Aplicação de sistemas enzimáticos à degradação de corantes têxteis

Tese de doutoramento em Engenharia Têxtil.Os problemas ambientais associados à industria têxtil derivam, sobretudo, do uso de corantes orgânicos. Um grande numero destes compostos são recalcitrantes e apresentam caracter carcinogénico e mutagénico. A descoloração de corantes têxteis pode ser levada a cabo por enzimas que são na natureza produzidas por microorganismos. As enzimas oxidativas, nomeadamente as lacases provenientes de fungos de degradação branca, tem vindo a despertar particular atenção mas os estudos documentados dizem normalmente respeito a extractos brutos de fungos e não enzimas puras. Assim, atendendo à diversidade de enzimas produzidas e à especificidade destes processos, a investigação neste domínio tem-se confrontado com numerosas dificuldades, nomeadamente no esclarecimento das reacções envolvidas e na definição dos factores que as influenciam. Nesta dissertação, estudou-se a acção da lacase na descoloração de corantes têxteis. Usou-se, para isso, uma preparação comercial, o DeniLiteTM,usado na industria têxtil no acabamento de produtos tingidos com índigo, contendo para além da lacase, um mediador (ácido fenotiazina-10-propiónico) e um surfactante não iónico (de origem indeterminada). Foi ainda avaliada comparativamente a acção da lacase isolada desta preparação por um processo filtração por gel. A enzima isolada ainda que apresentando uma menor estabilidade térmica, comportou-se de maneira semelhante no que se refere aos perfis de pH e temperatura. Os corantes antraquinónicos representam uma importante classe de corantes têxteis. Atendendo às suas características químicas são difíceis de biodegradar. Escolheu-se o corante Remazol Brilliant Blue R, para representar este grupo de compostos nos estudos de degradação com lacase. A formulação comercial descolorou o corante em contraste com a lacase isolada que não revelou qualquer acção na remoção de cor. Esse facto determinou a necessidade de analisar o efeito do mediador e do detergente não iónico incluído na preparação comercial neste processo. Para isso, estudou-se comparativamente o efeito de três surfactantes não iónicos, Triton X-100, Brij 35 e Tween 20, em concentrações abaixo das respectivas concentrações mícelares críticas. Os resultados obtidos comprovam a não influência destes compostos na descoloração enzimática do corante. A adição do mediador foi determinante para que a descoloração do corante ocorresse. Dos mediadores estudados, promazina, ácido violúrico e N-hidroxibenzotriazole, o segundo foi o que se apresentou mais eficaz, permitindo a descoloração completa do Remazol Brilliant Blue R ao comprimento de onda de absorção máxima em apenas 20 minutos, cerca de duas vezes mais rápido que com o dobro da concentração de N-hidroxibenzotriazole em iguais condições experimentais. A promazina, apesar da semelhança química com o ácido fenotiazina-10-propiónico, não mediou o processo de descoloração do corante. Estudou-se o efeito da estrutura química de corantes azo na descoloração com a lacase. Para isso sintetizaram-se sete novos corantes disazo, todos eles com um grupo hidroxilo na posição para em relação à ligação azo, variando os substituintes no anel fenólico. Destes compostos, só os que eram solúveis em água, ou seja, os que continham grupos sulfónicos na molécula, é que são substratos da lacase. De entre os corantes soluveis, aqueles que incluíam grupos dadores de electrões no anel fenólico, do tipo metoxilo, eram descolorados pela lacase enquanto que no corante com substituínte carboxílico foi necessária a presença do ácido violúrico para que a descoloração ocorresse. O N-hidroxibenzotriazole não apresentou qualquer efeito na catálise enquanto o ácido violúrico acelerou as reacções de descoloração destes corantes. Os resultados deste estudo levou-nos a propor um mecanismo de biotransformação de corantes disazo com a formação de um corante mono azo e benzoquinona. A consciência da necessidade de explorar o efeito sinergético de várias enzimas para se obter a mineralização de corantes ou outros compostos resultantes da degradação destes, escolheram-se duas oxidases, a glucose-1-oxidase e a glucose-2-oxidase e analisou-se o seu efeito na catálise de diferentes compostos quinónicos. Foi interessante notar que as duas oxidases foram capazes de reduzir as quinonas ainda que a glucose-2-oxidase , tipicamente encontrada nos fungos de degradação branca, tenha sido mais eficaz. Os resultados foram discutidos no