Juan Manuel Zurita Artaloitia y Nallely Magaña Montiel
Juan Manuel Zurita Artaloitia es estudiante del programa de posgrado en Ciencias Bioquímicas de la UNAM. Actualmente realiza su proyecto de investigación de maestría: “Enfoque bioinformático y experimental para evaluar la expresión de enzimas relacionadas a la degradación del tereftalato de polietileno” en el Laboratorio de Biotecnología Marina del IBt-UNAM. Nallely Magaña Montiel es estudiante del programa de posgrado en Ciencias Bioquímicas de la UNAM. Actualmente realiza su proyecto de investigación de doctorado: “Bacterias del golfo de México con potencial para degradar plásticos y su posible aprovechamiento en biorremediación” en el Laboratorio de Biotecnología Marina del Instituto de Biotecnología (IBt) de la UNAM.
Los microplásticos se generan debido a la degradación que sufre el plástico en el ambiente, por la acción de los rayos solares y a su desgaste y fragmentación (figura 1), creando diminutas partículas que miden entre una micra (mil veces menor a un milímetro) y cinco milímetros; de manera que cualquier cosa plástica que mida entre el tamaño de una bacteria hasta un grano de arroz, es un microplástico. Nos hemos dado cuenta de que los microplásticos están por todos lados: en el agua incluyendo lagos, ríos y mares, incluso en la lluvia [1], y aún no tenemos una medida realista de cuántos residuos de plástico puede haber en el agua potable que bebemos. También los encontramos en el suelo, y hasta en el aire, lo que hace que los microplásticos sean absorbidos por los seres vivos a través de la respiración y la ingesta de agua y comida. Desafortunadamente, sabemos que los microplásticos pueden ser dañinos para la salud de los animales, plantas y microorganismos, pero aún no conocemos la magnitud del daño que provocan, pero quedándonos claro que es mucho más grande de lo que hemos podido determinar.
¿De dónde vienen?
La Figura 1 nos muestra de dónde provienen los microplásticos, cómo llegan a los océanos y cuánto pueden afectar nuestras vidas.
Noten en la figura anterior, como el ambiente está invadido de partículas plásticas: glaciares de las montañas, nubes y por consiguiente lluvia, subsuelo y mantos acuíferos, ríos y de ahí hasta el fondo del mar. Esto proviene de actividades humanas (conocidas como actividades antropogénicas) con implicaciones graves en la salud de los ecosistemas y seres vivos, incluyéndonos.
Actualmente existe un gran esfuerzo a nivel mundial para reducir la contaminación por plásticos. Si lo analizamos a profundidad, veremos que varias de las metas globales del desarrollo sostenible (alcanzar un equilibrio social, económico y ambiental) que se tienen planteados para el 2030, tocan este ámbito. Algunos de esos objetivos [2] son:
- Mejorar la salud de las personas. Existen más de 16,000 sustancias químicas asociadas a los plásticos, muchas de ellas altamente toxicas, que pueden repercutir en la salud humana y en la de otros seres vivos.
- Mejorar la calidad del agua reduciendo la contaminación. Lograr un manejo adecuado de los productos químicos y de todos los desechos a lo largo de su ciclo de vida y reducir significativamente su liberación a la atmósfera, el agua y el suelo.
- Mejorar la salud de los océanos, ya que el plástico es el tipo de desecho marino más dañino que conocemos. Nuestros océanos son el soporte vital del planeta y regulan el sistema climático mundial, su salud está intrínsecamente ligada a nuestra propia salud como humanidad.
Los océanos por sí solos representan un enorme potencial científico sin explorar, y de los microplásticos y sus efectos aún sabemos muy poco. Es importante entonces, aumentar los conocimientos científicos sobre él y desarrollar nuestra capacidad para saber dónde terminan los más de 8 mil 300 millones de toneladas de plástico que se han fabricado hasta la fecha (desde que se inventaron estos materiales, en los años cincuenta del siglo pasado) y que llegan a los océanos del mundo, según la Organización Mundial de las Naciones Unidas y el grupo de Roland Geyer y colaboradores [3]. Se trata de una cantidad exorbitante. Imaginen que en el mundo se hayan construido hasta ahora 332 mil torres latinoamericanas (una torre emblemática que se encuentra en el centro de la Ciudad de México) o bien, a más de mil millones de elefantes, tan solo para poder concebir semejante cantidad de basura plástica en nuestro planeta. En nuestro planeta se estima que sólo existen 217 mil elefantes.
¡Recórcholis! ¿Cómo podemos resolver esto?
