Category Archives: Medi Ambient
Carn alternativa: menjar proteïna microbiana i altres
10 desembre 2022
Click here for the English version: Alternative meat: eating microbial protein and others
PROBLEMES DE LA PRODUCCIÓ DE PROTEÏNA ANIMAL
La majoria de proteïna que els humans consumim és la càrnica d’origen animal produïda per la ramaderia industrial, ja siguin aus o mamífers, i d’aquests sobretot els remugants com les vaques, bous i vedells, dels quals la producció a nivell mundial s’ha doblat en els darrers 50 anys. Els sistemes de granges industrials, tant les intensives com les extensives, tenen conseqüències ambientals molt negatives. Com veiem esquematitzat a la Figura 1, els principals perjudicis són:
La superfície de terreny ocupada per la ramaderia cada cop és més gran. Comptant el terreny de pastures i els conreus de vegetals per alimentar els animals —cereals i soja sobretot—, ja s’arriba quasi al 30% de la superfície de terra, molt més que la dedicada als conreus de consum humà, un 13%. En el cas de la soja per exemple, 3/4 de la seva producció es dedica a pinsos, i una part important prové de regions de Brasil que prèviament eren selva o sabana (Hooper 2022).
L’aigua dolça utilitzada per a la fabricació de qualsevol producte s’anomena petjada hídrica (Hidrofílic 2017). Aquesta en el cas de la ramaderia, que inclou el conreu vegetal de pinsos, és molt més gran que qualsevol altre conreu agrícola: es necessiten 15000 L d’aigua per a cada kg de carn bovina, 9000 L per kg carn d’ovella, 6000 L per kg carn de porc, mentre que només en calen 300 L per a kg de verdures o 900 L per kg de fruites o uns 4000 L per kg de llegums, encara menys que per als animals (Mekonnen & Hoekstra 2010). Com veiem (Figura 1), es calcula que als USA un 30% de la petjada hídrica total és deguda a la ramaderia industrial.
Un terç de les emissions globals de gasos amb efecte d’hivernacle (GEH) són causades pel sistema alimentari, i dins d’aquest la ramaderia n’és el principal contribuent, sobretot pel gas metà expel·lit pels remugants, resultat del metabolisme dels arqueus metanògens, pas final de la fermentació del rumen. Com a GEH, les emissions de metà del boví són les que causen més impacte ambiental amb molta diferència, essent d’uns 100 kg de metà per cada 100 g proteïna produïda (Poore & Nemecek 2018).
Finalment, cal tenir en compte les repercussions de degradació i erosió del terreny que suposa la ramaderia industrial, així com l’acidificació del sòl, les contaminacions per antibiòtics i l’eutrofització per l’ús excessiu dels fertilitzants (Humpenöder et al. 2022).

Figura 1. Impacte ambiental de la indústria ramadera. Imatge treta de Ecopeanut.com.
Es calcula que pel 2050 la població humana mundial serà de quasi 10000 milions (ara al 2022 som 7800 milions), per a les quals caldran unes 400 milions de tones de carn i 800 de productes lactis per any, quantitat que no es podrà aconseguir per la baixa eficiència de la proteïna vegetal dels pinsos en proteïna animal, que és de 6 kg de vegetal per a 1 kg animal (Ritala 2017).
Tot plegat, alguns activistes ambientals ben inquiets com George Monbiot creuen que les explotacions agrícoles i ramaderes comporten una destrucció, explotació i sense sentit econòmic que estan matant el planeta. Tanmateix, també creu que hi ha l’esperança d’un món més sostenible i saludable que passaria per un consum de microbis enlloc d’animals (Hooper 2022).
Per tant, està clar que aquesta situació a mig termini no és sostenible ambientalment i cal trobar-hi alternatives per substituir gran part de la proteïna animal per altres fonts, com les microbianes i altres.
———-
L’ALTERNATIVA VEGETAL
L’alternativa de proteïna vegetal és molt coneguda i forma part de la nostra dieta habitual (Figura 2). Portant-ho a l’extrem, els vegetarians basen la seva dieta només en vegetals i exclouen els aliments càrnics. A la Índia són 1/3 de la població, però a la resta del món els vegetarians són minoritaris, un 5% a Europa. Els motius dels vegetarians —i els vegans, que són més estrictes— són molt diversos, com ètics (sensibilitat animal), de salut, religiosos, polítics, de moda, estètics, econòmics, però també cada cop més hi ha els motius esmentats de conscienciació ambiental i de sostenibilitat.

Figura 2. Dieta vegetariana. Imatge treta de Salud Blogs Mapfre.
Les fonts de proteïna vegetal són valuoses nutritivament, ja que contenen fibra —quasi inexistent a les carns— i antioxidants, però el seu contingut en proteïna sempre és més baix que la de la carn, a la qual n’és un 45% de l’extracte sec. Els aliments vegetals amb més proteïna són la soja (un 35%) i els llegums com pèsols, cigrons o fesols (un 20-25%). En canvi el blat, arròs i altres cereals o les patates només contenen un 10% de proteïna. La llet conté un 25% i els ous un 40% de l’extracte sec.
L’inconvenient principal de la proteïna vegetal respecte l’animal, a més del menor contingut total de proteïna, és la menor qualitat nutricional en quant a aminoàcids essencials i menor digestibilitat, amb la qual cosa cal incrementar un 10-20% de proteïna si només es consumeixen aliments vegetals (Petrusán et al 2016). Un altre inconvenient és l’ambiental, en part semblant a l’animal, per les necessitats de grans extensions de terreny i de molta aigua (Ritala et al. 2017).
———-
MENJAR INSECTES ?
