Free and immobilized laccases for in-situ and ex-situ polycyclic aromatic hydrocarbons bioremediation

Abstract

Há uma preocupação crescente com o aumento dos níveis tóxicos dos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos derivados do petróleo no meio ambiente. Assim, é necessário desenvolver tecnologias eficientes de tratamento destes compostos, sendo a aplicação de lacase (enzima), um dos tratamentos mais promissores. Neste contexto, as condições otimizadas para a aplicação de lacases são frequentemente investigadas, com trabalho em condições ótimas de pH e temperatura, com mediadores de elevado custo (> R$ 360,00 g-1) e enzimas para obtenção de elevados rendimentos. Mas devido ao uso de reagentes de alto custo em condições controladas, estes não são ainda capazes de resolver problemas de remediação de áreas contaminadas. Para o desenvolvimento de uma técnica de bioremediação economicamente viável e eficiente, a degradação dos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos foi avaliada por lacases livre e imobilizada em espuma de poliuretano, material de baixo custo, para biorremediação em modo descontínuo em águas subterrâneas na ausência de mediadores. Os experimentos com a lacase livre apresentaram rendimento máximo de degradação de 94,37% do antraceno, 72,08% de naftaleno e 30,43% de benzo(a)pireno. O destque foi o antraceno que atingiu a concentração final de 0,70 mg L-1, menor do que estabelecidopelas políticas internacionais de meio ambiente e foi detectada antraquinona, conhecido por ser menos tóxica, como produto da degradação. Por outro lado, a lacase imobilizada em espuma de poliuretano removeu 92,35% de antraceno e 97% de benzo(a)pireno. Uma sensível melhora no rendimento de remoção de outros 8 hidrocarbonetos policíclicos aromáticos testados em concentração mais baixa (µg L-1), foi observado pela enzima imobilizada em comparação com os resultados da lacase livre. Lacase imobilizada removeu 77,24% de criseno até 34µg L-1, 32,07% de pireno até 98 µg L-1,que em conjunto dos 0,95 mg L-1 finais de antraceno, foram os compostos cujas concentrações finais atenderam os limites de intervenção das políticas de proteção ambiental. Após a degradação foram identificados os seguintes produtos de biodegradação do antraceno e benzo(a)pireno: di-isoctil ftalato e tetradecano.A partir destes foram propostas vias de degradação, incluindo processos de oxidação e fissão de anel aromático que levaram à formação de quinona e de dietilftalato. Deste modo, há grande potencial em duas estratégias propostas de biorremediação enzimática: (I) aplicação da lacase livre, diretamente, nas águas subterrâneas para biorremediar os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos in-situ, e (II) utilizando biorreatores com lacase imobilizada em espuma de poliuretano para tratamento ex-situ.

Abstract: There is a growing concern with the increase in the levels of toxic polycyclic aromatic hydrocarbons derived from petroleum in the environment. Thus, it is necessary to develop efficient technologies for the treatment of these compounds, with the application of laccase (enzyme), one of the most promising treatments. In this context, the optimized conditions for the application of laccases are frequently investigated, working on optimal pH and temperature conditions with high-cost mediators (>$ 60,00 g-1) and enzymes to achieve high degradation yields. But due to use of expensive reagents and controlled conditions they are not yet capable of solving practice cleanup PAH polluted sites. Towards development an economically viable and efficient bioremediation technique, degradation polycyclic aromatic hydrocarbons were evaluated by free and immobilized laccase on polyurethane foam - a low-cost material - in batch mode in groundwater without mediators. Experiments with free laccase showed a maximum yield of 94.37% of anthracene, 72.08% of naphthalene and 30.43% benzo(a)pyrene. The highlight was anthracene, which achieved (0.70 mg L-1) final concentration, less than established by international environmental policies, and the knew less toxic anthraquinone was detected as a degradation product. On the other hand, the laccase immobilized on polyurethane foam removed 92.35% anthracene and 97% benzo(a)pyrene. A noticeable improvement in the removal yield of others 8 polycyclic aromatic hydrocarbons tested in lower concentration (µg L-1), was observed by the enzyme immobilized in comparison with the results of the free laccase. Immobilized laccase removed 77.24% of chrysene up to 34 µg L-1, 32.07% of pyrene up to 98 µg L-1, which, together with the final 0.95 mg L-1 of anthracene, were the compounds whose final concentrations met the intervention limits of environmental protection policies. After degradation, the biodegradation products of anthracene and benzo(a)pyrene were identified: diisooctyl phthalate and tetradecane. From which degradation pathways have been proposed, including processes of oxidation and aromatic ring fission that led to the formation of quinone and diethyl phthalate. Thus, there is great potential in two proposed enzymatic bioremediation strategies on non-optimal conditions with reagents cost reduction: (I) application of the free laccase, directly, in groundwater to bioremediate polycyclic aromatic hydrocarbons in-situ, and (II) using laccase immobilized on PUF in bioreactors by ex-situ treatment.