Biodegradación de resinas fenólicas usando hongos ligninolíticos

Abstract

RESUMEN Las resinas fenólicas (RF) son plásticos termoestables que se obtienen mediante la condensación de fenol y formaldehído en condiciones alcalinas formando polímeros reticulados mediante el calentamiento. El producto es rígido, frágil, con propiedades dieléctricas y soporta altas temperaturas, pero no puede refundirse ya que se degrada o se quema. Cuando termina su vida útil se convierte en desecho que se acumula porque no se puede reciclar y contamina el medio ambiente. Debido a la importancia comercial y al problema ambiental que generan dichos materiales, es imperativo encontrar sistemas biológicos capaces de biodegradar estos compuestos contaminantes para restablecer el equilibrio del medio ambiente de manera natural. Los hongos ligninolíticos (HL) también llamados “hongos de la podredumbre blanca” tienen la capacidad de degradar lignina enzimáticamente. La inespecificidad química y la alta actividad oxidante de sus enzimas les otorgan la capacidad de degradar diferentes compuestos orgánicos con estructura similar a la de las unidades monoméricas que constituyen la lignina. Considerando que la estructura de la lignina y las RF tienen estructuras similares, el objetivo de este trabajo es estudiar la biodegradación de las resinas fenólicas usando cepas de hongos ligninolíticos para disminuir su persistencia en el ambiente. Se sintetizó la RF en el laboratorio y se ensayaron 24 cepas de hongos ligninolíticos en una prueba previa y se seleccionaron las que presentaron mayor potencial para actuar sobre la RF considerando la colonización de la RF y cambios en el color del medio de cultivo circundante. Para demostrar la capacidad de biodegradación de las 8 cepas seleccionadas se colocaron piezas de la RF estéril sintetizada en el laboratorio en cada caja Petri con medio agar malta al 3% y se inoculó cada una de las cepas. Los cultivos se incubaron a 28°C durante 200 días, observando los cambios en la coloración del medio, el cual se comparó con Biodegradación de resinas fenólicas usando hongos ligninolíticos xi una caja control, que contenía la RF en el medio sin hongo y además el crecimiento del micelio sobre el fragmento de la RF. Posteriormente se realizó la extracción de la RF y se determinó el porcentaje de pérdida de peso, observación de la RF en microscopio óptico (MO) y en el microscopio electrónico de barrido (MEB). Posterior a la prueba de degradación se extrajeron productos solubles y se analizaron en el cromatógrafo de líquidos de alta resolución (HPLC) y en el cromatógrafo de gases acoplado a espectrometría de masas (GC-MS), para separar e identificar los productos de degradación. También se realizó una cinética de degradación con B. adusta 7308 durante 40 días muestreando cada 10 días para evaluar cambios físicos usando el microscopio óptico, determinar actividad enzimática y separar e identificar productos de degradación solubles por medio de HPLC Y GC-MS. El ensayo para evaluar la capacidad de biodegradación de las RF mostró resultados positivos. Las cepas de Bjerkandera adusta 7308, Pleurotus ostreatus 7992, Phanerochaete chrysosporium 4521, Trametes versicolor, Coriolopsis gallica 8260, Sporothricum pulverulentum 340, Trametes hispida y Trametes trogii crecieron sobre la resina y además generaron un halo color café en el medio alrededor de la RF, excepto en el control. Las observaciones en el microscopio óptico demostraron que el micelio penetra en la RF, las observaciones realizadas en el SEM proporcionaron evidencia visual de la degradación debido al cambio de la apariencia de la superficie, la cual no se presenta en el control, además de la pérdida de peso, así como la detección de posibles productos de biodegradación en los extractos y la medición de actividad enzimática confirmando con ello la biodegradación ocurrida lentamente.

ABSTRACT ________________________________________________________ Phenolic resins (PR) are thermoset plastics which are obtained by condensation of phenol and formaldehyde under alkaline conditions to form crosslinked polymers by heating. The product is stiff, brittle, with dielectric properties and withstands high temperatures but cannot be melted. When its useful life ends, it becomes a waste that accumulates, because it cannot be recycled and pollutes the environment. Due to the commercial importance and environmental problem generated, it is imperative to find biological systems able to biodegrade these pollutants in order to restore environmental balance naturally. Ligninolytic fungi (LF) also called "white rot fungi" have the ability to degrade lignin. Several enzymes are involved in this process and they are nonspecific with the capacity to produce free radicals. Lignin peroxidase, manganese peroxidase, versatile peroxidase and laccases are extracellular enzymes and they are involved in the lignin degradation with the contribution of the intracellular enzymatic system, cytochrome P450. In addition, these enzymes are able to transform a diversity of substrates, including pollutants and toxic compounds. The chemical no specificity and the strong oxidizing activity of the enzymes will provide the ability to degrade various organic compounds with similar structure to the monomer units constituting the lignin. Considering that the structure of lignin and PR are similar, the objective of this work, it is to study biodegradation of PR using LF strains to decrease their persistence in the environment. PR was synthesized in the laboratory and 24 strains of LF were tested in a prior test; the ones that showed the greatest potential to act on PR were selected, considering the colonization of PF and the color changes in the surrounding medium. To demonstrate the biodegradability of the 8 selected strains it was placed a piece of sterile PR synthesized in the laboratory in each Petri dish with culture medium of 3% malt agar and each of the strains were inoculated. Cultures Biodegradación de resinas fenólicas usando hongos ligninolíticos xiii were incubated at 28 ° C for 200 days observing the color changes of the medium compared to a control box containing the PR and the medium without addition fungus mycelial growth on the fragment of the PR. Subsequently the extraction of the PR was performed and the weight loss percentage determined and also the observation of the PR piece under an optical and scanning electron microscopes (SEM). We performed the soluble extract after degradation and injected into the high performance liquid chromatograph (HPLC) and in the gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS) to separate and identify degradation products. It was also performed a degradation kinetics with B. adusta 7308 for 40 days making extractions every 10 days to evaluate physical changes using the optical microscope, determinate enzymatic activity and also to separate and identify soluble degradation products by HPLC and GC-MS. The essay to evaluate the biodegradability of the PR gave positive results. Bjerkandera adusta 7308, Pleurotus ostreatus 7992, Phanerochaete chrysosporium 4521, Trametes versicolor, Coriolopsis gallica 8260, Sporothricum pulverulentum 340, Trametes trogii, Trametes hispida grew on the resin and also generated a brown halo color around the piece of the PR which did not came up in the control. The observations at the optical microscope showed that the mycelium penetrates the PR, the observations made with the SEM provided the visual evidence of the degradation due to the change of the appearance of the surface which did not came up in the control, besides the weight loss, as well as detection of the possible biodegradation products in the extracts and enzymatic activity detected, it confirms biodegradation although it occurs very slowly.