Biocarvão : um potencial suporte para imobilização de lacase e aplicação na biotransformação de acetaminofeno

Abstract

O biocarvão obtido a partir da pirólise de resíduos agrícolas é um material promissor para a imobilização de enzimas, devido ao seu baixo custo e grande disponibilidade, além da presença de grupos funcionais de superfície e porosidade que contribuem para os processos de imobilização. As enzimas lacase apresentam potencial para várias aplicações, entre elas, destaca-se a biotransformação de contaminantes presentes no meio ambiente, como os compostos farmacêuticos. A utilização de enzimas na forma imobilizada em suportes sólidos possibilita a sua reutilização diminuindo os custos operacionais, além de melhorar a sua estabilidade e atividade catalítica. Neste trabalho, a enzima lacase foi imobilizada em biocarvão obtido a partir de caroço de abacate e aplicada na remoção e biotransformação do fármaco acetaminofeno (ACT) em solução aquosa. Diferentes tratamentos foram realizados no biocarvão, obtendo diferentes materiais que foram avaliados como suporte para a imobilização de lacase. O primeiro tratamento foi com cloreto de zinco e ácido clorídrico (BCA-Zn); o segundo foi a funcionalização do biocarvão com glutaraldeído a 1% (BCA-G1) e 5% (BCA-G5); o terceiro tratamento foi a ativação com ácido cítrico (BCA-A) e o quarto tratamento foi a ativação com ácido cítrico e funcionalização com glutaraldeído a 1% (BCA-AG1) e 5% (BCA-AG5). Após a realização dos tratamentos, foi observado que a área de superfície do biocarvão aumentou ~12 vezes após o tratamento com ácido cítrico; grupos carbonilas foram observados nos materiais que foram funcionalizados com glutaraldeído. O processo de funcionalização do biocarvão com glutaraldeído a 5% proporcionou um aumento na quantidade de enzima imobilizada ativa por grama do suporte. Estudos do efeito do valor de pH na imobilização de lacase mostraram que a imobilização em pH 4 possibilitou a interação entre a enzima e o suporte por ligação iônica e covalente. A eficiência da enzima imobilizada na remoção e biotransformação do ACT em solução aquosa foi de 99% após 24h de contato. A lacase imobilizada demonstrou estabilidade operacional por até sete ciclos de reuso, mantendo 50,7% de sua atividade na biotransformação do ACT. A enzima imobilizada também demonstrou estabilidade de armazenamento por 30 dias a 4°C e a ~25°C, mantendo mais de 90% de sua atividade na biotransformação do ACT.Diante destes aspectos, com este trabalho destaca-se a valorização de resíduos agrícolas no desenvolvimento de suportes com enzimas imobilizadas mais ecológicos e sustentáveis.

Biochar obtained from the pyrolysis of agricultural residues is a promising material for enzyme immobilization due to its low cost and excellent availability. In addition, biochar presents surface functional groups and porosity that contribute to the immobilization processes. Laccase enzymes have the potential for many applications, among them, stands out the contaminant’s biotransformation present in the environment, such as pharmaceutical compounds. The use of enzymes in the form immobilized in solid supports allows their reuse, reducing operating costs, and improve their stability and catalytic activity. In this study, laccase enzyme was immobilized in biochar from avocado seeds and applied to acetaminophen (ACT) removal and biotransformation in aqueous solution. Different treatments were performed on biochar, obtaining different materials that were evaluated as support for laccase immobilization. The first treatment was with zinc chloride and hydrochloric acid (BCA-Zn); the second treatment was functionalization of biochar with 1% (BCA-G1) and 5% (BCA-G5) glutaraldehyde; the third treatment was activation with citric acid (BCA-A) and the fourth treatment was activation with citric acid and functionalization with 1% (BCA-AG1) and 5% (BCA-AG5) glutaraldehyde. After completion of the treatments, it was observed that surface area of the biochar increased ~12 times after the treatment with citric acid; carbonyl groups were observed in materials that were functionalized with glutaraldehyde. The functionalization process of biochar with 5% glutaraldehyde provided an increase in the amount of active immobilized enzyme per gram of support. Studies of the effect of pH value on laccase immobilization showed that immobilization at pH 4 enabled the interaction between enzyme and support by ionic and covalent bonding. The efficiency of the immobilized biocatalyst in the removal and biotransformation of ACT in aqueous solution was 99% after 24h of contact. The immobilized laccase demonstrated operational stability for up to seven reuse cycles, maintaining 50.7% of its activity in the biotransformation of ACT. The immobilized enzyme also demonstrated storage stability for 30 days at 4°C and ~25°C, maintaining more than 90% activity in the biodegradation of ACT. In view of these aspects, this work highlights the valorization of agricultural residues in the development of supports with more ecological and sustainable immobilized enzymes.