Enzyme-magnetic nanoparticle reactor for the advanced oxidatíon of micropollutants in wastewaters

Resumo

El continuo aumento de la población humana y el crecimiento económico están llevando a una demanda continua de agua. La contaminación química de las aguas naturales se ha convertido ya en una preocupación pública de primer orden en todo el mundo, ya que sus efectos a largo plazo sobre la vida acuática y la salud humana son en gran medida desconocidos. Por lo tanto, la protección de los recursos hídricos contra la explotación del agua y la contaminación antropogénica con productos químicos y patógenos es indispensable para preservar la salud ecológica y humana. La sociedad moderna se beneficia del elevado número de productos químicos disponibles para diversas aplicaciones en la industria, la agricultura, la atención sanitaria y el saneamiento, así como para fines domésticos. En la Unión Europea hay más de 100.000 sustancias químicas registradas, de las cuales entre 30.000 y 70.000 son de uso diario. La mayoría de estos productos químicos llegan a las aguas naturales principalmente a través de las corrientes de aguas residuales municipales e industriales, los derrames de productos químicos y las emisiones difusas de las actividades agrícolas. En la actualidad, la aparición nuevos métodos analíticos con límites de detección más bajos han permitido prevenir de la presencia de contaminantes emergentes en efluentes de aguas potables, superficiales y residuales de todo el mundo. Este tipo de compuestos y su eliminación suponen un desafío científico-tecnológico, sobre todo si se tiene en cuenta el hecho de que las plantas de tratamiento y depuración de aguas se diseñaron sin considerar la presencia de estos contaminantes. Por ello, el desarrollo de procesos que permitan eliminar este tipo de compuestos se sitúa entre las líneas de investigación prioritarias de los principales organismos dedicados a la protección de la salud pública y medioambiental, tales como la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Agencia de Estados Unidos para la Protección del Medio Ambiente (US EPA) o la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA). La creciente demanda de aguas más limpias por parte de los ciudadanos y las organizaciones medioambientales ha impulsado a la Comisión Europea a definir una lista de sustancias prioritarias con un riesgo significativo para el medio acuático. La lista actualizada incluye microcontaminantes de diferentes categorías: disruptores endocrinos, como el bisfenol, y productos farmacéuticos, en particular el diclofenaco. Se ha alertado sobre la presencia de este tipo de compuestos en diferentes trabajos científicos, donde se han detectado concentraciones máximas de hasta 100 μg·L-1. Al tratarse de productos que resisten los tratamientos convencionales implementados en las estaciones depuradoras clásicas, estos se acumulan en las aguas superficiales, detectándose concentraciones de hasta 15000 ng·L-1 en algunos casos. Esto podría suponer un grave problema para la salud pública, ya que este tipo de compuestos pueden producir distintas alteraciones en los seres vivos y el medio ambiente. La degradación de los contaminantes orgánicos implica un importante reto ecológico, ya que pueden tener una estructura compleja y/o una baja biodisponibilidad. Se han sugerido tecnologías de tratamiento avanzadas como la ozonización, la irradiación UV y el tratamiento con carbón activado para aumentar la eliminación de estos compuestos, pero una implementación a gran escala requeriría una inversión significativa y mayores costos de operación. Por lo tanto, es necesario sopesar los costes frente a los posibles beneficios de la introducción de nuevas tecnologías. Como resultado, todavía hay necesidad de desarrollar y examinar nuevas alternativas para eliminar eficientemente estos compuestos de las aguas residuales. Conocedores de este hecho, esta tesis establece el interés de desarrollar sistemas de oxidación avanzada capaces de degradar este tipo de compuestos recalcitrantes, pero desde una perspectiva biotecnológica, de forma que se plantea como sistema de tratamiento innovador para aguas residuales contaminadas con este tipo de compuestos de difícil biodegradación. Entre las diferentes opciones de biocatalizadores, las enzimas oxidativas, fundamentalmente oxidasas, son ampliamente reconocidas como sistemas capaces de catalizar la oxidación de fenoles, polifenoles y anilinas mediante la extracción de un solo electrón, con la reducción concomitante de oxígeno al agua en un