Pesquisa brasileira desenvolve material biotecnológico capaz de eliminar corantes tóxicos da água em minutos

Esta pesquisa contém um glossário ao fim, que explica os termos técnicos empregados no texto, mantidos para fortalecer a precisão conceitual da notícia 

Pesquisadores do Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia da Universidade do Vale do Taquari - Univates, em parceria com a Universidade de Santa Cruz do Sul (Unisc) e a Universidade de Aveiro, em Portugal, desenvolveram um sistema capaz de degradar completamente dois corantes sintéticos amplamente usados na indústria têxtil – o azul de bromofenol e o vermelho de fenol - em apenas quatro minutos de reação. 

O estudo, intitulado Immobilized laccase on chitosan–clay beads: an efficient system for synthetic dye removal" ("Lacase imobilizada em beads de quitosana-argila: um sistema eficiente para remoção de corantes sintéticos), foi publicado no periódico científico International Journal of Biological Macromolecules e assinado por Jéssica Samara Herek dos Santos, autora principal e correspondente do trabalho, ao lado de Ani Caroline Weber, Joana Willrich, Ana Maria Ferreira, Ana Paula Mora Tavares, Claucia Fernanda Volken de Souza, Valeriano Antonio Corbellini, Odorico Konrad, Elisete Maria de Freitas e Lucélia Hoehne.

A pesquisa nasceu do fato de que milhões de toneladas de corantes são produzidas todos os anos no mundo, e cerca de 15% desse volume é descartado sem tratamento adequado, contaminando rios, lagos e solos. O novo sistema propõe uma alternativa limpa, barata e reutilizável para reduzir o problema, utilizando uma enzima chamada lacase presa a pequenas esferas (beads) feitas de quitosana e argila.

O problema: corantes que a natureza não consegue decompor

Corantes sintéticos como o azul de bromofenol e o vermelho de fenol pertencem à classe química dos trifenilmetanos e são amplamente utilizados na indústria têxtil e como indicadores de pH em laboratórios. O grande obstáculo ambiental está justamente na perenidade química dessas moléculas: suas estruturas aromáticas altamente estáveis fazem com que sejam recalcitrantes, ou seja, muito resistentes à degradação natural, o que agrava seu impacto quando lançadas em corpos d'água.

Estudos ecotoxicológicos citados na pesquisa indicam que o vermelho de fenol apresenta potencial citotóxico, inibindo o crescimento de células renais e podendo, em concentrações elevadas ou exposição prolongada, apresentar efeitos carcinogênicos. Já o azul de bromofenol tem alta solubilidade em água, o que favorece sua persistência na coluna d'água e prolonga a exposição de organismos aquáticos aos seus efeitos tóxicos.

Diante desse cenário, os métodos convencionais de tratamento de efluentes, como processos físico-químicos tradicionais, têm se mostrado pouco eficientes, o que impulsiona a busca por alternativas mais sustentáveis, alinhadas à Agenda 2030 da Organização das Nações Unidas (ONU) para o Desenvolvimento Sustentável.

A solução: uma enzima "presa" em esferas de quitosana e argila

A resposta encontrada pela equipe está na catálise enzimática, um processo em que enzimas, proteínas capazes de acelerar reações químicas, promovem a oxidação e a posterior degradação de poluentes. Entre as enzimas mais promissoras para essa finalidade estão as lacases, capazes de degradar um amplo espectro de micropoluentes, incluindo corantes.

O problema é que enzimas livres em solução são caras, instáveis e difíceis de reaproveitar. Por isso, a pesquisa investiu na chamada imobilização enzimática, a fixação da lacase a um suporte sólido, que permite reutilizá-la várias vezes e aumenta sua estabilidade frente a variações de temperatura, pH e tempo de armazenamento.

O suporte escolhido pelos pesquisadores para os testes foi um material híbrido composto por quitosana – um biopolímero extraído de resíduos de crustáceos marinhos, renovável e biocompatível –, combinada com argila bentonita (montmorilonita), formando pequenas esferas porosas. A grande inovação do trabalho está no agente usado para "costurar" essas esferas: o ácido cítrico, um composto não tóxico e biocompatível, empregado como único agente de reticulação (crosslinking), sem a necessidade de glutaraldeído ou outros reagentes químicos perigosos, tradicionalmente usados nesse tipo de processo.