Una altra alternativa és el consum de proteïna d’insectes, o sigui l’entomofàgia. El contingut en proteïna de l’extracte sec dels insectes és molt alt, entre un 35% dels tèrmits i el 60% dels grills i llagostes, i la majoria dels insectes comestibles tenen continguts alts dels aminoàcids essencials, i de fibra, minerals i vitamines. Les “granges” d’insectes són molt adients amb la sostenibilitat i el medi ambient, ja que no requereixen terreny, els cal poca aigua, emeten molt pocs gasos d’EH, i són avantatjosos econòmicament. Per tant, tenen un molt bon potencial com a menjar de qualitat (Lange & Nakamura 2021). Tanmateix, l’acceptació del consumidor és un gran obstacle, sobretot als països occidentals. En canvi, són habituals a l’Àfrica subsahariana, al sud-est asiàtic, Austràlia i alguns països iberoamericans com Mèxic, on els “escamoles” són larves de la formiga Liometopum apiculatum molt populars des de temps prehispànics (Figura 3).

Figura 3. Plat d’escamoles mexicans. Imatge treta de Lideresmexicanos.com.
Quan els insectes es produeixen industrialment, cal tenir en compte i controlar les possibles fonts de riscos de seguretat alimentària, com són els al·lèrgens, els microorganismes patògens que poden ser transmesos via insectes, o les micotoxines de fongs que contaminin els insectes (Lange & Nakamura 2021).
Actualment, la majoria d’inversions en la producció d’insectes comestibles són en el menjar per a animals. Se n’estan produint en forma de pols de proteïna per a animals domèstics, en aqüicultura i s’està començant a introduir com a complement dels pinsos del bestiar. A més els excrements dels insectes en la fase productiva poden ser utilitzats com a fertilitzant (Godwin 2021).
———-
CARN CULTIVADA O SINTÈTICA
També anomenada carn “in vitro” o carn “neta” o “carn de laboratori”, consisteix en fer créixer teixit muscular animal en cultius de laboratori a partir de cèl·lules mare. Amb aquest mètode més ràpid i eficient que l’obtenció de carn tradicional no cal ni sacrificar animals ni hi han tots els inconvenients comentats de la ramaderia.
Per aconseguir carn cultivada cal un seguit de requeriments resumits en aquests passos que han de funcionar bé tant del punt de vista biològic com comercial:
- Obtenir mostres del múscul esquelètic de l’animal adequat
- Separar-ne les cèl·lules mare dels altres components musculars i a vegades altres tipus cel·lulars
- Induir el creixement i proliferació dels mioblasts en les condicions físico-químiques i medi adequat, amb factors de creixement
- Induir que els mioblasts formin els miotubs multinucleats, en una estructura marc o bastida, com el col·lagen
- Aconseguir el creixement continuat de nous mioblasts i la diferenciació dels miotubs en fibres musculars
- Assegurar el creixement continuat al llarg de l’augment d’escala, introduint altres components com els adipòcits, amb els lípids que aporten palatabilitat
- Processar el producte resultant afegint-hi greixos, aromes i altres compostos, i modelar-ne l’aspecte físic, tot plegat per tal de mimetitzar els productes càrnics convencionals, la qual cosa és més fàcil amb productes processats, com la carn picada o el bacon (Figura 4) (Kadim et al. 2015).
La carn cultivada pot ser igual de bona i nutritiva que la convencional d’animals de granges, a més dels avantatges d’un dràstic menor efecte sobre el medi ambient i sobre l’animal en qüestió. A més, el rendiment és clarament major, ja que només amb una mostra de teixit es pot arribar a produir la mateixa quantitat de carn que amb 80 vaques (Bingham 2020).
Malgrat que els resultats preliminars fins ara són molt esperançadors, aquesta tecnologia encara no està prou desenvolupada per a la producció a gran escala, sobretot en quant als medis de cultiu, i l’acceptació i confiança per part del consumidor encara són molt minses (Kadim et al. 2015).

Figura 4. Carns “cultivades”, fetes amb cultius de cèl·lules animals, simulant un filet de vedella (esquerra) o una carn processada (dreta). Imatges tretes de Bingham (2020).
De manera semblant, també s’està desenvolupant la producció de filets de peix i de carn de marisc amb cultius cel·lulars, és el que se’n diu aqüicultura cel·lular. La substitució progressiva de peix capturat pel “peix cultivat” reduiria significativament la sobrepesca, s’eliminaria la pesca il·legal i la destrucció dels ecosistemes marins, i aquests aliments no tindrien possibles patògens o contaminants habituals com el metil-mercuri o les partícules de plàstic.
Aquests productes de peix i marisc cultivats tenen també les qualitats organolèptiques que els productes marins salvatges o de piscifactoria però amb l’avantatge de ser més sostenibles, segurs i saludables. Algunes de les empreses que els estan desenvolupant ho fan amb tècniques semblants als cultius d’organoides o miniòrgans, que s’utilitzen des de fa uns 10 anys per a l’estudi i tractament de malalties i tumors. Els cultius es fan en estructures tridimensionals permetent que les cèl·lules formin una composició natural de greix i múscul equivalent a la de l’animal (VelSid 2022).
———-
PROTEÏNA MICROBIANA
També es coneix com a “proteïna unicel·lular” (Single Cell Protein, SCP) perquè en origen molts eren microbis unicel·lulars com la majoria de bacteris —inclosos els cianobacteris—, els llevats i algunes microalgues (les unicel·lulars), però també s’inclouen alguns fongs filamentosos i algunes algues pluricel·lulars. Lògicament els microbis que més s’han estudiat en aquest sentit són els que contenen més proteïna. Tenim una bona revisió dels tipus, el procés d’obtenció i aplicacions al treball de Junaid et al. (2020).
Taula 1. Productes de “proteïna unicel·lular” (SCP), tots amb mínim 45% proteïna dins extracte sec. Adaptat de Ritala et al. (2017).
