Investigación de la degradación de colorantes residuales mediante la aplicación de la tecnología enzimática

by AITEX
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encima-aitex50Uno de los mayores retos a los que ha de enfrentarse la industria textil es el procesamiento de sus efluentes que contienen, entre otras sustancias químicas, remanentes de los colorantes empleados en la tinción del tejido. El alto contenido en colorantes complejos de difícil biodegradación hace que el vertido de estas aguas residuales dificulte la entrada de luz y por tanto el desarrollo normal de los procesos fotosintéticos en las plantas acuáticas. Además, la mayoría de estas sustancias recalcitrantes son tóxicas, y con probados efectos carcinogénicos, mutagénicos o teratogénicos sobre varios organismos acuáticos y diferentes especies de peces. Por lo tanto, se hace necesario establecer un adecuado sistema de decoloración de los efluentes industriales.

Aunque normalmente se emplean para la degradación de colorantes residuales diversos procedimientos físico-químicos, éstos no están exentos de inconvenientes (como la producción de fangos y empleo de reactivos tóxicos, etc…) por lo que cada vez cobra más importancia el empleo de métodos biológicos más respetuosos con el medio ambiente. Entre ellos, el uso de enzimas se vislumbra como una alternativa muy prometedora. Las enzimas son biomoléculas con alta capacidad catalítica y que poseen, a priori, una serie de ventajas sobre los procedimientos habituales: no generan subproductos, se obtienen a partir de fuentes naturales, son biodegradables y no precisan de un elevado aporte energético. Además, son muy específicas en cuanto al sustrato que van a procesar, pueden obtenerse en grandes cantidades y son susceptibles de mejora catalítica mediante procedimientos rutinarios de ingeniería genética.

No obstante, uno de los mayores inconvenientes que presenta el empleo de enzimas a escala industrial es de carácter económico, puesto que la purificación de las mismas es un método costoso. Por este motivo, se hace necesario al mismo tiempo idear métodos para poder recobrar y reutilizar el biocatalizador. De esta manera, se han establecido multitud de protocolos para la inmovilización de enzimas en soportes sólidos (biorreactores enzimáticos) que puedan separarse fácilmente del agua residual una vez que la degradación del colorante se ha llevado a cabo y que puedan reutilizarse para el tratamiento de un nuevo lote de efluente. Existen dos grandes procedimientos de inmovilización. Por un lado, los métodos covalentes fijan la enzima al soporte de manera permanente. Esto tiene la ventaja de que la pérdida de enzima con el uso se reduce al mínimo, si bien tras la eventual desactivación enzimática con el tiempo se hace necesario desechar el biorreactor y crear uno nuevo. Los métodos covalentes, además, precisan de reactivos tóxicos para inmovilizar la enzima. Por contra, los métodos no covalentes, aunque de naturaleza más débil, son más suaves que los covalentes, no precisan de tratamientos especiales y la regeneración del soporte tras la desactivación enzimática se limita a eliminar la proteína inactiva con un simple lavado y la carga del biorreactor con preparación enzimática fresca.

Objetivos

El objetivo del proyecto DECOENZYM es el de obtener un biorreactor enzimático con proteínas inmovilizadas de manera no covalente y con capacidad de decoloración de efluentes de la industria textil.

Tecnologia

¿Qué es una enzima? Son moléculas de naturaleza proteica y estructural que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles: una enzima hace que una reacción química que es energéticamente posible, pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinéticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la enzima. En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas. Las características más destacadas en las enzimas son su alta actividad y su especificidad. Además, en la aplicación tecnológica, destaca el pequeño volumen que ocupan y que pueden elegirse aquellas que reconozca exclusivamente a uno de los componentes contenidos en una mezcla completa. Como catalizadores son excepcionales debido a: que son muy eficientes, son específicas (en su mayoría), catalizan una amplia gama de reacciones y son objeto de regulación en la célula. Como contrapartida a estas ventajas se encuentra el hecho de que las enzimas son costosas de purificar y que tienen una estabilidad limitada en estado puro. Por otro lado, cada enzima tiene un pH óptimo diferente y una estabilidad distinta frente a la temperatura.

