-MANUEL, R. F. Microbial degradation and deterioration of polyethylene – A 
review. Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, 1151 
Richmond Street, London, Ontario, Canada. 
 
FLEMMING, H. C. Relevance of biofilms for the biodeterioration of surfaces of 
polymeric materials. Polymer Degradation Stability, Essex, v.59, p. 309-15, 1998. 
 
MADDEVER, W. J.; CHAPMAN, G.M. Making plastics biodegradable using modified 
starch additions, Proceedings of Symposium on Degradable Plastics. The Society of the 
plastics Industry Inc., Washington, p. 41-44, 1987.