Autor(es):
Zille, Andrea 
Data: 2005
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/1822/4899
Origem: RepositóriUM - Universidade do Minho
Detalhes do Documento
Laccase reactions for textile applications
Descrição
Tese de doutoramento em Engenharia Têxtil, área de Conhecimento de Química Têxtil. The release of azo dyes into the environment is deleterious, not only because of their color, but also because they are not easily degraded by aerobic bacteria and under action of anaerobic reductive bacteria they can form toxic or mutagenic compounds. As common physical or chemical methods for dye removal are expensive and sometimes generate secondary pollution, the biodegradation by the use of a Trametes villosa laccase appears to be an attractive alternative. A rapid and cheap method for predicting the potential of enzymatic dye biodegradation in the effluents was studied. It was demonstrated that the redox potential of the azo dyes is a reliable preliminary tool to predict the decolorization capacity of oxidative and reductive biocatalysts. A linear relationship was found during the initial period of decolorization with laccase and a laccase/mediator system between the percentage decolorization of each dye and the respective anodic peak potential. The less positive the anodic peak of the dye, the more easily is decolorized oxidatevely with laccase. Since several limitations prevent the use of free enzymes in bioremediation, an immobilized laccase was used to decolorize a reactive Black 5 industrial dyeing effluent. Surprisingly the immobilized enzyme showed lower stability than the free form in dyeing effluents (194 h free and 79 h immobilized). The stability of the enzyme depended on the dyeing liquor composition and the chemical structure of the dye. In the decolorization experiments with immobilized laccase, two phenomena were observed: decolorization due to adsorption on the support (79%) and dye degradation due to the enzyme action (4%). Adsorption appears to be the most important factor in decolorization. However, both immobilized and free laccase showed a good decolorization degree and re-dyeing in the enzymatically recycled effluent provided consistency of the color with both bright and dark dyes. For a better understanding of the dye degradation mechanisms, laccase was used for phenolic and non-phenolic azo dye degradation and the reaction products that accumulated after 72 hours of incubation were analyzed. Chemical pathway for azo dye degradation was proposed. LC-MS analysis shows the formation of phenolic compounds that can recombine with undegraded products, as well as a large amount of polymerized products that retain the azo group integrity. Reactions of amino-phenols were also investigated by 13C-NMR and LC-MS analysis and the polymerization character of laccase was shown. These polymerized products provide unacceptable color levels in effluents limiting the application of laccases as bioremediation agents. The direct laccase decolorization of effluent in free and immobilized form and the coupling/polymerization laccase reactions in the azo reductase pretreated effluent are compared on the basis of the kinetic parameters using a HBT/laccase system. The addition of 1-hydroxybenzotriazole (HBT) as mediator considerably improves the catalytic efficiencies in all systems. Laccase was coupled with an azo reductase that can cleave a wider range of azo dyes into corresponding amines. It can be concluded that the laccasemediated coupling/polymerization of the aromatic amine with catechol is a promising alternative method in dye removal. The ability of laccases to polymerize was also used to generate color “in situ” as effluent reutilization technique and as alternative dyeing process. Wool dyeing was performed in a dye bath prepared with a dye precursor (2,5-diaminobenzenesulfonic acid), dye modifiers (catechol and resorcinol) and laccase, without any dyeing auxiliaries at mild temperature and pH. Darker coloration of the samples could be obtained by increasing the reaction time and minimizing the enzyme and modifiers loading. This makes laccase dyeing an economically attractive alternative to the conventional dyeing process. Resorcinol should be used in low concentration to attain deep-shade dyeing. Microscopic observation of the cross-section of the enzymatically dyed wool showed penetration of the colorant into the mass of the fibers. The research presented in this thesis shows the limitation of the direct azo dye enzymatic degradation in both free and immobilized forms and makes clear that the