Microorganisme | Tipus | Ús | Substrats | Companyies (país) | Problemes |
Methylophilus, Methylococcus | Bacteris metilòtrofs i metanòtrofs, proteobacteris | Aliment d’animals | Metanol, metà | ICI (UK) “Pruteen” anys 1970, Calista Inc. (UK) “FeedKind” a partir de biogàs | Alt contingut en RNA i DNA (>10%), cal processat |
Azonexus, Comamonadaceae | Bacteris oxidadors d’H2, proteobacteris | En perspectiva, aliment humà o altres animals | H2, CO2, O2, N2 | Startups: Air Protein (USA), Solar Foods (FI), Deep Branch (UK) | En R&D |
Arthrospira maxima, A. platensis | Abans “Spirulina”, bacteris: Cianobacteris (“microalgues”) | Suplement dietètic, aliment d’asteques i pobles del Txad | CO2, llum | BlueBio Tech (D), Cyanotech (Hawaii USA), FEBICO (Taiwan), Parry Nutraceuticals (India) | Possible contaminació amb toxines (microcistines) d’altres cianobacteris, i per metalls pesants |
Aphanizomenon flos-aquae(AFA) | Bacteris: Cianobacteris | Suplement dietètic, efectes positius a salut | CO2, llum | Blue Green Foods (USA), E3Live (USA), Klamath Valley (USA) | Algunes soques tòxiques |
Chlorella | Microalgues verdes: Chlorophyta | Suplement dietètic | CO2, llum | TerraVia (USA), Roquette Klötze (D), FEBICO (Taiwan), BlueBioTech (D) | Producció costosa: aigua carbonatada. Paret cel·lular indigerible |
Saccharomyces cerevisiae | Fong unicel·lular (llevats), ascomicets | Extracte de llevat: suplement dietètic | Melasses, cereals hidrolitzats | Bega Cheese (AUS), Flint Hills Resources (USA) | Ocasional: migranyes per tiramina, digestions irregulars, intolerància en malalts de budell inflamat * |
Torula utilis | Cyberlindnera jadinii (sin. Candida utilis), llevats, ascomicets | Suplement saboritzant, alternativa a glutamat | Metanol, melasses | Phillips Petroleum Co (USA) fins 2002, Provesteen Process (USA) fins 1990 | Poca rendibilitat del procés |
Fusarium venenatum | Fong filamentós, ascomicets | “Micoproteïna”, paret rica en glucans (fibra), efectes positius a salut | Glucosa de midó, sals, N inorgànic | Marlow Foods Ltd “QuornTM” (UK), Atlastfood (USA), Nature’s Fynd (USA) i altres, en funcionament | Aparició ocasional de mutants amb miceli molt ramificat, que fan que calgui aturar el cultiu continu cada 6 setmanes. |
Paecilomyces varioti | Fong filamentós, ascomicets | Aliment d’animals | Sucres de residus lignocel·lulòsics | Papereres de Finlàndia “Pekilo”, anys 1970-1990 | No era rentable, ara volen revifar-ho: https://www.eniferbio.fi/product/ |
Veiem a la Taula 1 un resum dels principals productes que s’han desenvolupat, la majoria des dels anys 1970, quan amb les primeres crisis energètiques i ambientals es cercaren alternatives a la producció de proteïna càrnica, si bé la majoria d’aquests productes no han tingut gran desenvolupament industrial i/o comercial.
Com veiem, hi ha uns quants productes que són microalgues o cianobacteris, tots ells microorganismes fotosintètics, que són interessants pel seu baix cost de producció en necessitar només llum i una mica de CO2 i algunes sals. D’aquests cal destacar els coneguts com Spirulina o espirulina, que són cianobacteris i que ja han estat una font alimentària des del temps dels asteques i altres pobles d’Amèrica central, així com dels pobles del voltant del Txad. Avui dia s’utilitza com a suplement alimentari humà, en forma de pastilles o pólvores (Figura 5), i també s’empra com a suplement alimentari en l’aqüicultura i les indústries d’aviram. Un dels principals beneficis és l’alt contingut en vitamina B12. Tanmateix, cal controlar bé el producte ja que ocasionalment pot haver-hi contaminacions amb cianotoxines o la presència de pesticides i altres compostos tòxics, sobretot si es consumeix habitualment (Grosshagauer et al., 2020).

Figura 5. Suplements en pólvores i en pastilles a base de “Spirulina”, cianobacteris. Imatge treta de Iswari.com.
De bacteris, a banda dels cianobacteris, se n’han fet assajos amb molt diversos, com alguns Bacillus, Corynebacterium i Rhodopseudomonas, però a nivell industrial com a SCP els que més èxit han tingut són els metilòtrofs i/o metanòtrofs (Taula 1), que contenen molta proteïna (50-80% del pes sec), són rics en aminoàcids essencials com la metionina, i quantitats rellevants de lípids i vitamines. Ja als anys 1970 la britànica ICI desenvolupà el producte “Pruteen” amb Methylophilus methylotrophus a partir de metanol, i actualment Calysta Inc. (producte “FeedKind”) i altres empreses estan produint Methylococcus i altres metanòtrofs convertint el metà, excedent en granges, en proteïna bacteriana (Ritala et al. 2017).
El problema principal dels bacteris —i dels fongs— és el seu alt contingut en àcids nucleics, sobretot RNA, degut al seu ràpid creixement i síntesi de proteïnes, que requereix ràtios elevades de transcripció i traducció. Això no passa amb els fotosintètics (microalgues i cianobacteris) que creixen més lentament. La ingestió de purines derivades del RNA fa augmentar la concentració d’àcid úric en plasma, que pot provocar gota i pedres al ronyó. Per tant, cal eliminar en part aquests àcids nucleics durant el procés d’elaboració de SCP. El mètode més usual és la combinació de tractament tèrmic suau amb l’ús de ribonucleases (Ritala et al. 2017).