Afortunadamente, la ciencia y la tecnología nos dan las herramientas para resolverlo. Para eso, tenemos que invertir en la exploración marina, inventar, diseñar y aplicar instrumentos para vigilar su presencia y sus efectos en el océano, desarrollar la capacidad de investigación y de transferencia tecnología, con el objetivo de mejorar nuestras posibilidades de detectar la presencia de microplásticos; incluso en los lugares más recónditos, como la fosa abisal Sigsbee, que es la más profunda del golfo de México, y que es donde inicia nuestra historia sobre este viaje: la detección y análisis de microplásticos en el fondo marino con la ayuda de un nuevo microscopio de fluorescencia.
En el caso del golfo de México, como en muchos cuerpos de agua, se han encontrado microplásticos tanto en zonas costeras como en las profundidades. Sin embargo, la presencia de microplásticos en las zonas profundas del golfo de México no está bien documentada. Esto puede deberse a que la mayoría de los estudios se han centrado en las zonas costeras y no en las profundidades. Según los Centros Nacionales de Información Ambiental de EUA (NOAA, por sus siglas en inglés), no hay registros de microplásticos en las áreas profundas del golfo.
Una de las razones por las cuales se dificulta la detección de microplásticos es lo costoso que son los equipos necesarios para su identificación, por lo que una tecnología que nos permita detectarlos a bajo costo contribuiría a aumentar las posibilidades de reportar, de forma rigurosa (por ejemplo, en revistas científicas internacionales), estos datos.
Por ello, nos hemos dado a la tarea de buscar la presencia de microplásticos, utilizando microscopía de fluorescencia. La fluorescencia es un tipo de luminiscencia que se da en sustancias que son capaces de absorber luz y emitir parte de esa energía como radiación a una longitud de onda diferente a la absorbida. Por ejemplo, algunas substancias se excitan con luz azul (longitud de onda corta) y liberan luz verde (longitud de onda más larga que la azul). Otras substancias se excitan con luz verde (longitud de onda corta) y emiten luz amarilla (longitud de onda más larga). Un microscopio de fluorescencia tiene una fuente de luz que emite la longitud de onda de excitación y un objetivo que tiene un filtro que sólo deja pasar la luz de emisión. Como cada substancia se excita y emite de manera diferente, es posible detectar e identificar distintas sustancias en función de cómo fluorescen.
Preparando el microscopio “todo terreno”
La meta consistió en llevar un nuevo microscopio de bajo costo (Educamacro), que podía ser adaptado para hacer mediciones de fluorescencia y que fue diseñado por el equipo de Educaciencia (ver artículo de Haydee Hernández y Christopher Wood, en este número de la revista) a bordo del buque oceanográfico Justo Sierra de la UNAM (BO/JS) y cuyos componentes se ilustran en la figura 3. Esto con el fin de poder probarlo en la identificación de partículas plásticas en muestras de agua y sedimento del fondo marino. Se trata de un microscopio de bajo costo, basado en el modelo de Niamh Burke y colaboradores [4], que es capaz de generar imágenes, tanto de luz reflejada, como de fluorescencia, con un diseño sencillo sobre una impresora 3D de bajo costo que escanea automáticamente las muestras colocadas sobre una plataforma, adaptado con una lámpara de luz LED y un módulo óptico al cual se pueden colocar filtros de emisión para poder detectar la luz que emiten los microplásticos a diferentes longitudes de onda (ver figura 3).
Nuestro trabajo comenzó mucho antes de nuestro viaje en el océano. En tierra, dentro del Laboratorio de Biotecnología Marina del Instituto de Biotecnología de la UNAM, bajo la dirección de la Dra. Liliana Pardo comenzamos a recolectar muestras de plástico de cualquier sitio que se puedan imaginar: cortamos trozos de tela, hurgamos en los contenedores de desechos, nos tomamos una botella de agua para triturarla, recolectamos pedazos de bolsas, serruchamos tubos de PVC, rallamos tapitas de colores. Todo para poder tener nuestra colección de materiales plásticos de referencia para caracterizar la fluorescencia de distintas muestras de plásticos en el microscopio. El objetivo fue obtener al menos una muestra de cada uno de los seis plásticos más producidos (polietileno: PE, poliuretano: PU, polipropileno: PP, poliestireno: PS, tereftalato de polietileno: PET y policloruro de vinilo: PVC), ya que son los más probables de encontrar.
Se tomaron fotografías de estas muestras utilizando el microscopio con luz blanca y luz verde. Además, tenemos filtros de emisión (ver figura 3B) que pueden colocarse con el módulo óptico para observar las muestras de diferentes maneras. Después de probar varios filtros, se observó que el filtro amarillo siempre daba los mejores resultados con ambas luces, por lo que se utilizó para tomar las fotografías de las muestras de plásticos en el laboratorio (figura 4).