Como destacam os autores no artigo, o uso exclusivo do ácido cítrico como único agente de reticulação em suportes híbridos de quitosana-argila para imobilização de lacase ainda não havia sido relatado em condições comparáveis, o que caracteriza o ineditismo científico da abordagem.

Duas formulações principais foram testadas, variando a proporção entre quitosana e argila: a CC2/1 (proporção 2:1) e a CC2.5/0.5 (proporção 2,5:0,5). Foi a comparação que permitiu à equipe avaliar como a composição do suporte influencia a eficiência da imobilização e o desempenho catalítico do sistema.

Os principais resultados: rapidez, robustez e reaproveitamento

Alta eficiência de imobilização

O suporte CC2/1 se destacou como a formulação mais eficiente, alcançando um rendimento de imobilização de 93%. Ou seja, quase toda a enzima disponível foi efetivamente retida na estrutura das esferas, com perdas mínimas para a solução. Além disso, esse suporte apresentou uma eficiência de imobilização de 210%, um valor expressivo que, segundo os pesquisadores, está associado a mudanças no microambiente proporcionado pelo suporte, que favorecem uma orientação mais adequada da enzima e uma melhor acessibilidade ao seu sítio catalítico.

Degradação completa dos corantes em minutos

O resultado mais chamativo do estudo diz respeito à velocidade de degradação dos corantes. Enquanto a enzima livre (não imobilizada) degradou apenas 6% do vermelho de fenol e 8% do azul de bromofenol após 20 minutos de reação, o sistema imobilizado no suporte CC2/1 promoveu a degradação completa de ambos os corantes em apenas 4 minutos. Já a formulação CC2.5/0.5 atingiu o mesmo patamar de degradação, porém em 20 minutos.

Os pesquisadores explicam essa diferença de desempenho pela arquitetura físico-química do suporte. A matriz de quitosana-argila cria um microambiente poroso e hidrofílico que facilita a difusão do corante até o sítio ativo da enzima, enquanto a reticulação com ácido cítrico introduz grupos carboxila que aumentam a rigidez da rede e estabilizam a conformação da enzima. Além disso, foi constatado que a remoção da cor não decorreu de simples adsorção física do corante pela quitosana (que naturalmente tem essa capacidade), mas sim da transformação química oxidativa promovida pela enzima, o que foi confirmado pela redução da concentração de compostos fenólicos, medida por método colorimétrico específico.

Resistência a variações de temperatura e pH

Outro achado relevante da pesquisa é o aumento da tolerância da enzima a condições extremas depois de imobilizada. A lacase livre apresentou atividade máxima em condições ácidas – comportamento típico de lacases fúngicas. Após a imobilização, esse perfil ácido de atividade máxima foi mantido, mas com um alargamento importante da faixa de pH em que a enzima permanece ativa, chegando a manter atividade significativa mesmo em pH extremamente ácido (pH 2), o que não ocorre com a enzima livre.

Do ponto de vista térmico, a enzima imobilizada também se mostrou mais resistente ao calor. Testes de inativação térmica, conduzidos entre 68°C e 75°C, mostraram que a meia-vida da enzima imobilizada (tempo necessário para que a atividade caia à metade) chegou a ser até 4,7 vezes maior do que a da enzima livre, dependendo da temperatura testada. O ganho de estabilidade foi atribuído à formação de uma rede rígida entre enzima e suporte, que restringe a mobilidade molecular responsável pela desnaturação térmica.

Longa vida útil em armazenamento

A viabilidade de armazenamento também foi avaliada ao longo de 180 dias (seis meses), sob refrigeração (4°C) e à temperatura ambiente (25°C). Sob refrigeração, o suporte CC2/1 manteve 95% de sua atividade inicial após 90 dias e ainda conservava 79% de atividade após seis meses de armazenamento – um resultado importante se comparado à enzima livre, que perdeu mais de 90% de sua atividade no mesmo período.

