Publicação
Abatement of pharmaceutical micropollutants by biocatalysts immobilized on sustainable materials
| Resumo: | Os recursos hídricos encontram-se cada vez mais ameaçados pela presença e acumulação de micropoluentes. Os compostos farmacêuticos, classificados como contaminantes emergentes, representam uma preocupação crescente devido à sua libertação contínua nos ecossistemas aquáticos. Estes compostos caracterizam-se por persistência, potencial bioacumulação, baixa biodegradabilidade e possíveis efeitos tóxicos para o ambiente e para a saúde humana. Assim, esta tese focou-se no estudo da biotransformação enzimática de fármacos em meio aquoso, com recurso a lacases fúngicas. Os compostos alvo deste estudo incluíram dois antibióticos (sulfametoxazol e tetraciclina) e um analgésico e antipirético (acetaminofeno). Os fungos produtores de lacase, Lentinus sajor-caju e Pleurotus ostreatus, foram cultivados por fermentação em estado sólido, tendo como substratos resíduos agroindustriais, nomeadamente resíduos de poda da vinha e dreche. As lacases foram avaliadas quanto à sua capacidade de transformação de fármacos, na presença e ausência de mediadores de reação redox, como o siringaldeído e o ácido p-cumárico. Tendo-se verificado uma transformação eficiente de aproximadamente 100%, particularmente com a lacase produzida por L. sajor-caju em combinação com siringaldeído. Posteriormente, os extratos enzimáticos foram imobilizados em suportes sólidos através de duas estratégias inovadoras: adsorção e aprisionamento em esferas de quitosano com nanotubos de haloisita e imobilização covalente em biochar e hidrochar da grainha de uva, após modificação superficial. Estas abordagens resultaram na melhoria da estabilidade enzimática face a variações de pH e temperatura e aos longos períodos de armazenamento. As soluções de imobilização demonstraram alta eficiência de transformação, cerca de 100% em 2 horas, para os três fármacos em estudo. Os mecanismos de transformação propostos, bem como os subprodutos identificados, destacaram a ocorrência de reações de oxidação e acoplamento. A avaliação da reutilização demonstrou que os biocatalisadores mantêm uma capacidade de transformação elevada mesmo após oito ciclos consecutivos. Por fim, os sistemas de lacase imobilizada foram validados para a biotransformação de compostos farmacêuticos em águas residuais do norte de Portugal, num reator com agitação, confirmando a eficácia destes biocatalisadores em matrizes complexas. Estes resultados contribuem para a expansão da aplicação de lacases imobilizadas para a remediação ambiental, uma vez que foram desenvolvidas soluções sustentáveis, eficientes e reutilizáveis para a remediação de micropoluentes farmacêuticos. |
|---|---|
| Autores principais: | Sá, Helena Isabel Oliveira |
| Assunto: | Biocatálise ambiental Imobilização enzimática Lacase Materiais sustentáveis Micropoluentes farmacêuticos Environmental biocatalysis Enzyme immobilization Laccase Pharmaceutical micropollutants Sustainable materials Engenharia e Tecnologia::Biotecnologia Ambiental |
| Ano: | 2025 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso embargado |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
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Os mecanismos de transformação propostos, bem como os subprodutos identificados, destacaram a ocorrência de reações de oxidação e acoplamento. A avaliação da reutilização demonstrou que os biocatalisadores mantêm uma capacidade de transformação elevada mesmo após oito ciclos consecutivos. Por fim, os sistemas de lacase imobilizada foram validados para a biotransformação de compostos farmacêuticos em águas residuais do norte de Portugal, num reator com agitação, confirmando a eficácia destes biocatalisadores em matrizes complexas. Estes resultados contribuem para a expansão da aplicação de lacases imobilizadas para a remediação ambiental, uma vez que foram desenvolvidas soluções sustentáveis, eficientes e reutilizáveis para a remediação de micropoluentes farmacêuticos.engWater resources are increasingly threatened by the occurrence and accumulation of micropollutants. Among these, pharmaceutical active compounds, recognized as emerging contaminants, represent a growing concern due to their continuous release into aquatic environments. Most of these compounds are characterized by high persistence, bioaccumulation potential, low biodegradability and possible ecological and health toxicity. Thus, this thesis focused on studying the enzymatic biotransformation of recalcitrant pharmaceuticals in water using fungal laccases. The target compound included two antibiotics (sulfamethoxazole and tetracycline) and an analgesic and antipyretic (acetaminophen). The laccase-producing fungi, namely Lentinus sajor-caju and Pleurotus ostreatus, were first screened and then cultivated by solid-state fermentation, using agro-industrial residues, specifically vine pruning residue and brewer's spent grains, as substrates. The produced laccases were evaluated for their ability to degrade pharmaceuticals, in the presence and absence of redox mediators such as syringaldehyde and p-coumaric acid. Efficient transformation of approximately 100% was verified, especially with L. sajor-caju laccase-mediated system in the presence of syringaldehyde. Subsequently, the enzymatic extracts were immobilized on solid supports using two novel strategies: adsorption and entrapment on halloysite nanotubes-chitosan beads and covalent immobilization onto grape seed biochar and hydrochar after surface modification. These immobilization approaches enhanced enzyme stability regarding pH and temperature and long-term storage periods. Furthermore, the immobilized systems demonstrated high transformation efficiency, approximately 100% in less than 2 hours, for the three pharmaceuticals under study. The proposed transformation pathways and the identified by-products revealed the occurrence of oxidative and coupling reactions. 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