Un cas prometedor de bacteris són els quimiolitòtrofs oxidadors d’hidrogen que també són fixadors de nitrogen N2, com Azonexus i els Comamonadaceae. Es coneixen com “mastegadors d’aire” (air-munching microbes) (De Sousa 2021) perquè poden créixer només amb N2, O2, CO2 i H2 perquè oxiden l’hidrogen amb O2 i fixen el N2 atmosfèric (Figura 6). Però com que el H2 és quasi inexistent a l’atmosfera, cal proporcionar-lo, obtenint-lo per hidròlisi de l’aigua amb energies verdes. L’avantatge principal de que són fixadors de N2 és l’estalvi d’amoni, la producció del qual requereix molta energia, a banda del rendiment en proteïna (Hu et al., 2020)

Figura 6. Esquema del metabolisme dels bacteris oxidadors d’hidrogen fixadors de nitrogen. Tret de Hu et al. (2020).
Els fongs i llevats dominen el mercat mundial de SCP per al consum humà, ja que els llevats sobretot tenen una llarga història d’acceptació, sobretot en forma d’extractes. Lògicament, la majoria de llevats comercialitzats com a SCP ho són de Saccharomyces cerevisiae, però també n’hi ha de Torula utilis, Candida i Kluyveromyces. Els llevats i altres fongs també tenen l’inconvenient del contingut en àcids nucleics (un 10%), menor que als bacteris, però que també requereix del processat per reduir-los.
El fong micelial més utilitzat com a SCP és sens dubte Fusarium venenatum, sobretot comercialitzat amb el nom de QuornTM per Marlow Foods Ltd. des de 1985. De fet, és l’únic producte SCP utilitzat exclusivament per a consum humà. Com altres fongs, a banda de l’elevat contingut de proteïna (micoproteïna), és una bona font d’aminoàcids essencials, vitamines i sobretot glucans, que contribueixen a l’aportació de fibra a la dieta. És un ascomicet, considerat un microfong (Figura 7) per l’absència de cossos fructífers macroscòpics, com també ho són Penicillium, Aspergillus i molts altres fongs filamentosos no bolets.

Figura 7. Micrografia electrònica (350 x) del miceli del fong Fusarium venenatum a la superfície del producte Quorn. Imatge treta de Ugalde & Castrillo (2002).
La producció de F. venenatum es fa en bioreactors continus amb aeració en un medi aquós amb glucosa obtinguda per hidròlisi del midó, una font de N, vitamines i minerals. El miceli resultant s’extreu (Figura 8) i es fa el tractament per eliminar el RNA, i s’asseca.

Figura 8. Traginant una capa de miceli de Fusarium. Foto de MyForest Foods Co, treta de Dietrich (2022).
Els productes amb micoproteïna com Quorn en concret estan pensats sobretot com a succedani de la carn, i es venen sobretot en forma de plats preparats, amb una varietat enorme de gustos i textures (Figura 9), lògicament afegint additius. Com a curiositat, vegeu el web publicitari de Quorn (www.quorn.co.uk), amb profusió de receptes i suggeriments. La majoria dels productes contenen albúmina d’ou a més del fong, que actua com a lligant. Les formulacions veganes substitueixen l’ou per patata.

Figura 9. Exemples de productes fets amb F. venenatum: pseudosalsitxes Quorn i crema de formatge no lacti de Nature’s Fynd. Imatges respectives de quorn.co.uk i de Dietrich 2022.
L’interès en la SCP és cada cop més gran, i la recerca i desenvolupament relacionades està augmentant molt, sobretot a la Xina, on des del 2001 s’han registrat el 70% de patents mundials de SCP, sovint relacionades amb l’aprofitament de residus agrícoles com el metà (Ritala et al. 2017).
En qualsevol cas, cal contemplar la proteïna microbiana com un més dels elements a tenir en compte, a més dels altres comentats, en la necessària transformació necessària del sistema agroalimentari, combinant-lo amb la reducció dels residus alimentaris, l’incentiu de menjar més saludable, i la comercialització de productes amb menor impacte ambiental que els actuals (Carrington 2022).
———-
BIBLIOGRAFIA
Berkheiser K (2019) Four potential side effects of nutritional yeast. Nutrition, Healthline, 8 aug 2019.
Carrington D (2022) Swapping 20% of beef for microbial protein “could halve deforestation” The Guardian News website, Food, 4 May 2022.
Bingham L (2020) Cultured meat: better than the real thing ? Foodunfolded, 10 march 2020.
De Sousa A (2021) How air-munching microbes could grow the fake meat of the future. Bloomberg Europe edition website, 11 October 2021.
Dietrich T (2022) Microbes and mushrooms -the future of Earth-friendly food. National Science Foundation website, 20 January 2022.
Godwin R (2021) If we want to save the planet, the future of food is insects. The Guardian News website, The Observer Food, 8 May 2021.
Grosshagauer S, Kraemer K, Somoza V (2020) The true value of Spirulina. J Agric Food Chem 68:4109.
Hidrofílic (2017) Petjada hídrica. Aigües.net, 13/01/2017.
Hooper R (2022) Farming is the most destructive human activity ever (Interview with George Monbiot). New Scientist website, 19 May 2022.
Hu X, Kerckhof FM, Ghesquière J, Bernaerts K, Boeckx P, Clauwaert P, Boon N (2020) Microbial Protein out of Thin Air: Fixation of Nitrogen Gas by an Autotrophic Hydrogen-Oxidizing Bacterial Enrichment. Environ Sci Tech 54:3609
Humpenöder, F., Bodirsky, B.L., Weindl, I. et al. (2022) Projected environmental benefits of replacing beef with microbial protein. Nature 605, 90–96.
