Aproximación al diseño de sistemas de bio-reactores para la delignificación de materiales lignocelulósicos y para la decontaminación de suelos y efluentes. Approximation to the design of bio-reactors systems for the delignificación of lignocellulosic materials and for the decontamination of soil and effluents

Los materiales lignocelulósicos residuales de las actividades agroindustriales pueden ser aprovechados como fuente de lignina, hemicelulosa y celulosa. El tratamiento químico del material lignocelulósico se debe enfrentar al hecho de que dicho material es bastante recalcitrante a tal ataque, fundamentalmente debido a la presencia del polímero lignina. Esto se puede lograr también utilizando hongos de la podredumbre blanca de la madera. Estos producen enzimas lignolíticas extracelulares fundamentalmente Lacasa, que oxida la lignina a CO2. Tambien oxida un amplio rango de sustratos ( fenoles, polifenoles, anilinas, aril-diaminas, fenoles metoxi-sustituídos, y otros), lo cual es una buena razón de su atracción para aplicaciones biotecnológicas. La enzima tiene potencial aplicación en procesos tales como en la delignificación de materiales lignocelulósicos y en el bioblanqueado de pulpas para papel, en el tratamiento de aguas residuales de plantas industriales, en la modificación de fibras y decoloración en industrias textiles y de colorantes, en el mejoramiento de alimentos para animales, en la detoxificación de polutantes y en bioremediación de suelos contaminados. También se la ha utilizado en Q.Orgánica para la oxidación de grupos funcionales, en la formación de enlaces carbono- nitrógeno y en la síntesis de productos naturales complejos. HIPOTESIS: Los hongos de podredumbre blanca, y en condiciones óptimas de cultivo producen distintos tipos de enzimas oxidasas, siendo las lacasas las más adecuadas para explorarlas como catalizadores en los siguientes procesos:  Delignificación de residuos de la industria forestal con el fin de aprovechar tales desechos en la alimentación animal.  Decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales. Se realizarán los estudios para el diseño de bio-reactores que permitan responder a las dos cuestiones planteadas en la hipótesis. Para el proceso de delignificación de material lignocelulósico se proponen dos estrategias: 1- tratar el material con el micelio del hongo adecuando la provisión de nutrientes para un desarrollo sostenido y favorecer la liberación de la enzima. 2- Utilizar la enzima lacasa parcialmente purificada acoplada a un sistema mediador para oxidar los compuestos polifenólicos. Para el proceso de decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales se trabajará también en dos frentes: 3) por un lado, se ha descripto que existe una correlación positiva entre la actividad de algunas enzimas presentes en el suelo y la fertilidad. En este sentido se conoce que un sistema enzimático, tentativamente identificado como una lacasa de origen microbiano es responsable de la transformación de compuestos orgánicos en el suelo. La enzima protege al suelo de la acumulación de compuestos orgánicos peligrosos catalizando reacciones que involucran degradación, polimerización e incorporación a complejos del ácido húmico. Se utilizarán suelos incorporados con distintos polutantes(por ej. policlorofenoles ó cloroanilinas.) 4) Se trabajará con efluentes industriales contaminantes (alpechínes y/o el efluente líquido del proceso de desamargado de las aceitunas). The lignocellulosic raw materials of the agroindustrial activities can be taken advantage as source of lignin, hemicellulose and cellulose. The chemical treatment of this material is not easy because the above mentioned material is recalcitrant enough to such an assault, due to the presence of the lignin. This can be achieved also using the white-rot fungi of the wood. It produces extracellular ligninolitic enzymes, fundamentally Laccase, which oxidizes the lignin to CO2. The enzyme has application in such processes as in the delignification of lignocellulosic materials and in the biobleaching of fibers for paper industry, in the treatment of waste water of industrial plants, in the discoloration in textile industries, in the improvement of food for ruminants, in the detoxification of polutants and in bioremediation of contaminated soils. HYPOTHESIS: The white-rot fungi produce different types of enzymes, being the laccases the most adapted to explore them as catalysts in the following processes:  Delignification of residues of the forest industry in order to take advantage of such waste in the animal feed.  Decontamination of soils and / or waste waters. The studies will be conducted for the design of bio reactors that allow to answer to both questions raised in the hypothesis. For the delignification process of lignocellulosic material they propose two strategies: 1- to treat the material with the fungi 2-to use the partially purified enzyme to oxidize the polyphenolic compounds. For the soil and/or waste water decontamination process, we have: 3- Is know that the enzyme protects to the soil of the accumulation of organic dangerous compounds catalyzing reactions that involve degradation, polymerization and incorporation to complexes of the humic acid. There will be use soils incorporated into different pollutants. 4- We will work with waste waters (alpechins or the green olive debittering effluents.

Desarrollo de sistemas nano/micro-particulados con aplicación en la fotodegradación selectiva de contaminantes orgánicos en solución. Development of nano / micro-particles systems with application to selective photodegradation of organic pollutants in solution.

IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA DE ESTUDIO. Las sustancias orgánicas solubles en agua no biodegradables tales como ciertos herbicidas, colorantes industriales y metabolitos de fármacos de uso masivo son una de las principales fuentes de contaminación en aguas subterráneas de zonas agrícolas y en efluentes industriales y domésticos. Las reacciones fotocatalizadas por irradiación UV-visible y sensitizadores orgánicos e inorgánicos son uno de los métodos más económicos y convenientes para la descomposición de contaminantes en subproductos inocuos y/o biodegradables. En muchas aplicaciones es deseable un alto grado de especificidad, efectividad y velocidad de degradación de un dado agente contaminante que se encuentra presente en una mezcla compleja de sustancias orgánicas en solución. En particular son altamente deseables sistemas nano/micro -particulados que formen suspensiones acuosas estables debido a que estas permiten una fácil aplicación y una eficaz acción descontaminante en grandes volúmenes de fluidos. HIPÓTESIS Y PLANTEO DE LOS OBJETIVOS. El objetivo general de este proyecto es desarrollar sistemas nano/micro particulados formados por polímeros de impresión molecular (PIMs) y foto-sensibilizadores (FS). Un PIMs es un polímero especialmente sintetizado para que sea capaz de reconocer específicamente un analito (molécula plantilla) determinado. La actividad de unión específica de los PIMs en conjunto con la capacidad fotocatalizadora de los sensibilizadores pueden ser usadas para lograr la fotodescomposición específica de moléculas “plantilla” (en este caso un dado contaminante) en soluciones conteniendo mezclas complejas de sustancias orgánicas. MATERIALES Y MÉTODOS A UTILIZAR. Se utilizaran técnicas de polimerización en mini-emulsión para sintetizar los sistemas nano/micro PIM-FS para buscar la degradación de ciertos compuestos de interés. Para caracterizar eficiencias, mecanismos y especificidad de foto-degradación en dichos sistemas se utilizan diversas técnicas espectroscópicas (estacionarias y resueltas en el tiempo) y de cromatografía (HPLC y GC). Así mismo, para medir directamente distribuciones de afinidades de unión y eficiencia de foto-degradación se utilizaran técnicas de fluorescencia de molécula/partícula individual. Estas determinaciones permitirán obtener resultados importantes al momento de analizar los factores que afectan la eficiencia de foto-degradación (nano/micro escala), tales como cantidad y ubicación de foto- sensibilizadores en las matrices poliméricas y eficiencia de unión de la plantilla y los productos de degradación al PIM. RESULTADOS ESPERADOS. Los estudios propuestos apuntan a un mejor entendimiento de procesos foto-iniciados en entornos nano/micro-particulados para aplicar dichos conocimientos al diseño de sistemas optimizados para la foto-destrucción selectiva de contaminantes acuosos de relevancia social; tales como herbicidas, residuos industriales, metabolitos de fármacos de uso masivo, etc. IMPORTANCIA DEL PROYECTO. Los sistemas nano/micro-particulados PIM-FS que se propone desarrollar en este proyecto se presentan como candidatos ideales para tratamientos específicos de efluentes industriales y domésticos en los cuales se desea lograr la degradación selectiva de compuestos orgánicos. Los conocimientos adquiridos serán indispensables para construir una plataforma versátil de sistemas foto-catalíticos específicos para la degradación de diversos contaminantes orgánicos de interés social. En lo referente a la formación de recursos humanos, el proyecto propuesto contribuirá en forma directa a la formación de 3 estudiantes de postgrado y 2 estudiantes de grado. En las capacidades institucionales se contribuirá al acondicionamiento del Laboratorio para Microscopía Óptica Avanzada (LMOA) en el Dpto. de Química de la UNRC y al montaje de un sistema de microscopio de fluorescencia que permitirá la aplicación de técnicas avanzadas de espectroscopia de fluorescencia de molecula individual. Water-soluble organic molecules such as certain non-biodegradable herbicides, industrial dyes and metabolites of widespread use drugs are a major source of pollution in groundwater from agricultural areas and in industrial and domestic effluents. Photo-catalytic reactions by UV-visible irradiation and organic sensitizers are one of the most economical and convenient methods for the decomposition of pollutants into harmless byproducts. In many applications it is highly desirable a high degree of specificity, effectiveness and speed of degradation of specific pollutants present in a complex mixture. In particular nano/micro-particles systems that form stable aqueous suspensions are highly desirable because they allow for easy application and effective decontamination of large volumes of fluids. Herein we propose the development of nano/micro particles composed by molecularly imprinted polymers (MIP) and photo-sensitizers (PS). The specific binding of MIP and the photo-catalytic ability of the sensitizers are used to achieve the photo-decomposition of specific "template" molecules in complex mixtures. Mini-emulsion polymerization techniques will be used to synthesize nano/micro MIP-FS systems. Spectroscopy (steady-state and time resolved) and chromatography (GC and HPLC) will be used to characterize efficiency, mechanisms and specificity of photo-degradation in these systems. In addition single molecule/particle fluorescence spectroscopy techniques will be used to directly measure distributions of binding affinities and photo-degradation efficiency in individual particles. The proposed studies point to a more detailed understanding of the factors affecting the photo-degradation efficiency in nano/micro-particles and to apply that knowledge in the design of optimized systems for photo-selective destruction of socially relevant aqueous pollutants.