proceso de transferencia de cuatro electrones. Este tipo de enzimas surge como biocatalizador de interés debido a algunas propiedades intrínsecas como su relativamente baja especificidad de sustrato, su alta estabilidad y también el hecho de utilizar oxígeno molecular como aceptador final de electrones. De hecho, las lacasas se han aplicado intensamente en la biorremediación de contaminantes ambientales como colorantes, pesticidas, hidrocarburos poliaromáticos y diclorofenoles. Además, el uso de ciertos compuestos de bajo peso molecular llamados mediadores puede expandir la actividad catalítica de la lacasa hacia compuestos más recalcitrantes con mejores tasas de reacción. Con el objetivo de mejorar la eficiencia y productividad de un sistema enzimático y contemplar su aplicación en plantas de tratamiento de aguas residuales, es importante diseñar un reactor para la eliminación de xenobióticos. En este sistema, la recuperación y reutilización de la enzima es obligatoria. Una alternativa se basa en el uso del reactor de membrana enzimática (EMR), que utiliza una membrana de ultrafiltración semipermeable para asegurar la retención del biocatalizador. Alternativamente al uso de enzimas libres, se puede considerar la inmovilización de enzimas, ya que permite la separación de la enzima del medio de reacción, de modo que el biocatalizador se puede aplicar en sistemas continuos y puede ser beneficioso para la estabilidad de la enzima y el almacenamiento prolongado. Resulta especialmente interesante la posibilidad de inmovilizar las enzimas sobre nanopartículas magnéticas (mNP) ya que pueden proporcionar potencialmente una recuperación rápida y fácil del biocatalizador del medio de reacción bajo un campo magnético externo, lo que implicaría un estrés mecánico muy bajo en comparación con la centrifugación o filtración. En esta aproximación, es muy importante proporcionar un recubrimiento adecuado de la superficie y desarrollar algunas estrategias de protección eficaces para mantener la estabilidad de las NPs magnéticas. Las NPs de óxido de hierro magnético tienen una gran relación superficie/volumen y, por lo tanto, poseen altas energías superficiales. En consecuencia, tienden a agregarse para minimizar las energías de la superficie. Las estrategias más comunes para estabilizar el mNP incluyen el recubrimiento con moléculas orgánicas, incluyendo pequeñas moléculas orgánicas o surfactantes, polímeros y biomoléculas, o el recubrimiento con una capa inorgánica, como sílice, sustancia elemental metálica o no metálica, las cuales proporcionar la posibilidad de funcionalización de la superficie de las NPs de cara a llevar a cabo la inmovilización de la proteína. Estos aspectos se trataron en el Capítulo 2 en el que se evaluaron diferentes estrategias de inmovilización covalente y también mediante interacciones electrostáticas de las enzimas sobre la superficie de las nanopartículas magnéticas, e incluso a través del recubrimiento de NPs no magnéticas con una solución de ferrofluido (en colaboración con el Departamento de Nanotecnología de la Academica Checa de Ciencias. Los mayores rendimientos de inmovilización de enzimas se lograron para los nanoconjugados de enzimas covalentes de nanopartículas magnéticas recubiertas de sílice, formadas por la unión covalente de la enzima entre los grupos de aldehídos de la nanopartícula funcionalizada con glutaraldehído y los grupos de aminoácidos residuales de las enzimas. Además, la estabilidad de los nanobiocatalizadores se demostró después de 4 meses con actividades residuales superiores al 90% en todos los casos. Es esencial la caracterización del biocatalizador, determinando parámetros cinéticos, estabilidad a diferente pH y temperatura, presencia de agentes inactivantes, como variables de partida de cara a plantear la efectividad del mismo de cara a la degradación de compuestos objetivo, lo cual se desarrolla a lo largo del Capítulo 3. En esta sección se estudian las mejores condiciones de degradación de compuestos seleccionados como contaminantes orgánicos tales como el Bisfenol A, estradiol y verde de metilo, los primeros con potencial disruptor endocrino. Uno de los puntos débiles en la formulación del biocatalizador se refiere al alto coste de la enzima, elemento esencial en la propuesta de investigación. Si no es posible producir cantidades elevadas de enzima lacasa a bajo coste, la viabilidad del proceso de degradación puede verse comprometido. Con esta premisa parte el capítulo 4, desarrollado en colaboración con el grupo de investigación