Elección de la enzima

Una de las familias de enzimas más interesantes para la biodegradación de contaminantes lo constituyen las lacasas. Estas proteínas poseen actividad oxidante de numerosos compuestos y precisan de cobre para su función. Se describieron por primera vez en el látex del árbol japonés Rhus vernicifera. Más tarde se descubrió su presencia en los hongos, y actualmente se sabe de su existencia en insectos, bacterias y arqueas.
En concreto, la lacasa CueO, procedente de la bacteria Escherichia coli, presenta una estabilidad frente a temperatura, sales y pH mayor que las lacasas fúngicas, por lo que representa una opción recomendable para nuestro proyecto.

Elección del soporte

Para la inmovilización de la enzima nos propusimos utilizar soportes innovadores a la vez que sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. En este sentido, los polihidroxialcanoatos (PHAs) son una familia de poliésteres de ácidos 3-(R)-hidroxialcanoicos, que se acumulan en forma de gránulos en el citoplasma de algunas bacterias (Figura 1) y que constituyen una fuente de carbono y reserva de energía importante para el microorganismo durante períodos de limitación de nutrientes. Estos biopolímeros presentan, en general, características físico-mecánicas comparables a las de los plásticos convencionales (derivados del petróleo), pero son completamente biodegradables y se producen a partir de fuentes naturales, de ahí que se le conozca con el término de bioplásticos. Además se ha comprobado que los productos de degradación de estos bioplásticos no son tóxicos para el ser humano.
De entre todos los tipos de PHA, nuestro estudio se ha centrado en el polihidroxibutirato (PHB), un bioplástico comercial perfectamente estudiado y de aplicaciones tan diversas como envases, implantes quirúrgicos y cápsulas para administración de medicamentos. Sin embargo, hasta la fecha no se había comprobado su capacidad en procesos de decoloración de aguas.

Método de inmovilización

La proteína CueO no se adhiere a PHB de manera natural. Por este motivo, le añadimos una pequeña proteína (BioF) que sí posee esta capacidad. La proteína híbrida resultante (BioF-CueO) se inmoviliza directa y fuertemente en PHB por simple adición, sin el concurso de reactivos especiales (Figura 2).

Resultados

La primera fase del proyecto DECOENZYM consistió en la síntesis, producción y purificación de la proteína BioF-CueO. A continuación se determinó la carga enzimática máxima que podía adsorberse sobre el bioplástico, así como las características cinéticas de la enzima inmovilizada (pH óptimo, composición salina de la disolución y actividad en función de la temperatura), utilizando para ello un sustrato-tipo empleado normalmente a este fin y siempre a escala de laboratorio. La Figura 2 muestra de manera esquemática el biorreactor empleado, de tipo tanque agitado, si bien se comprobó posteriormente que el sistema era igualmente eficaz utilizando biorreactores de lecho empaquetado.

A continuación se comprobó la actividad de la enzima inmovilizada frente a disoluciones patrón de colorantes normalmente empleados en la industria textil: Gris Superluz, Amarillo Taurus, Rubí Directo y Negro Reactivo 5 (RB5). La Figura 3 muestra un ejemplo de la capacidad degradativa de una disolución de Negro Reactivo 5 por parte de BioF-CueO tanto soluble como inmovilizada sobre PHB, en un experimento realizado tras 24 horas de incubación a temperatura ambiente. Los otros colorantes probados pudieron ser asímismo degradados por la enzima en un proceso similar, lo que sugiere que BioF-CueO es una enzima de amplio espectro que puede emplearse para la decoloración de aguas residuales de muy diversa composición.
Finalmente se sometió el biorreactor enzimático a un efluente real procedente de una industria textil, sin pretratamiento alguno. Como se muestra en la Figura 4, el soporte enzimático no sólo eliminó gran parte de la mezcla de colorantes en el efluente, sino que además pudo reciclarse durante al menos cuatro ciclos de degradación más sin pérdida significativa de actividad.

Estas investigaciones se enmarcan en el contexto del proyecto “DECOENZYM – Degradación de colorantes residuales mediante tecnología enzimática”. Este proyecto de investigación y desarrollo cuenta con el apoyo de la Conselleria d’Economia, Industria, Turisme i Ocupació, a través del IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial), y está cofinanciados por los fondos FEDER de la Unión Europea. Expediente: IMAMCI/2014/1
Cofinanciado:

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