Curiosamente, os pesquisadores observaram um aumento temporário na atividade enzimática durante os primeiros 30 dias de armazenamento refrigerado, fenômeno atribuído a uma espécie de "fase de maturação" pós-imobilização, na qual ocorrem ajustes graduais na interação entre a enzima e o suporte que favorecem sua conformação catalítica ideal.

Reutilização por até dez ciclos

Um dos aspectos mais relevantes para a viabilidade prática e econômica do sistema é a possibilidade de reutilização. Os testes mostraram que, nos três primeiros ciclos de uso, não houve perda significativa de eficiência na degradação dos corantes. Após cinco ciclos consecutivos, o suporte CC2/1 ainda mantinha altos percentuais de degradação para ambos os corantes. Mesmo depois de dez ciclos completos de reutilização, o sistema ainda apresentava capacidade residual de degradação, especialmente para o vermelho de fenol.

Esses resultados no contexto de uso repetido são um diferencial importante, já que reduz os custos operacionais de um eventual sistema de tratamento de efluentes em escala industrial, uma das principais barreiras para a adoção de processos enzimáticos no setor.

Segurança ambiental comprovada com microcrustáceos

Para além da eficácia de degradação, a equipe se preocupou em responder a uma pergunta derivada: os subprodutos gerados pela degradação enzimática são realmente menos tóxicos do que os corantes originais? Para isso, foram realizados testes de toxicidade aguda utilizando Artemia salina, um microcrustáceo marinho amplamente empregado como bioindicador em estudos de ecotoxicologia por sua sensibilidade e reprodutibilidade.

Os resultados foram promissores: antes do tratamento, o azul de bromofenol apresentava toxicidade aguda relevante (concentração letal para 50% dos organismos: LC₅₀/de 36 mg/L), assim como o vermelho de fenol (LC₅₀ de 54 mg/L). Após o tratamento enzimático, a toxicidade do azul de bromofenol caiu de forma expressiva, com LC₅₀ subindo para 56 mg/L (suporte CC2/1) e 59 mg/L (suporte CC2.5/0.5), quanto maior o valor de LC₅₀, menor a toxicidade. Já para o vermelho de fenol, não foi detectada mortalidade significativa dos organismos em nenhuma das concentrações testadas após o tratamento, sugerindo que os produtos de degradação praticamente não apresentam mais toxicidade aguda.

Como ressaltam os autores, essa é uma etapa frequentemente negligenciada em estudos de degradação de poluentes: "a degradação de poluentes orgânicos por enzimas imobilizadas não garante necessariamente uma redução de seus riscos ambientais, já que os produtos de degradação podem ser igualmente ou até mais tóxicos do que o composto original", por isso a importância de aliar testes de descoloração a ensaios ecotoxicológicos.

Caracterização físico-química confirma a formação do material híbrido

Para comprovar que o material realmente se formou como planejado, a equipe utilizou duas técnicas de caracterização complementares: espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). As análises de FT-IR confirmaram a presença de bandas características tanto da quitosana quanto da argila montmorilonita, apresentando a formação bem-sucedida do material híbrido, além de indícios da presença de grupos de carboxilato originados do ácido cítrico usado na reticulação.

Já as imagens de microscopia eletrônica revelaram diferenças visuais nítidas entre os suportes antes e depois da imobilização da enzima. As esferas não funcionalizadas apresentaram superfícies rugosas, heterogêneas e com microporosidade evidente, características de materiais compósitos organo-inorgânicos; após a imobilização da lacase, as superfícies se tornaram visivelmente mais compactas e menos heterogêneas, um indício indireto da presença da enzima e de rearranjos na matriz polimérica durante o processo.

Por que essa pesquisa importa

O trabalho se conecta diretamente a três Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU: o ODS 6 (água potável e saneamento), o ODS 9 (indústria, inovação e infraestrutura) e o ODS 12 (consumo e produção responsáveis). Quando elimina a necessidade de reagentes tóxicos como o glutaraldeído, amplamente utilizado em processos convencionais de imobilização enzimática, o estudo propõe um caminho mais seguro tanto para quem manuseia o material em laboratório ou indústria quanto para o meio ambiente que recebe os efluentes tratados.