catalyzed-laccase polymerization reactions can be studied as a promising methodology in textile wastewater treatment and recycling. A libertação dos corantes azo no meio ambiente é prejudicial, não somente por causa da sua cor, mas também porque estes não são facilmente degradados pelas bactérias aeróbias e sob a acção das bactérias anaeróbias redutivas podem dar origem a compostos mutagénicos. Devido ao facto dos tradicionais métodos físico-químicos para a eliminação dos corantes serem caros e às vezes causarem problemas de polução secundaria, a biodegradação com uma lacase de Trametes villosa parece ser uma alternativa atractiva. Foi desenvolvido um método rápido e económico para prever o potencial dos corantes azo para serem biodegradados. Demonstrouse que o potencial redox dos corantes azo é uma ferramenta útil para prever a capacidade de descoloração na biocatálise oxidativa e redutiva. Encontrouse uma relação linear entre a percentagem de descoloração inicial de cada corante e o respectivo potencial do pico anódico quer com lacase quer com um sistema lacase/mediador. Quanto menor é o potencial do pico anódico do corante, mais facilmente o mesmo é oxidado pela lacase. Devido às limitações do uso de enzimas livres na biodegradação, uma lacase imobilizada foi utilizada para descolorar um efluente têxtil. A estabilidade da enzima depende da composição do efluente e da estrutura química do corante. Contráriamente ao esperado a enzima imobilizada mostrou no efluente uma estabilidade mais baixa do que a enzima livre (194 h livre e 79 h imobilizada). Nas experiências de descoloração com lacase imobilizada, observaram-se dois fenómenos: a descoloração do corante devida à absorção no suporte, que revelou ser o factor mais importante para a descoloração (79%), e a descoloração devida à acção da enzima (4%). Tanto a enzima imobilizada como a livre mostraram um aceitável grau de descoloração e o tingimento com o efluente reciclado teve uma boa consistência da cor com corantes claros e escuros. Para uma melhor compreensão dos mecanismos da degradação dos corantes, a lacase foi usada para degradar corantes azo fenólicos e nãofenólicos e os produtos da degradação que se acumularam após 72 horas de incubação foram também analisados. Os mecanismos químicos da degradação foram assim propostos. A análise por LC-MS mostrou a formação de compostos fenólicos que se podem recombinar-se com os produtos não-degradados, assim como uma grande quantidade de produtos polimerizados que retêm a integridade do grupo azo. A capacidade da lacase em catalizar a polimerização dos compostos amino-fenólicos foi também demonstrada através das análises com 13C-NMR e LC-MS. Estes produtos polimerizados criam níveis inaceitáveis de cor nos efluentes limitando assim a aplicação da lacase para o tratamento deste tipo de efluente. A descoloração dos efluentes com lacase livre e imobilizada e as reacções de polimerização da lacase nos efluentes pré-tratados com azoreductase foram comparados num sistema de HBT/lacase com base nos parâmetros cinéticos. A adição de 1-hydroxybenzotriazole (HBT) como mediador melhora consideravelmente a eficácia catalítica em todos os sistemas. A lacase foi associada a uma azoreductase capaz de converter uma extensa gama de corantes azo nas correspondentes aminas. Pode concluir-se que a polimerização das aminas aromáticas com catechol catalizada pela lacase e HBT é um método alternativo promissor para a remoção dos corantes nos efluentes. A capacidade da lacase de catalizar a polimerização foi também usada como um processo alternativo de tingimento "in situ". O tingimento da lã com lacase foi executado sem auxiliares e a temperatura e pH moderados, utilizando ácido 2,5-diaminobenzenosulfónico, catechol e resorcinol. Aumentando o tempo de reacção e diminuindo as doses da enzima e dos químicos obtiveram-se colorações mais escuras nas amostras. O tingimento com lacase mostrou ser uma alternativa economicamente atractiva em comparação a os processos convencionais de tingimento. Demonstrou-se que para obter colorações escuras o resorcinol deve ser usado em baixas concentrações. A observação microscópica da secção transversal da lã tingida com lacase demonstrou a penetração do corante nas fibras. A pesquisa apresentada nesta tese demonstrou as limitações da degradação enzimática directa dos corantes azo na forma livre e imobilizada e torna claro que as reacções de polimerização catalizadas pela lacase podem ser estudadas como uma metodologia promissora no tratamento e na reciclagem das águas residuais da indústria têxtil.