contexto da degradação oxido-redutora de corantes complexos poliaromáticos. o conjunto de resultados sugere que a natureza robusta da lacase e a sua disponibilidade podem tomar possíveis aplicações em escala alargada na descoloração de águas residuais têxteis.The deleterious environmental impact of the textile industry is largely due to the use of organic dyes. The vast majority of these dyes are recalcitrant and have the potential to form carcinogenic and mutagenic compounds. The decolorization of textile dyes can be catalysed by enzymes produced from microorganisms. Oxidative enzymes, namely laccases from white-rot fungi have been the subject of much work but the main thrust of this work has been done using crude fungal extracts, and much less has been done using purified laccases. Therefore, taking into consideration the diversity of enzymes produced and the specificity of such processes, research in this area has had to deal with numerous variables that include understanding the reactions involved and the factors that influence these reactions. In this dissertation, the effect of laccase on the decolorization of textile dyes was studied. To this effect, a commercial formulation called DeniLiteTM used in the textile industry finishing process for indigo-stained cloths, which contained laccase, a mediator and a non-ionic surfactant, were employed. Gel filtration chromatography of the preparation made it possible to study the effect of the laccase alone. The purified laccase showed slightly lower thermal stability than the commercial laccase preparation. The pH and temperature profiles of the two preparations were similar. Anthraquinone dyes represent an important class of textile dyes. However, their chemical properties make them difficult to degrade. Remazol Brilliant Blue R was selected as a representative of this class of dyes in studies on biodegradation with laccase. The commercial laccase formulation decolorized this dye whereas its laccase alone did not do soo. This prompted the need to study the effect of mediators and of nonionic detergents that were present in the commercial formulation. The effect of three non-ionic surfactants, Trition X-100, Brij 35 and Tween 20 were studied at concentrations below their critical micelle concentrations. The results indicated that these did not play a role in the decolorization processo. On the other hand, the addition of mediator was found to be critical for decolorization to occur. Among the potential mediators studied, namely, promazine, violuric acid and N-hydroxybenzotriazole, the second was found to be the most effective. Using violuric acid, complete decolorization was obtained after about 20 min. determined at the absorption maxima of the dye. Promazine, although chemically similar to phenothazine-l0-propionic acid present in the commercial formulation, was not a suitable mediator for the decolorization processo. The relationship between the chemical structures of several disazo dyes and their biodegradability by laccase was studied. To perform this study, seven novel disazo dyes were synthesized. Each had a hydroxyl group in the para position in relation to the azo bond, whereas other substituents on the phenolic ring varied. Among these compounds, only the four water soluble compounds, which had a sulfonic group, were suitable substrates for laccase. Those which had electron donating groups in the phenolic moiety, such as methoxy groups, were readily decolorized by laccase. The dye with a carboxylic substituent required the presence of the mediator violuric acid in order for decolorization to occur. N-hydroxybenzotriazole did not affect the laccase-catalyzed reaction, whereas in general violuric acid increased the velocity of the laccase-mediated decolorization of the dyes. The need to study the synergistic effect of various enzymes in order to obtain dye mineralization led to the study of two oxidases, namely, glucose l-oxidase and glucose 2-oxidase. A study was carried out using model quinones of different chemical composition. Interestingly, both of the oxidases were able to reduce the quinones, although glucose 2-oxidase, typically found in white-rot fungi, was more effective. These results are discussed within the context of the oxido-reductive degradation of complex polyaromatic dyes. Taken together, the results suggest that the robust nature of the laccase and its ready availability might make it suitable for larger scale applications in the decolorization of industrial textile wastewater