Junaid F, Khawaja LA, Sikander A (2020) Single cell protein as a potential meat substitute: a critical review. World J Pharmac Res 9:141.
Kadim IT, Mahgoub O, Baqir S, Faye B, Purchas R (2015) Cultured meat from muscle stem cells: a review of challenges and prospects. J Integr Agric 14, 222–233.
Lange KW, Nakamura Y (2021) Edible insects as future food: chances and challenges. J Future Foods, 1, 38-46
Mekonnen MM, Hoekstra AY (2010) The green blue and grey water footprint of farm animals and animal products. Value of Water Research Report Series n. 48, UNESCO-IHE
Petrusán JI, Rawel H, Huschek G (2016) Protein-rich vegetal sources and trends in human nutrition: A review. Curr Topics Pept Prot Res 17, 1-19
Poore J, Nemecek T (2018) Reducing food’s environmental impacts through producers and consumers. Science 360, 987–992
Quorn: https://www.quorn.co.uk
Ritala A, Häkkinen ST, Toivari M, Wiebe MG (2017) Single cell protein —State-of-the-Art, Industrial landscape and Patents 2001-2016. Front Microbiol 8, 2009
Ugalde UO, Castrillo JL (2002) Single cell proteins from fungi and yeasts. Appl Mycol Biotech 2:123
Velsid (2022) Producción de filetes de pescado a partir de la técnica para cultivar organoides. Gastronomía y Cía, República. 8 set 2022
Bacteris que “mengen” plàstic
27 novembre 2018
Click here for the English version: Plastic-eating bacteria
Oceans de plàstic
Els humans estem destrossant el planeta Terra. A banda del canvi climàtic (que encara hi han ignorants que no s’ho creuen), l’exhauriment dels recursos naturals i l’extinció massiva d’espècies animals i vegetals, un dels efectes més “vistosos” és el cobriment del planeta amb deixalles. Com que el 71% de la superfície és marina, la majoria dels residus que no es degraden acaben al mar, i com sabeu, als oceans ja hi ha grans extensions cobertes de residus surants, sobretot plàstics, anomenades “illes de plàstic” (Figura 1). En el cas de la zona centre nord del Pacífic, on conflueixen diferents corrents marines, la “illa” arriba a fer 1500 km de radi, i amb plàstics fins a 200 m de fondària, i segueix creixent. Podeu llegir-ne més, i sobre les conseqüències ambientals, a l’article Sopa de plàstic del Pacífic de la Wikipedia.
Figura 1. Petita part de la illa de plàstic del Pacífic nord (Tret de oceanandreserveconservationalliance.com)
Els plàstics PET
Encara que hi molts tipus de plàstics, un dels més utilitzats i més abundant a les deixalles i a les “illes de plàstic” és el politereftalat d’etilè (o polietilè terfetalat), conegut com a PETo PETE (Figura 2). És un tipus de polímer termoplàstic, vulgarment plàstic, que pertany als denominats polièsters, i s’obté per síntesi a partir del petroli. És innocu, molt resistent i lleuger i té múltiples aplicacions (Figura 3). Només d’ampolles de PET per a begudes refrescants es calcula que se’n venen al món 1 milió per minut. És un material reciclable (vegeu Pet bottle recycling a Wikipedia) però molt resistent a la biodegradació. A la natura pot durar alguns centenars d’anys.
Figura 2. El PET, politereftalat d’etilè.
Figura 3. Les múltiples aplicacions del PET (Tret de http://www.technologystudent.com).
El bacteri Ideonella sakaiensis es “menja” el PET
I. sakaiensis (Figura 4) és un bacteri en forma de bacil, gram-negatiu no esporulat aeròbic heteròtrof, mòbil amb un flagel, i catalasa (+) i oxidasa (+) (Tanasupawat et al 2016). Creix a pHs neutres i és mesòfil, amb òptim a 30-37ºC. Pertany al grup filogenètic dels betaproteobacteris, que inclou entre molts altres als coneguts Neisseria (gonorrea i meningitis) i el nitrificant Nitrosomonas.
Figura 4. Ideonella sakaiensis, imatge al microscopi electrònic de rastreig en fals color (Treta de Yoshida et al 2016).
La soca201-F6, la primera de la nova espècie I. sakaiensis, fou aïllada d’un abocador i identificada el 2016 per un grup japonès de l’Institut de Tecnologia de Kyoto que cercaven bacteris que utilitzessin el plàstic com a font de carboni, a partir de mostres de restes d’ampolles de PET (Yoshida et al 2016). Van veure que aquest bacteri s’adhereix a un film de PET de baix grau i el pot degradar, mitjançant dos enzims que van caracteritzar: una PETasa i una MHETasa, que acaben donant com a productes àcid tereftàlic i etilenglicol (Figura 5), que són substàncies ambientals benignes i que el bacteri pot metabolitzar. Una colònia de I. sakaiensis va degradar del tot una ampolla de PET de baix grau en 6 setmanes. Els productes PET d’alt grau requereixen ser escalfats per afeblir-los abans que el bacteri pugui degradar-los. Aquest és el primer bacteri trobat com a degradador de PET, i l’utilitza com a única font de carboni i d’energia. Donat que el PET només existeix des de fa 70 anys, aquest bacteri hauria d’haver evolucionat en aquest breu període fins arribar a poder-lo degradar en poques setmanes, enlloc dels centenars d’anys a la natura (Sampedro 2016).