Tese de doutoramento em Engenharia Têxtil, área de Conhecimento de Química Têxtil. The release of azo dyes into the environment is deleterious, not only because of their color, but also because they are not easily degraded by aerobic bacteria and under action of anaerobic reductive bacteria they can form toxic or mutagenic compounds. As common physical or chemical methods for dye removal are expensive and sometimes generate secondary pollution, the biodegradation by the use of a Trametes villosa laccase appears to be an attractive alternative. A rapid and cheap method for predicting the potential of enzymatic dye biodegradation in the effluents was studied. It was demonstrated that the redox potential of the azo dyes is a reliable preliminary tool to predict the decolorization capacity of oxidative and reductive biocatalysts. A linear relationship was found during the initial period of decolorization with laccase and a laccase/mediator system between the percentage decolorization of each dye and the respective anodic peak potential. The less positive the anodic peak of the dye, the more easily is decolorized oxidatevely with laccase. Since several limitations prevent the use of free enzymes in bioremediation, an immobilized laccase was used to decolorize a reactive Black 5 industrial dyeing effluent. Surprisingly the immobilized enzyme showed lower stability than the free form in dyeing effluents (194 h free and 79 h immobilized). The stability of the enzyme depended on the dyeing liquor composition and the chemical structure of the dye. In the decolorization experiments with immobilized laccase, two phenomena were observed: decolorization due to adsorption on the support (79%) and dye degradation due to the enzyme action (4%). Adsorption appears to be the most important factor in decolorization. However, both immobilized and free laccase showed a good decolorization degree and re-dyeing in the enzymatically recycled effluent provided consistency of the color with both bright and dark dyes. For a better understanding of the dye degradation mechanisms, laccase was used for phenolic and non-phenolic azo dye degradation and the reaction products that accumulated after 72 hours of incubation were analyzed. Chemical pathway for azo dye degradation was proposed. LC-MS analysis shows the formation of phenolic compounds that can recombine with undegraded products, as well as a large amount of polymerized products that retain the azo group integrity. Reactions of amino-phenols were also investigated by 13C-NMR and LC-MS analysis and the polymerization character of laccase was shown. These polymerized products provide unacceptable color levels in effluents limiting the application of laccases as bioremediation agents. The direct laccase decolorization of effluent in free and immobilized form and the coupling/polymerization laccase reactions in the azo reductase pretreated effluent are compared on the basis of the kinetic parameters using a HBT/laccase system. The addition of 1-hydroxybenzotriazole (HBT) as mediator considerably improves the catalytic efficiencies in all systems. Laccase was coupled with an azo reductase that can cleave a wider range of azo dyes into corresponding amines. It can be concluded that the laccasemediated coupling/polymerization of the aromatic amine with catechol is a promising alternative method in dye removal. The ability of laccases to polymerize was also used to generate color “in situ” as effluent reutilization technique and as alternative dyeing process. Wool dyeing was performed in a dye bath prepared with a dye precursor (2,5-diaminobenzenesulfonic acid), dye modifiers (catechol and resorcinol) and laccase, without any dyeing auxiliaries at mild temperature and pH. Darker coloration of the samples could be obtained by increasing the reaction time and minimizing the enzyme and modifiers loading. This makes laccase dyeing an economically attractive alternative to the conventional dyeing process. Resorcinol should be used in low concentration to attain deep-shade dyeing. Microscopic observation of the cross-section of the enzymatically dyed wool showed penetration of the colorant into the mass of the fibers. The research presented in this thesis shows the limitation of the direct azo dye enzymatic degradation in both free and immobilized forms and makes clear that the catalyzed-laccase polymerization reactions can be studied as a promising methodology in textile wastewater treatment and recycling. A libertação dos corantes azo no meio ambiente é prejudicial, não somente