Nanotechnology-Enabled Water Treeatment (NEWT) de Rice University (Houston, USA) en el cual se llevó a cabo la producción de una enzima a partir de residuos agrícolas como fuente de carbono para minimizar el coste de producción de la enzima. Esta enzima se inmovilizó sobre las nanopartículas magnéticas recubiertas de sílice, comprobando que tanto los rendimientos de inmovilización como el potencial oxidativo se mantenían en niveles comparables a la enzima comercial de cara a llevar a cabo la degradación de Bisfenol A y verde de metilo. Más allá de la perspectiva de la degradación de contaminantes, los residuos agrícolas producidos por industrias o actividades agrícolas generan cada año 5 millones de toneladas métricas los cuales deben ser gestionados, o pueden ser recuperados y utilizados en otras cadenas de producción, de acuerdo con el concepto de biorefinería. En este contexto, en el Capítulo 5, se estudia la viabilidad de usar enzimas oxidativas en la producción de compuestos de valor añadido a partir de moléculas derivadas de la biomasa, más concretamente la conversión bioquímica, mediante nanobiocatalizadores de enzima galactosa oxidasa y aril-alcohol oxidasa sobre nanopartículas magnéticas recubiertas de sílice, con el objetivo de convertir 5-Hidroximetilfurfural (HMF) en químicos de alto valor añadido precursores de bioplásticos. Gracias a la aplicación de un campo magnético, las nanopartículas magnéticas pueden separarse fácilmente y tienen un buen potencial para el tratamiento de aguas contaminadas. Hasta donde sabemos, no existen estudios sobre el uso de lacasa inmovilizada en el mNP para la descontaminación de aguas residuales, aunque se han llevado a cabo algunas actividades de investigación utilizando directamente el mNP como nanosorbentes o fotocatalizadores, la mayoría de los cuales se llevan a cabo en modo batch a escala de laboratorio utilizando agua sintética. El reactor secuencial por lotes (SBR) es una configuración de reactor comúnmente usada para el tratamiento microbiano de aguas residuales debido a su simplicidad y funcionalidad. En el capítulo 6 se plantea utilizar un SBR con mNPs de lacasa de forma que se aborda la oxidación de los contaminantes. El SBR desarrollado consistió en un reactor secuencial por lotes acoplado a un sistema de separación magnética interna formado por una serie de imanes toroidales magnetizados axialmente distribuidos con polaridad alternada en una barra de acero no magnética, generando un campo externo magnético capaz de conseguir la completa recuperación del nanobiocatalizador. La prueba de concepto del reactor se realizó evaluando la transformación de verde de metilo, como compuesto modelo presente en aguas residuales. Además, para estudiar la versatilidad del sistema se estudió la transformación de HMF, como compuesto modelo para la producción de compuestos de alto valor añadido. Para determinar la viabilidad del sistema se realizó un escalado del reactor a un volumen de 100-L para estimar los costes e impacto ambiental, los cuales fueron comparables a otros sistemas de oxidación avanzada como la ozonización. Por último, no sólo la viabilidad del proceso es importante, sino que también la evaluación ambiental de los procesos de producción de los soportes empleados en los nanobiocatalizadores es importante. Por ello, en el Capítulo 7 se presenta un estudio comparativo de Análisis de Ciclo de Vida de las diferentes rutas de síntesis de las nanopartículas magnéticas empleadas como soportes para la inmovilización. Del estudio se concluye que las nanopartículas más adecuadas serían las nanopartículas magnéticas recubiertas de polietilenimina (PEI), aunque sin embargo no presentaron los mayores rendimientos en la inmovilización, por lo que ha de adoptarse una solución de compromiso entre eficiencia e impacto ambiental asociado. El presente trabajo de tesis aporta avances significativos en el ámbito científica y tecnológico para el desarrollo de nuevos procesos avanzados de oxidación para la eliminación de contaminantes orgánicos. El impacto esperado se basa en la innovación de esta propuesta, ya que la inmovilización de enzimas en nanopartículas magnéticas (mNPs) se encuentra en sus primeras etapas y, hasta donde sabemos, su aplicación para el tratamiento de aguas residuales está casi sin explotar. Además, se han planteado diferentes configuraciones de reactores mNPs enzimáticos, considerando no sólo la viabilidad tecnológica y operativa sino también los aspectos económicos y medioambientales de cara a la aplicación práctica de esta tecnología.