Figura 5. Ruta metabòlica prevista de la degradació de PET per I. sakaiensis: la PETasa extracel·lular hidrolitza el PET donant monohidroxietil tereftàlic (MHET) i l’àcid tereftàlic (TPA). La MHETasa hidrolitza el MHET a TPA i etilenglicol (EG). El TPA és incorporat mitjançant un transportador de TPA (TPATP) i és catabolitzat a ciclohexadiè i aquest a protocatecuïc (PCA) per la DCDDH. Finalment, l’anell del PCA és tallat per una PCA 3,4 dioxigenasa amb oxigen, com és conegut a la degradació dels compostos fenòlics i altres xenobiòtics. Els n. entre parèntesis són els ORF dels gens corresponents (Tret de Yoshida et al 2016).
Només es coneixien prèviament alguns microfongs tropicals (Fusarium solani) degradadors del PET, que també excreten esterases. En aquest cas, aquests Fusarium serien utilitzats per modificar el teixit de polièster, per aconseguir teixits més hidrofílics i més fàcils de treballar (Nimchua et al 2008). Cal recordar l’assemblança estructural dels teixits de PET, roba de fibra sintètica (Figura 3), als de fibra natural com el cotó, ja que aquests contenen cutina, que és un polièster de les parts externes de les plantes. Per tant, els enzims de Fusarium o Ideonella deuen ser relativament semblants als que ja hi eren a la natura molt abans d’inventar-se els plàstics.
Recent millora genètica de l’enzim PETasa de Ideonella sakaiensis
Per tal d’entendre millor el funcionament i l’especificitat de la PETasa, recentment un grup d’investigadors nord-americans i britànics han caracteritzat l’estructura de la PETasa (Austin et al 2018), sobretot per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució, comparant-la amb una cutinasa homòloga, obtinguda de l’actinobacteri Thermobifida fusca. Les principals diferències entre les dues han estat una major polarització en la superfície de la PETasa (pI 9.6) que en la cutinasa (pI 6.3), i per altra banda, com veiem (Figura 6), una amplada més gran de la fissura del lloc actiu en el cas de la PETasa de I. sakaiensis. Això podria ser per acomodar-hi més fàcilment els polièsters aromàtics com el PET.
Figura 6. Estructures comparades (esquerra) de la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de l’actinobacteri Thermobifida fusca (baix), obtingudes per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució (0.92 Å). La fissura del lloc actiu està senyalada amb un cercle puntejat vermell. Detalls (dreta) del lloc actiu amb diferents amplades de la fissura a la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de T. fusca (baix) (Tret de Austin et al 2018).
Amb la hipòtesi que l’estructura d’aquest lloc actiu de la PETasa hauria resultat de l’evolució d’una semblant a la cutinasa en un ambient amb PET, Austin et al (2018) van procedir a fer mutacions en el lloc actiu de la PETasa per fer-lo més semblant al de la cutinasa i van obtenir un doble mutant S238F/W159H que teòricament faria més estreta l’entrada del lloc actiu (Figura 6). Però la seva sorpresa va ser majúscula quan van veure que el mutant degradava millor el PET (una millora del 20%), amb una erosió del film de PET (Figura 7 C) encara més gran que la PETasa original (Figura 7 B). Van veure que l’explicació era que els canvis de residus (aminoàcids) del mutant afavorien l’encaix del PET al lloc actiu, malgrat fer-ne la fissura més estreta (Austin et al 2018).
Figura 7. Imatges de microscòpia electrònica de rastreig d’un retall de PET sense microorganismes (A), amb incubació 96 h de la PETasa de la soca I. sakaiensis 201-F6 (B) i de la PETasa del doble mutant S238F/W159H (C) (Tret de Austin et al 2018).
A més, aquests autors han vist que aquesta PETasa degrada també altres polièsters semiaromàtics semblants, com el poletilè-2,5-furandicarboxilat (PEF), i per tant aquest enzim pot ser considerat una poliesterasa aromàtica, però no degrada els alifàtics.
La conclusió del seu treball és que l’enginyeria de proteïnes és factible per millorar el rendiment de la PETasa i que cal seguir aprofundint en el coneixement de les relacions entre estructura i activitat per a la biodegradació dels polièsters sintètics (Austin et al 2018).
Altres menja-plàstics ?
La descoberta de I. sakaiensis ha tingut molta importància per la possibilitat d’establir un procés de reciclat ràpid del PET, però no és el primer organisme que s’hagi trobat com a consumidor de plàstics. Per cert, veiem les fórmules dels principals plàstics derivats del petroli a la Figura 8.
Figura 8. Fórmules dels plàstics derivats del petroli més usuals: polietilè (PE), clorur de polivinil (PVC), polipropilè (PP), poliestirè (PS), politereftalat d’etilè (PET o PETE) i poliuretà (PU) (Tret de Shah et al 2008).
Doncs bé, repassant la bibliografia, veiem que s’han descrit força casos de microorganismes degradadors de plàstics (Shah et al 2008), sobretot de polietilè, poliuretà i PVC: diversos Pseudomonas, Rhodococcus i Comamonas entre els bacteris, i alguns Penicillium, Fusarium i Aspergillus entre els fongs.
Entre els degradadors de poliuretà destaquen els fongs (Howard 2002), i sobretot l’endòfit de plantes Pestalotiopsis microspora, que pot consumir poliuretà com a única font de carboni (Russell et al 2011).
D’altra banda, és força coneguda la capacitat dels cucs o larves dels escarabats de la farina, els Tenebrio molitor, per mastegar i degradar l’espuma de poliestirè (Yang et al 2015). Alimentades només amb el PS, aquestes larves el degraden completament en uns temps relativament curts. La degradació del PS, com era d’esperar, la fan els bacteris intestinals de l’animal (Figura 9), com s’ha demostrat en aturar-se la degradació quan s’administra antibiòtic a la larva (Yang et al 2015). Un dels bacteris aïllats que s’ha demostrat degradador del PS és Exiguobacterium, un bacil·lal, però no és l’únic. De fet, en fer estudis de metagenòmica de l’intestí de les larves quan mengen PS, s’ha trobat una gran varietat de bacteris, i que aquests varien en funció del plàstic, ja que també s’ha vist la degradació de polietilè. Alguns dels bacteris amb DNA trobat com a predominant serien els enterobacteris Citrobacter i Kosakonia. Sembla que la microbiota intestinal de Tenebrio es modifica i adapta als diferents plàstics ingerits (Brandon et al 2018).