Estas pruebas fueron realizadas con el fin de comparar las imágenes de diferentes plásticos que colectamos y que utilizamos como referencia en el laboratorio, contra las que capturaríamos en el mar. Aún estamos en la etapa de retroalimentación y mejora de la técnica, que ahora incluye registrar y adaptar lo que realizamos en el mar. Por ejemplo, tenemos que reducir el tamaño de partículas de los plásticos de referencia. Aunque hacemos nuestros mejores esfuerzos para triturar y romperlos, aun así, los tamaños son demasiado grandes para nuestro objetivo. Falta reducirlos más para hacerlos comparables con los tamaños de los microplásticos que no se observan a simple vista.
En las imágenes de la figura 4, se muestran los resultados que hemos obtenido. Se puede observar las diferentes muestras observadas con filtros de luces blanca y verde. Lo que sigue es corroborar el fenómeno de fluorescencia con filtros de excitación (la luz que el objeto absorbe) y emisión (la luz que el objeto refleja), pero ya optimizados. También es posible utilizar algunos colorantes, como el rojo de Nilo, el cual se pega a los plásticos y fluoresce ante ciertos filtros específicos. Ambas mejoras serán trabajadas en el laboratorio e implementadas previo y durante la siguiente campaña.
Viaje al centro del golfo: probando el microscopio
Una vez que empacamos cuidadosamente el microscopio, el resto de los equipos y materiales de trabajo, emprendimos nuestro viaje en carretera para llegar a la base de operaciones del Justo Sierra del golfo de México, en Tuxpan, Veracruz. Descargamos todo el equipo en el barco y lo llevamos al laboratorio de biología destinado para nuestro trabajo dentro del buque. Aprovechando el tiempo de viaje marítimo hacia la fosa abisal Sigsbee (24 horas desde Tuxpan) procedimos al montaje y verificación del correcto funcionamiento del microscopio con la finalidad de estar listos para la toma y procesamiento de muestras, y su posterior observación bajo la lente.
Por fin, llegamos a la primera estación de muestreo y lo primero que hicimos como tripulación científica fue mantener medidas de control para evitar contaminar nuestras muestras y obtener así información certera en nuestras investigaciones. El siguiente paso fue la aventura de salir a cubierta y obtener las muestras, las cuales fueron obtenidas con diferentes equipos:
a) Redes de tipo Bongo, (ver artículo de Libertad Adaya y colaboradores, en este número de la revista) que durante media hora y a una velocidad de un nudo (1.85 km/h) atraparon todas las pequeñas partículas (incluyendo los plásticos) que se encuentran suspendidas en el agua superficial del océano. Una vez que recuperamos las redes, colectamos y lavamos todo lo que fue atrapado en los pequeños contenedores llamados copos, para después tamizarlo a través de mallas que nos permitieron retener y clasificar todas las partículas del tamaño de interés.
b) El multinucleador (ver artículo de Libertad Adaya y colaboradores, en este número de la revista), fue el equipo que descendió hasta 3,650 metros de profundidad para recuperar muestras del suelo del fondo marino. Para que te des una idea de la profundidad del océano, el edificio más alto del mundo está en Dubái, se llama Burj Khalifa y mide 828 metros de altura (figura 5). Cuando el multinucleador subió a la plataforma del buque, recuperamos cada cilindro (llamado núcleo) que contenía nuestra preciada muestra del fondo marino.
Nuestro valioso material fue colocado en cajas Petri de vidrio y llevado a la placa de exploración del microscopio. En el mar profundo, además de uno que otro microplástico, podemos encontrar algas, sargazo, pequeños peces y medusas; y todo aquello que -además de la sal- también contribuye al delicioso sabor de las gotas de mar: cianobacterias, zooplancton, gusanos, huevos de peces, larvas de cangrejo y una gran cantidad de otros organismos pequeños, lo cual, como veremos, vuelve todo un reto visualizar los microplásticos con el microscopio.
La instalación y manipulación del microscopio en altamar fue un todo un desafío, debido a que el movimiento de las olas constantemente desenfocaba la muestra. Aunque usamos una mesa que al moverse el barco compensaba el movimiento, tuvimos que ser veloces al tomar las fotografías, pero cuidadosos para no desajustar el campo de visión. También tuvimos que hacer uso de nuestra creatividad para visualizar las muestras de sedimentos del fondo del mar (figura 6), las cuales las esparcimos en una placa como si estuviéramos decorando un pastel.
