Otimização e caracterização de biossurfactantes produzidos por Bacillus amyloliquefaciens MO13 para aplicação em estratégias avançadas de biorremediação

Abstract

Biosurfactantes (BSFs) são moléculas que apresentam estruturas hidrofóbicas e hidrofílicas produzidas por uma multiplicidade de organismos. Essas moléculas podem ser aplicadas nas áreas farmacêutica, cosmética, alimentícia e com abordagens de biorremediação e recuperação de petróleo. No entanto, os custos de produção desses compostos ainda são um obstáculo para aplicações em grande escala. Assim, são necessários métodos que visam melhorar a produção de BSFs buscando aumentar a eficiência através de relação de custo-benefício mais favorável. Neste trabalho, utilizando a linhagem Bacillus amyloliquefaciens MO13, parâmetros essenciais para produção de BSFs foram otimizados para alcançar concentrações máximas de BSFs. O desenvolvimento microbiano, consumo de substrato, concentração de BSFs e tensão superficial foram avaliados e suas curvas analisadas. A concentração da fonte de carbono, temperatura, pH, agitação e aeração no cultivo microbiano foram otimizadas para biorreatores empregando-se um planejamento fatorial esférico de composto central, possibilitando encontrar-se as condições ótimas de cultivo. Estimava-se uma produção de BSFs de 17,92 g/L a partir de testes em biorreatores em condições ótimas de cultivo e utilizando glicose como fonte de carbono. Quando testada atingiu 18,16 g/L de BSFs. Para o caso de glicerina residual como fonte de carbono, foram estimados 14,4 g/L de BSFs e quando testada atingiu 13,56 g/L de BSFs. Ambas equações com seus valores críticos tiveram desvios menores que 15% entre valores observados e estimados, validando o modelo. Testes qualitativos para os BSFs produzidos foram todos positivos e a concentração micelar crítica (CMC) foi de 10 mg/L reduzindo a tensão superficial até 30 mN/m, demonstrando assim o potencial uso dos BSFs para biorremediação. Além disso, a caracterização química do perfil de BSFs foi realizada por espectrometria de massa de alta resolução, revelando cinco isoformas de surfactinas e duas isoformas de iturinas. A otimização na produção de BSFs produzidos por B. amyloliquefaciens MO13 em biorreatores representa um grande avanço na produção de BSFs, uma vez que a concentração de BSFs em biorreatores foi 6 vezes maior do que produções em frascos cônicos. Além disso os BSFs produzidos possuem grande potencial de aplicação na recuperação avançada de petróleo, na indústria farmacêutica, alimentícia e cosmética.

Biosurfactants (BSFs) are molecules that have hydrophobic and hydrophilic structures produced by many organisms. These molecules can be applied in pharmaceutical, cosmetic, food and bioremediation and oil recovery approaches. However, the production costs of these compounds are still an obstacle for large scale applications. Thus, methods to improve BSF production are needed in order to increase efficiency through a more favorable cost-benefit ratio. In this work, essential parameters for BSF produced by Bacillus amyloliquefaciens MO13 were optimized to reach maximum BSF concentration. Microbial development, substrate consumption, BSF concentration and surface tension were evaluated and their curves analyzed. The carbon source concentration, temperature, pH, agitation and aeration in the microbial culture were optimized for bioreactors using a spherical factorial design of central compost, allowing to find the optimum culture conditions. It was estimated a production of 17.92 g/L BSFs from bioreactor tests under optimum culture conditions and using glucose as carbon source. When tested reached 18.16 g /L BSFs. For residual glycerin as carbon source, 14.4 g/L BSFs were estimated and when tested reached 13.56 g/L BSFs. Both equations with their critical values had a deviation lower than 15% between observed and estimated values, which validate the model. Qualitative tests for the BSFs produced were all positive and the critical micellar concentration (CMC) was 10 mg/L reducing surface tension up to 30 mN/m, thus demonstrating the potential use of BSFs for bioremediation. In addition, the chemical characterization of the BSFs profile was performed by high resolution mass spectrometry, revealing five surfactin isoforms and two iturine isoforms. The optimization in BSF production produced by B. amyloliquefaciens MO13 in bioreactors represents a major advance in the production of BSFs, since the concentration of BSFs in bioreactors was 6 times higher than those in conical flasks. In addition, the BSFs produced have great potential application in advanced oil recovery, in the pharmaceutical, food and cosmetic industries.