Estudi del procés de degradació de colorants tèxtils amb el fong trametes versicolor

Abstract

La contaminació d’aigües residuals per colorants procedents de la indústria tèxtil i del cuir és un problema ambiental greu. No tan sols la seva toxicitat és un perill per a la salut humana i animal, sinó que també són compostos amb un gran impacte visual. Al llarg del temps, la industria tèxtil s’ha anat traslladant dels països més desenvolupats, amb costos de mà d’obra més alts i límits per als abocaments al medi cada cop més restrictius, als països en vies de desenvolupament, on actualment suposa un autèntic problema ambiental. Degut a que els tractaments amb llots actius convencionals no són capaços d’eliminar aquests tipus de contaminants, en els darrers anys s’han desenvolupat tractaments biològics específics que han anat adquirint més rellevància. Actualment, la biodegradació de colorants per fongs ligninolítics o de podridura blanca és una via oberta, gràcies a la capacitat que han demostrat aquests microorganismes en la degradació d’una gran varietat de compostos recalcitrants com són els colorants. Aquest treball de Tesi s’ha desenvolupat dins el grup de recerca de biodegradació de contaminants industrials i valorització de residus (BioremUAB). En concret s’ha centrat en l’estudi de la degradació de colorants tèxtils pel fong ligninolític Trametes versicolor. S’ha estudiat la biodegradació del colorant azoic Orange G pel fong Trametes versicolor i al mateix temps el paper que hi té en aquesta l’enzim lacasa. Els alts rendiments en l’eliminació de color obtinguts, tant amb el fong com amb l’ enzim purificat, han demostrat que la lacasa és un dels principals responsables de la decoloració. Tanmateix, els espectres d’absorbància i de ressonància magnètica nuclear han evidenciat que en el tractament amb fong s’obtenen millors resultats al no detectar-se subproductes que sí que es troben al final de la degradació enzimàtica. El mateix estudi s’ha dut a terme amb 14 colorants més, englobant gran part dels tipus d’estructures de colorants existents. En el tractament amb fong, no tant sols s’obtenen millors rendiments de decoloració per a la majoria de colorants si es compara amb el procés enzimàtic, sinó que disminueix la toxicitat del medi al final del tractament. Només amb els colorants altament tòxics, en el tractament amb el fong s’arriba a valors de decoloració inferiors al 50%, rendiments que augmenten al disminuir la concentració inicial de colorant. Aquests resultats conjuntament amb els elevats rendiments de decoloració obtinguts en el tractament en reactor fluïditzat, simulant un possible efluent tèxtil, avalen la utilització del fong Trametes versicolor com a solució potencial al tractament d’efluents contaminats amb aquests compostos. L’anàlisi en línea per ressonància magnètica nuclear de la degradació enzimàtica de 5 colorants trifenilmetans, ha permès conèixer que l’enzim lacasa oxida les seves estructures de la mateixa forma, donant lloc a subproductes estables i amb estructures similars que són degradades pel fong. S’ha estudiat la influència sobre la decoloració i producció enzimàtica de diferents paràmetres (concentració inicial de colorant, subministrament de nutrients, modes d’operació...) que afecten al procés i al fong, en el tractament en bioreactor del colorant tèxtil Gris Lanaset G. Els resultats indiquen que un mode d’operació en etapes discontinues repetides permet una millor adaptabilitat i eficàcia del fong si es compara amb altres com l’operació en continu. Finalment, tots els coneixements adquirits i els resultats obtinguts s’han aplicat en el desenvolupament, calibració i validació d’un model matemàtic capaç de descriure el comportament del fong en la decoloració i la producció enzimàtica; no tant sols per als colorants sinó en general per a contaminants que puguin ser degradats pel fong seguint el mateix mecanisme.

Contamination of wastewater dyes from the textile and leather industry is an important environmental problem. Not only, for its toxicity and danger to human and animal health but also for significant visual impact of its compounds. Along the time, textile industry has been moving from developed countries, where labour costs are higher and the limits discharge have become more stringent, to developing countries, where it has become an important environmental problem at present. As conventional activated sludge treatments are unable to eliminate these contaminants, in recent years biological processes have become more relevant. Nowadays, the dye biodegradation by white rot fungi has been an open way through its capacity for the degradation of a wide range of recalcitrant compounds such as dyes. The PhD work presented has been developed in the research group: “Bioremediación de contaminantes y valorización de residuos (BioremUAB)” This study has been focused on the study of dyes degradation by Trametes versicolor.. The decolourisation of azo dye Orange G has been studied by the fungus Trametes versicolor as well as the role of the laccase enzyme in this process. The important role of enzyme inside dye decolourisation has been demonstrated with high colour removal yields obtained with the fungus, but also with the enzyme. Even so, the absorbance spectrums and the nuclear magnetic resonances results show how the fungus biodegradation enables to obtain better results. By-products that are detected at the end of enzymatic process are not found at the end of fungus process. Fourteen dyes have been studied in the same way as azo dye. These 15 dyes represent most of the existing dyes structures. In fungus treatment not only better decolourisation yields were achieved, if they are compared to enzymatic process results, but also the culture toxicity decreases at the end of treatment. Only in case of highly toxic dyes, fungus test had decolourisation values lower than 50%. In any case, these yields can be improved by decreasing initial concentration of dye. These results together with the high decolourisation obtained in the treatment in fluidised reactor, simulating a possible textile effluent, validate the use of fungus as a solution to treat dye contaminated effluents. On-line magnetic resonance spectra analysis of five triphenylmethane dyes has shown than laccase enzyme oxidizes the structures of these dyes in the same way, giving stable by-products witch similar structures that are degradated by fungus. The influence on Gris Lansaset G textile dye decolourization and enzyme production in fluidized reactor by different parameters (initial dye concentration, supply of nutrients, operating modes…) has been studied. The results indicate that the mode "sequential batch" had the best adaptability and effectiveness in relation to other operation mode as continuous operation. Finally, all the knowledge and results obtained have been used to develop, calibrate and validate a mathematical model which describes the dye degradation and enzyme production in dye decolourisation. Beyond this, the model can also be adapted to any contaminant biodegradation which follows the same degradation mechanism of the fungus.