Figura 9. Biodegradació del poliestirè pels bacteris intestinals de Tenebrio, el cuc de la farina (Yang et al 2015).
Per acabar, com veiem la biodegradació microbiana de plàstics en principi no biodegradables o recalcitrants no ens hauria d’estranyar, ja que per un costat, hi ha “plàstics” naturals com el polihidroxibutirat o l’àcid polilàctic que són fàcilment degradables (Shah et al 2008), i d’altra banda la capacitat adaptativa dels microorganismes per poder arribar a trencar els enllaços químics més recalcitrants és molt gran. Els microbis evolucionen ràpidament, i adquireixen estratègies millors per poder trencar els plàstics fets pels humans (Patel 2018). Ho hem vist en aquest cas de la degradació del PET, que en menys de 70 anys que fa que existeix, alguns microbis ja han trobat la manera d’aprofitar-lo.
El problema segueix sent que estem generant massa quantitat de residus plàstics en molt poc temps i els microorganismes no han tingut temps encara per poder degradar-los. És evident que haurem d’ajudar als nostres companys microbis, no generant més polímers tan poc degradables, i reciclant-los i degradant-los, entre altres maneres, utilitzant aquests mateixos microbis degradadors.
Bibliografia
Austin HP et al (2018) Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Nat Acad Sci 115, 19, E4350-E4357
Brandon AM et al (2018) Biodegradation of Polyethylene and Plastic Mixtures in Mealworms (Larvae of Tenebrio molitor) and Effects on the Gut Microbiome.Environ Sci Technol 52, 6526-6533
Griggs MB (2017 april 24) These caterpillars chow down on plastic bags. Popular Science. http://www.popsci.com
Howard GT (2002) Biodegradation of polyurethane: a review. Int Biodeterior Biodegrad 42, 213-220
https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Pacific_garbage_patch
https://en.wikipedia.org/wiki/PET_bottle_recycling
https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate
Patel NV (2018 april 17) Scientists stumbled upon a plastic-eating bacterium – then accidentally made it stronger. Popular Science. http://www.popsci.com
Russell JR et al (2011) Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol 77, 17, 6076-6084
Sampedro J (2016 marzo 10) Descubierta una bacteria capaz de comerse un plástico muy común. El País
Shah AA et al (2008) Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol Adv 26, 246-265
Tanasupawat et al (2016) Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephtalate). Int J Syst Evol Microbiol 66, 2813-2818
Yang et al (2015) Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. Role of gut microorganisms. Environ Sci Technol 49, 12087-12093
Yoshida et al (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351,1196–1199
Els bacteris troposfèrics de la pluja i la neu
Click here for the english version: The tropospheric bacteria of rain and snow
28 juliol 2013
Cada cop hi ha més proves científiques que els bacteris que es troben a l’alta troposfera (8-15 km) podrien influir en la densitat dels núvols i la pluja.
Bé, primer cal recordar que la troposfera és la part baixa de l’atmosfera, i els 8-15 km són l’alta troposfera, ja quasi a la tropopausa que limita amb l’estratosfera, per damunt l’Everest i per on volen més alt els avions. És aquí on són alguns dels núvols més alts.
Les capes de l’atmosfera terrestre (www.theozonehole.com/atmosphere)
Doncs en un estudi recent (DeLeón-Rodríguez et al, 2013) s’ha vist que els bacteris viables (per PCR quantitativa i microscòpia d’epifluorescència) a uns 10 km d’alçada (mostres preses damunt el mar Carib i l’Atlàntic occidental) representen un 20% de les partícules totals de mides entre 0,25 i 1 mm, i que són almenys 10 cops més abundants que els fongs, amb uns nombres de 105 per m3, amb un 60% de viables. Això suggereix que els bacteris són una fracció important i subestimada de les micropartícules dels aerosols atmosfèrics, fins i tot en majors concentracions que a menors alçades. Els autors han analitzat els bacteris presents per piroseqüenciació (Roche 454) dels gens rRNA. Han vist que el microbioma troposfèric té una bona varietat de taxons bacterians i que varien dinàmicament segons les turbulències atmosfèriques i en presència d’huracans. Alguns dels bacteris trobats més abundants són els que utilitzen compostos C1-C4 (l’oxàlic per ex.) presents a l’atmosfera, per tant aquests bacteris són metabòlicament actius a aquestes alçades. Això reforça la idea del paper actiu dels bacteris a la troposfera, i que no són tan sols espores (fúngiques) inerts surant per l’aire.
En aquest sentit, aquest anàlisi metagenòmic també confirma la presència dels bacteris que tenen capacitat de catalitzar la formació de cristalls de gel i per tant la condensació dels núvols. Aquest procés de nucleació (ice nucleation, IN) té lloc quan les molècules d’aigua presenten coalescència al voltant d’una partícula llavor, per exemple de pols. En funció de la temperatura, aquests complexos poden créixer fins esdevenir gotes d’aigua o de gel, que porten a la formació de la pluja o la neu. Tenint en compte que a l’alta troposfera les partícules de pols són escasses, es fa evident el paper rellevant dels bacteris en aquest fenomen.
Un dels papers clau en la nucleació de gel (IN) per part dels bacteris és que catalitzen la formació de gel a temperatures properes a 0ºC, a diferència de la formació de nuclis de gel per part de les partícules inorgàniques, que ho fa a temperatures més baixes, per sota de -10ºC, i sense cap partícula que faci de nucli l’aigua ultra-pura es congela a -40ºC.