El microscopio, al estar adaptado a una impresora 3D, es capaz de trasladar el lente a través de los ejes X y Y de manera automatizada, tomando fotos durante el recorrido. Algunas de las imágenes que tomamos se presentan en la figura 7.
En algunas de las fotografías visualizamos fibras y partículas de diferentes formas y colores, pero no podemos confirmar aún si se trata de microplásticos. Para esto, se pueden usar tinciones, o sea, colorantes que se pegan al plástico y lo hacen fluorescer bajo luz ultravioleta. También se observaron organismos, como la pata de un invertebrado y foraminíferos. Los foraminíferos son microorganismos que tienen un exterior que da la impresión de ser arena a simple vista, por lo que se les conoce como “arena viviente”.
El siguiente paso en la primera estación de muestreo sobre la fosa consiste en el lanzamiento del carrusel de botellas Niskin (ver artículo de Libertad Adaya y colaboradores, en este número de la revista) para recuperar muestras de agua de diferentes profundidades. Cada botella es de 10 litros, lo que nos da alrededor de 100 litros de agua por estación, que deben ser filtrados a través de membranas especiales para retener las partículas de menor tamaño. Las membranas tienen un tamaño de poro tan pequeño que filtrar esa cantidad de agua entre cada estación se vuelve un reto, que implicó utilizar dos sistemas de filtración y dos bombas de vacío. Todo este trabajo para recuperar la preciada membrana, que también llevamos bajo la lente del microscopio. La ventaja de esto en el mar es que no es necesario cargar kilogramos de sedimento de regreso a un laboratorio, sino que podemos llevar un microscopio compacto hacia el mar, permitiendo analizar en el sitio muchos sedimentos.
De regreso en el laboratorio
Cansados pero muy contentos, después de 5 días de navegación regresamos a tierra repletos de muestras para analizar en el laboratorio, mediante técnicas específicas para ver si existen microplásticos en esa zona recóndita. También nos trajimos mucho aprendizaje e ideas de cómo mejorar la técnica rápida de microscopía usada en el barco, y ya estamos planeando las estrategias para la siguiente expedición.
Referencias:
- “El día que descubrimos que llovía plástico” National Geographic. 12 de junio de 2020, disponible en: https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/dia-que-descubrimos-que-llovia-plastico_15618
- La agenda para el desarrollo sostenible. Programa de las Naciones Unidas. Disponible en: https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/development-agenda/
- Geyer R., Jamberck J. y Lavender K. (2017). Production, use, and fate of all plastics ever made. Sciences. Advances 3, e1700782. Este artículo científico nos explica como ha evolucionado el manejo de los plásticos en el mundo desde los años 50’s -en que se crearon-, hasta la actualidad; desde cuándo se han generado, cuántos se están acumulando en el ambiente, los que están siendo incinerados y la poca cantidad que se ha reciclado. También predice el futuro destino de los plásticos en el mundo: si continúa su mal manejo, para el año 2050 se habrán acumulado más de 12 mil millones de toneladas. DOI: 10.1126/sciadv.1700782
- Niamh B, Müller G, Saggiomo V, Hassett AR, Mutterer J, Ó Súilleabháin P, Zakharov D, Healy, Reynaud EG, Pickering M. (2024). EnderScope: a low-cost 3D printer-based scanning microscope for microplastic detection. Philosophical Transactions of the Royal Society A 382: 20230214. Este artículo científico trata sobre el microscopio “EnderScope”, su diseño y validación de funcionamiento para poder detectar microplásticos en una forma eficiente y económica; en el cual está basado el microscopio que nos fue facilitado por Educaciencia. DOI: 10.1098/rsta.2023.0214
Lecturas recomendadas:
- Brown, H. 2023. Microplastics in deep-sea stomachs: Study finds plastic eaten by fish and crustaceans increases with depth in the Gulf of Mexico. Restore Science Program. Oficina Nacional de Administración Oceánica y Atmosférica (NOAA). Esta reseña de un artículo científico narra la forma en que Ryan Bos, un doctor de Harvard, estudió cómo los organismos marinos, tales como los crustáceos, son afectados por la contaminación de microplásticos. Para esto, colectó 557 organismos de 35 especies diferentes. Encontró que 29% de los crustáceos y el 26% de los peces colectados contenían microplásticos en sus estómagos. https://restoreactscienceprogram.noaa.gov/miscellaneous/microplastics-in-deep-sea-stomachs-study-finds-plastic-eaten-by-fish-and-crustaceans-increases-with-depth-in-the-gulf-of-mexico.
Fuente: biotecmov.ibt.unam.mx