Do ponto de vista prático, o sistema desenvolvido reúne características raramente encontradas juntas em um único biocatalisador, sendo a velocidade de reação (degradação completa em poucos minutos), a robustez frente a condições adversas de temperatura e pH, capacidade de reutilização por múltiplos ciclos, longa vida útil em armazenamento e, sobretudo, comprovação de que o processo realmente reduz a toxicidade dos poluentes tratados, e não apenas sua coloração visível.

Como concluem os próprios autores, "esses resultados estabelecem o biocompósito de quitosana-argila desenvolvido neste estudo como uma plataforma verde e confiável para a remediação de águas residuais e outras biotecnologias ambientais". Os pesquisadores destacam ainda que, embora os resultados sejam promissores, etapas futuras, como a identificação química exata dos produtos de degradação por técnicas de cromatografia e espectrometria de massas, ainda são necessárias para elucidar completamente os caminhos de oxidação envolvidos no processo.

Ficha técnica

Título original: Immobilized laccase on chitosan–clay beads: an efficient system for synthetic dye removal

Periódico: International Journal of Biological Macromolecules

Autora correspondente: Jéssica Samara Herek dos Santos

Demais autores: Ani Caroline Weber, Joana Willrich, Ana Maria Ferreira, Ana Paula Mora Tavares, Claucia Fernanda Volken de Souza, Valeriano Antonio Corbellini, Odorico Konrad, Elisete Maria de Freitas e Lucélia Hoehne

Instituições envolvidas: Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia da Universidade do Vale do Taquari (Univates, Lajeado/RS); Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Desenvolvimento da Univates; Departamento de Física e Química da Universidade de Santa Cruz do Sul (Unisc); CICECO – Departamento de Química da Universidade de Aveiro (Portugal)

Financiamento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Universidade do Vale do Taquari (Univates) e Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), de Portugal

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.153278. 

Glossário

Bioindicador: organismo vivo (no caso deste estudo, o microcrustáceo Artemia salina) utilizado para avaliar, por meio de sua resposta biológica, os efeitos tóxicos de uma substância ou de um ambiente.

Biocatalisador: agente de origem biológica (como uma enzima) capaz de acelerar reações químicas sem ser consumido no processo.

Biopolímero: biopolímeros são grandes moléculas (polímeros) criadas por seres vivos ou feitas de fontes naturais renováveis.

Ecotoxicologia: área da ciência que estuda os efeitos tóxicos de substâncias químicas sobre organismos vivos e ecossistemas.

Enzima: proteína capaz de acelerar (catalisar) reações químicas específicas, sem ser consumida durante o processo.

Imobilização enzimática: técnica que consiste em fixar uma enzima a um suporte sólido (como um polímero ou material compósito), permitindo sua reutilização em múltiplos ciclos e aumentando sua estabilidade.

Lacase: enzima da classe das oxidases multicobre, produzida naturalmente por fungos, capaz de oxidar diversos compostos orgânicos, incluindo corantes e outros poluentes.

LC₅₀ (concentração letal mediana): concentração de uma substância capaz de causar a morte de 50% de uma população de organismos testados em um ensaio de toxicidade; quanto maior o valor, menor a toxicidade da substância.

Micropoluente: substância química presente em baixas concentrações no ambiente (como corantes, fármacos e pesticidas), mas que pode causar impactos significativos à saúde e aos ecossistemas.

Multicobre (enzima): enzima cuja atividade catalítica depende da presença de átomos de cobre em sua estrutura, essenciais para os processos de transferência de elétrons durante a reação.

Quitosana: biopolímero natural derivado da quitina, extraída principalmente de exoesqueletos de crustáceos, amplamente utilizado como suporte biocompatível em aplicações biotecnológicas e ambientais.

Reticulação (crosslinking): processo químico que promove a formação de ligações entre cadeias de um polímero, aumentando sua estabilidade estrutural; no estudo, foi realizado exclusivamente com ácido cítrico, um agente não tóxico.

Rendimento de imobilização: percentual da atividade enzimática original que permanece associada ao suporte após o processo de imobilização.