Mezclas de carboximetilcelulosa (CMC) y poli(anhídrido maleico – alt - etileno) (PEMA) con lacasa inmovilizada como potencial material para la degradación de derivados fenólicos presentes en agua residuales

Abstract

El presente trabajo estudió la síntesis de hidrogeles formados por carboximetilcelulosa (CMC) y poli(anhídrido maleico-alt-etileno) (PEMA) para la inmovilización de la enzima lacasa, evaluando su potencial degradación de compuestos fenólicos en aguas residuales. Los hidrogeles fueron sintetizados en proporciones variables de CMC:PEMA (75:25, 50:50, 25:75) y caracterizados mediante FTIR-ATR, pruebas de estabilidad estructural en agua, análisis del grado de hinchamiento y evaluación de porosidad mediante microscopía óptica. La enzima lacasa se inmovilizó en estas matrices, determinándose la actividad catalítica a distintas condiciones de pH. El objetivo principal fue desarrollar un material híbrido capaz de adsorber y degradar eficientemente compuestos fenólicos. La síntesis involucró la preparación de soluciones de CMC y PEMA, mezcladas en diferentes proporciones, seguidas de un proceso de congelación, liofilización y tratamiento térmico. Las pruebas de estabilidad estructural mostraron que los hidrogeles con mayor contenido de PEMA eran más estables en condiciones acuosas, mientras que los de mayor contenido de CMC exhibieron un mayor grado de hinchamiento, alcanzando un 5020,45% en la formulación 100:0. En términos de actividad enzimática, la proporción 75:25 de CMC:PEMA mostró la mejor retención de actividad catalítica en pH 5,0 y 7,0, con valores máximos de 202,04 U/mL y 158 U/mL, respectivamente. La eficiencia del proceso de inmovilización fue confirmada mediante el método de Bradford, mostrando un bajo porcentaje de enzima en el sobrenadante, particularmente en la formulación 75:25. Además, se realizaron ensayos con rojo de alizarina como contaminante modelo, evidenciando cambios visuales en el color asociados a la degradación del compuesto tanto con lacasa en solución como inmovilizada en los hidrogeles. Los resultados demostraron que el sistema híbrido combina as propiedades adsorbentes de los polímeros con la capacidad catalítica de la enzima, logrando degradar eficientemente este contaminante. Los hidrogeles CMC:PEMA con lacasa inmovilizada representan una solución prometedora para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con compuestos fenólicos. Su diseño permite ajustar la proporción de componentes para optimizar la estabilidad estructural y la funcionalidad catalítica, contribuyendo al desarrollo de tecnologías sostenibles y eficientes para abordar problemas ambientales críticos.

The present work studied hydrogels formed by carboxymethylcellulose (CMC) and poly (ethylene maleic -alt- anhydride) (PEMA) for the immobilization of the laccase enzyme, evaluating its potential in the removal and degradation of phenolic derivatives in wastewater. Hydrogels were synthesized in varying CMC:PEMA ratios (75:25, 50:50, 25:75) and characterized by FTIR-ATR, structural stability tests in water, swelling degree analysis and porosity evaluation by optical microscopy. The laccase enzyme was immobilized in these matrices, determining the catalytic activity and activity recovery under different pH conditions. The main objective was to develop a hybrid material capable of efficiently adsorbing and degrading phenolic compounds. The synthesis involved the preparation of independent solutions of CMC and PEMA, mixed in different proportions, followed by a process of freezing, lyophilization and heat treatment. Structural stability tests showed that hydrogels with higher PEMA content were more stable under aqueous conditions, while those with higher CMC content exhibited a higher degree of swelling, reaching 5020.45% in the 100:0 formulation. In terms of enzyme activity, the 75:25 ratio of CMC:PEMA showed the best retention of catalytic activity at pH 5,0 and 7,0, with maximum values of 202.04 U/mL and 158 U/mL, respectively. The efficiency of the immobilization process was confirmed by Bradford's method, showing a low percentage of non-immobilized enzyme in the supernatant, particularly in the 75:25 formulation. In addition, assays were performed with alizarin red as a model contaminant, evidencing visual changes in color associated with degradation of the compound both with laccase in solution and immobilized on hydrogels. The results demonstrated that the hybrid system combines the adsorptive properties of the polymers with the catalytic capacity of the enzyme, achieving efficient degradation of this pollutant. CMC: PEMA hydrogels with immobilized laccase represent a promising solution for the treatment of wastewater contaminated with phenolic compounds. Their design allows adjusting the ratio of components to optimize structural stability and catalytic functionality, contributing to the development of sustainable and efficient technologies to address critical environmental problems.