por causa da sua cor, mas também porque estes não são facilmente degradados pelas bactérias aeróbias e sob a acção das bactérias anaeróbias redutivas podem dar origem a compostos mutagénicos. Devido ao facto dos tradicionais métodos físico-químicos para a eliminação dos corantes serem caros e às vezes causarem problemas de polução secundaria, a biodegradação com uma lacase de Trametes villosa parece ser uma alternativa atractiva. Foi desenvolvido um método rápido e económico para prever o potencial dos corantes azo para serem biodegradados. Demonstrouse que o potencial redox dos corantes azo é uma ferramenta útil para prever a capacidade de descoloração na biocatálise oxidativa e redutiva. Encontrouse uma relação linear entre a percentagem de descoloração inicial de cada corante e o respectivo potencial do pico anódico quer com lacase quer com um sistema lacase/mediador. Quanto menor é o potencial do pico anódico do corante, mais facilmente o mesmo é oxidado pela lacase. Devido às limitações do uso de enzimas livres na biodegradação, uma lacase imobilizada foi utilizada para descolorar um efluente têxtil. A estabilidade da enzima depende da composição do efluente e da estrutura química do corante. Contráriamente ao esperado a enzima imobilizada mostrou no efluente uma estabilidade mais baixa do que a enzima livre (194 h livre e 79 h imobilizada). Nas experiências de descoloração com lacase imobilizada, observaram-se dois fenómenos: a descoloração do corante devida à absorção no suporte, que revelou ser o factor mais importante para a descoloração (79%), e a descoloração devida à acção da enzima (4%). Tanto a enzima imobilizada como a livre mostraram um aceitável grau de descoloração e o tingimento com o efluente reciclado teve uma boa consistência da cor com corantes claros e escuros. Para uma melhor compreensão dos mecanismos da degradação dos corantes, a lacase foi usada para degradar corantes azo fenólicos e nãofenólicos e os produtos da degradação que se acumularam após 72 horas de incubação foram também analisados. Os mecanismos químicos da degradação foram assim propostos. A análise por LC-MS mostrou a formação de compostos fenólicos que se podem recombinar-se com os produtos não-degradados, assim como uma grande quantidade de produtos polimerizados que retêm a integridade do grupo azo. A capacidade da lacase em catalizar a polimerização dos compostos amino-fenólicos foi também demonstrada através das análises com 13C-NMR e LC-MS. Estes produtos polimerizados criam níveis inaceitáveis de cor nos efluentes limitando assim a aplicação da lacase para o tratamento deste tipo de efluente. A descoloração dos efluentes com lacase livre e imobilizada e as reacções de polimerização da lacase nos efluentes pré-tratados com azoreductase foram comparados num sistema de HBT/lacase com base nos parâmetros cinéticos. A adição de 1-hydroxybenzotriazole (HBT) como mediador melhora consideravelmente a eficácia catalítica em todos os sistemas. A lacase foi associada a uma azoreductase capaz de converter uma extensa gama de corantes azo nas correspondentes aminas. Pode concluir-se que a polimerização das aminas aromáticas com catechol catalizada pela lacase e HBT é um método alternativo promissor para a remoção dos corantes nos efluentes. A capacidade da lacase de catalizar a polimerização foi também usada como um processo alternativo de tingimento "in situ". O tingimento da lã com lacase foi executado sem auxiliares e a temperatura e pH moderados, utilizando ácido 2,5-diaminobenzenosulfónico, catechol e resorcinol. Aumentando o tempo de reacção e diminuindo as doses da enzima e dos químicos obtiveram-se colorações mais escuras nas amostras. O tingimento com lacase mostrou ser uma alternativa economicamente atractiva em comparação a os processos convencionais de tingimento. Demonstrou-se que para obter colorações escuras o resorcinol deve ser usado em baixas concentrações. A observação microscópica da secção transversal da lã tingida com lacase demonstrou a penetração do corante nas fibras. A pesquisa apresentada nesta tese demonstrou as limitações da degradação enzimática directa dos corantes azo na forma livre e imobilizada e torna claro que as reacções de polimerização catalizadas pela lacase podem ser estudadas como uma metodologia promissora no tratamento e na reciclagem das águas residuais da indústria têxtil.
Tipo de Documento
Tese de Doutoramento
Idioma Inglês
Orientador(es) Paulo, Artur Cavaco
Idioma Inglês
Orientador(es) Paulo, Artur Cavaco
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