Suporte à Base de Bismuto Silicato para imobilização de Lacase de Myceliophthora thermophila expressa em Aspergillus sp.: uma solução sustentável para o tratamento ambiental de efluentes da indústria têxtil e farmacêutica

Abstract

A crescente demanda por materiais avançados para aplicações ambientais tem impulsionado a pesquisa de novos compostos com propriedades únicas e eficientes. Nesse contexto, a lacuna no conhecimento sobre a síntese e aplicação de materiais avançados oferece uma oportunidade significativa para inovação e progresso científico. À vista de tais afirmações, a presente tese teve como objetivo sintetizar e caracterizar um novo material hierárquico de bismuto (BS) e modular sua superfície para imobilizar lacases provenientes de Myceliophthora thermophila e aplicá-lo em experimentos de remediação ambiental. Para tal, foi empregado o biocatalisador Lac-BS na biodegradação do corante Tectilon 4R (Acid Blue 277) e do fármaco Ibuprofeno, conhecidos por serem poluentes emergentes. Inicialmente, foi realizada a investigação acerca da importância de diferentes agentes direcionadores de estrutura (SDAs) e da influência do envelhecimento na síntese do material. Em seguida, análises como DRX, FTIR, MEV, MET, BET, RMN e XANES identificaram um material inédito com estrutura hierárquica de poros em escalas micro e meso, além de uma alta área superficial. Ademais, o processo de extração Soxhlet se fez necessário para preservar a estrutura cristalográfica durante a remoção do SDA. Posteriormente, o BS passou por processos que visaram a modulação da superfície com o intuito de ser empregado na imobilização de enzimas. O método utilizado para a realização desta pesquisa foi bem-sucedido devido a confirmação através de resultados de FTIR e DRX, e a imobilização da lacase no suporte BS alcançou 100% de rendimento, mantendo alta eficiência mesmo com variações na massa do suporte e diferentes concentrações de enzima. Os resultados de imobilização obtidos apresentaram um efeito denominado de hiperativação enzimática, no qual a atividade do biocatalisador supera a atividade da enzima livre, especialmente em utilizando concentrações de lacase de 0,5 U/mL. As simulações de dinâmica molecular indicaram que, durante a imobilização, os resíduos Lys-188 – Pro-193 adotaram uma conformação ao redor do sítio ativo, aumentando o volume e se mostrando como uma possível explicação para o efeito de hiperativação mencionado anteriormente. Além disso, todos os parâmetros de caracterização bioquímica da Lac-BS foram superiores aos da enzima livre, demonstrando maior estabilidade térmica, durante a qual a atividade foi mantida a 40 °C e ocorreu a proteção parcial da enzima a 50 °C, além do biocatalisador apresentar excelentes resultados através de ciclos de testes catalíticos repetidos. Nos testes de degradação do corante, o biocatalisador Lac-BS demonstrou 100% de eficácia na remoção em 2 horas, enquanto o suporte funcionalizado sem a enzima (Func-BS) alcançou 88,46%, ambos superando os resultados obtidos pela enzima livre. Portanto, a combinação do suporte BS com a enzima lacase promoveu uma potente sinergia na degradação do corante. Na remoção de ibuprofeno, o biocatalisador Lac-BS atingiu 72,58% de degradação em duas horas em solução aquosa a 40 °C devido à combinação de adsorção e atividade enzimática, superando a eficiência do Func-BS (52,43%) e da enzima livre (49,83%). Portanto, pode-se afirmar que os resultados obtidos comprovam que a integração da lacase com o suporte BS mostrou potencial para ser uma solução promissora na remediação de corantes e fármacos em matrizes aquosas.

The growing demand for advanced materials for environmental applications has driven the research of new compounds with unique and efficient properties. In this context, the knowledge gap in the synthesis and application of advanced materials offers a significant opportunity for innovation and scientific progress. Considering these statements, the present thesis aimed to synthesize and characterize a new hierarchical bismuth material (BS) and modify its surface to immobilize laccases derived from Myceliophthora thermophila for use in environmental remediation experiments. For this purpose, the LacBS biocatalyst was employed in the biodegradation of the dye Tectilon 4R (Acid Blue 277) and the drug Ibuprofen, known to be emerging pollutants. Initially, an investigation was conducted on the importance of different structure-directing agents (SDAs) and the influence of aging on the material synthesis. Subsequently, analyses such as XRD, FTIR, SEM, TEM, BET, NMR, and XANES identified a novel material with a hierarchical pore structure at micro and meso scales, in addition to a high surface area. Moreover, the Soxhlet extraction process was necessary to preserve the crystallographic structure during SDA removal. Afterward, the BS underwent surface modification processes to be used in enzyme immobilization. The method employed for this research was successful, as confirmed by FTIR and XRD results, and the laccase immobilization on the BS support achieved 100% yield, maintaining high efficiency even with variations in support mass and enzyme concentrations. The immobilization results exhibited a phenomenon known as enzymatic hyperactivation, wherein the activity of the biocatalyst surpasses that of the free enzyme, especially when using laccase concentrations of 0.5 U/mL. Molecular dynamics simulations indicated that, during immobilization, the Lys-188 – Pro-193 residues adopted a conformation around the active site, increasing its volume and potentially explaining the hyperactivation effect. Additionally, all biochemical characterization parameters of Lac-BS were superior to those of the free enzyme, demonstrating greater thermal stability, with activity maintained at 40 °C and partial enzyme protection at 50 °C. The biocatalyst also showed excellent results through repeated catalytic test cycles. In dye degradation tests, the Lac-BS biocatalyst demonstrated 100% efficacy in removal within 2 hours, while the functionalized support without the enzyme (Func-BS) achieved 88.46%, both surpassing the results obtained by the free enzyme. Therefore, the combination of the BS support with the laccase enzyme promoted a potent synergy in dye degradation. In ibuprofen removal, the Lac-BS biocatalyst achieved 72.58% degradation in two hours in an aqueous solution at 40 °C due to the combination of adsorption and enzymatic activity, outperforming the efficiency of Func-BS (52.43%) and the free enzyme (49.83%). Thus, it can be affirmed that the obtained results demonstrate that the integration of laccase with the BS support showed potential to be a promising solution for the remediation of dyes and pharmaceuticals in aqueous matrices.