La nucleació de gel pels bacteris s’ha reproduït al laboratori (Christner et al, 2008) amb mostres de pluja i de neu de diferents llocs del món (Canadà, USA, Pirineus, Alps i Antàrtida), demostrant que a les mostres tractades amb lisozima (que hidrolitza la paret cel·lular bacteriana) o tractades amb calor, es reduïa quasi al 100% l’activitat de IN a una temperatura de -5ºC. Per tant, els bacteris són els responsables de la IN a aquestes temperatures relativament altes.
Els bacteris més freqüentment associats amb l’activitat IN són espècies associades a plantes com Pseudomonas syringae o Xanthomonas campestris, que a més sovint han estat detectats als aerosols atmosfèrics i als núvols. També s’han trobat P. syringae dins les pedres de gel de les pedregades.
Pseudomonas syringae (www.forestry.gov.uk)
El fenomen de la IN per P. syringae ja fou observat el 1974 (Maki et al) i després s’ha demostrat (Gurian-Sherman & Lindow 1993) que les soques IN d’aquesta i altres espècies tenen a la membrana externa de la paret cel·lular, com a element actiu IN, una proteïna d’uns 180 kDa, composta de repeticions d’un octapèptid consens. Aquesta proteïna forma una disposició planar que atrapa molècules d’aigua produint un motlle per a la formació de gel.
Aquesta característica fa que aquests bacteris siguin els principals responsables dels danys per glaçades en les plantes, a banda que P. syringae és patogen de moltes plantes a temperatura ambient, per la producció d’un compost (coronatina) que fa mantenir els estomes oberts, provocant la invasió bacteriana dels teixits vegetals (Nigel Chaffey, 2012).
Fulla de tomaquera infectada per Pseudomonas syringae (Alan Collmer, Cornell University/Wikimedia Commons)
Tornant al mal de les glaçades, la majoria de plantes poden aguantar fins a -5ºC sense gaire danys si no hi ha aquests bacteris, però la presència de bacteris formadors de proteïna IN com P. syringae, en nombres només de 1000 per g de vegetal, fa augmentar dràsticament els danys per congelació. Aquests danys també faciliten la penetració i infecció dels bacteris.
Planta glaçada (MO Plants & Maureen Gilmer)
Aquesta característica de nucleació de gel de P. syringae també és aprofitada per a la producció de neu artificial. Encara que aquesta es pot fabricar normalment només per l’expansió forçada de barreja d’aigua i aire pressuritzats en condicions adequades d’humitat i temperatura (per ex. ≤ 2ºC a 20% humitat, o ≤ -2ºC a 60%), la producció s’afavoreix amb l’addició d’agents de nucleació, que poden ser inorgànics, orgànics o la proteïna bacteriana esmentada.
Canons de neu (www.siemens.com)
Tornant als núvols, cal recordar que els bacteris no són ni molt menys els únics agents de la nucleació que donen lloc a la condensació de les gotes que donen lloc a la pluja o la neu. Els nuclis de condensació de núvols (Cloud Condensation Nuclei, CCN), o anomenats llavors de núvols poden ser molt diversos tipus de micropartícules, de mides al voltant de 0,1 – 1 mm. En condensar-se aquest aerosol de micropartícules forma gotes als núvols de 0,02 mm, que en caure donen gotes de pluja de 2 mm.
Les micropartícules són sobretot d’origen natural com la pols, sal marina, sulfats d’origen volcànic, o micropartícules orgàniques resultat de l’oxidació de compostos volàtils. Alguns d’aquests poden ser d’origen industrial, així com el sutge o altres partícules resultat de la combustió. Un altre origen biològic important dels CCN són els aerosols de sulfats i metanosulfat produïts a partir del dimetilsulfur produït pel fitoplàncton dels oceans.
En qualsevol cas, i malgrat que la microbiologia atmosfèrica encara està a les beceroles, com hem vist cada cop hi ha més dades sobre la importància dels bacteris i altres microorganismes sobre la bioprecipitació de pluja i neu. Per conéixer millor el seu paper, cal anar més enllà de la descripció de l’abundància de microorganismes en l’atmosfera, i més cap a la comprensió de les propietats biològiques i fisicoquímiques dels processos de transport implicats. Això requerirà un enfoc interdisciplinari de disciplines tan aparentment diferents com l’oceanografia, la genètica bacteriana i la física de l’atmosfera, per exemple.
Imaginant-nos els bacteris (Pseudomonas syringae, foto: microbewiki.kenyon.edu) al mig dels núvols amenaçadors (foto: lanroca.wordpress.com)
Bibliografia
Chaffey N. (2012) COR, nice one, Mr Microbe !. AoB Blog.
Christner B. et al. (2008) Geographic, seasonal, and precipitation chemistry influence on the abundance and activity of biological ice nucleators in rain and snow. PNAS 105, 48, 18854-18859.
DeLeón-Rodríguez N. et al. (2013) Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. PNAS 110, 7, 2575-2580.
Gurian-Sherman D. & S.E. Lindow (1993) Bacterial ice nucleation: significance and molecular basis. FASEB J. 7, 14, 1338-1343.
Hardy J. (2008) The rain-making bacteria. Micro-Bytes.
http://microbialmodus.wordpress.com/tag/ice-nucleating-bacteria/
https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_condensation_nuclei
https://en.wikipedia.org/wiki/Snowmaking
Maki L.R. et al. (1974) Ice nucleation induced by Pseudomonas syringae. App!. Microbiol. 28, 456-460.
Morris C.E. et al. (2011) Microbiology and atmospheric processes: research challenges concerning the impact of airborne micro-organisms on the atmosphere and climate, Biogeosciences 8, 17-25