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Universidade de São Paulo
Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”
Ação das enzimas ligninolíticas produzidas por Aspergillus niger e Penicillium
sp. em bagaço de cana-de-açúcar tratado quimicamente
Cristiane Cipola Fasanella
Dissertação apresentada para obtenção do título de Mestre em
Agronomia. Área de concentração: Microbiologia Agrícola
Piracicaba
2008
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Cristiane Cipola Fasanella
Bióloga
Ação das enzimas ligninolíticas produzidas por Aspergillus niger e Penicillium
sp. em bagaço de cana-de-açúcar tratado quimicamente
Orientadora:
Prof
a
. Dra. REGINA TERESA ROSIM MONTEIRO
Dissertação apresentada para obtenção do título de Mestre em
Agronomia. Área de concentração: Microbiologia Agrícola
Piracicaba
2008
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
DIVISÃO DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAÇÃO - ESALQ/USP
Fasanella, Cristiane Cipola
Ação das enzimas ligninolíticas produzidas por Aspergillus niger e Penicillium sp. em
bagaço de cana-de-açúcar tratado quimicamente / Cristiane Cipola Fasanella. - -
Piracicaba, 2008.
80 p. : il.
Dissertação (Mestrado) - - Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, 2008.
Bibliografia.
1. Aspergillus 2. Bagaços - Tratamento químico 3. Cana-de-açúcar 4. Enzimas 5. Lignin
a
6. Penicillium I. Título
CDD 576.11925
F248a
“Permitida a cópia total ou parcial deste documento, desde que citada a fonte – O autor”
3
DEDICO
Aos meus pais, Angelo e Waldirlene pelo apoio, carinho e
confiança e ao meu filho, Fellipe. Dedico também em
memória do meu avô Pedro Cipola, que apesar de não
estar mais aqui entre nós, tenho certeza que estaria
orgulhoso de me ver chegar aonde cheguei.
OFEREÇO
Aos meus pais , ao meu filho, à minha irmã e aos meus
guias espirituais por estarem sempre ao meu lado me
ajudando a tomar decisões corretas.
4
A
gradecimentos
À Professora Dra. Regina Teresa Rosim Monteiro pela orientação, dedicação ao meu trabalho,
carinho e acolhimento durante esses dois anos.
Ao CNPQ pela bolsa concedida.
Ao CENA pelo acolhimento em seus laboratórios, biblioteca e serviços de informática.
Ao Curso de pós-graduação em Agronomia, área Microbiologia Agrícola pela oportunidade.
Aos meus pais por terem me apoiado e confiado em mim e na minha capacidade esses 2 anos
e principalmente por terem cuidado e educado meu filho com tanto amor e carinho enquanto
estive aqui desenvolvendo as atividades do mestrado.
Ao Professor Dr. Nelson Massola pela ajuda na identificação de uma das linhagens fúngicas
utilizadas no trabalho.
À Professora Dra. Neusa Nogueira, à Mônica Rossi e à Professora Dra. Célia pela ajuda e
dedicação no desenvolvimento da microscopia eletrônica dos.
À técnica Rosângela pela ajuda nas tardes e manhãs concedidas a realização deste trabalho.
Aos colegas de laboratório: Geórgia, Tâmara, Laise, Vivian, Majú, Mário, Luiz Fernando,
Gabriela e Rita, por estarem sempre presentes e por terem proporcionado um ambiente
delicioso de trabalho com ótimo humor e boas risadas.
Ao amigo Luiz Fernando Romanholo Ferreira pela paciência e acompanhamento mesmo aos
sábados e domingos ajudando no laboratório e nas leituras das enzimas sempre que
necessário.
À amiga Georgia pela amizade, por ajudar sempre que precisei estando sempre de prontidão
quando preciso e pelos papos durante o café.
Às “Codornas” (Laura, Lilian e Júlia) – amigas as quais eu não seria tão feliz aqui se elas não
fizessem parte da minha vida. Amigas as quais foram de imensa importância pela minha
estabilidade em Piracicaba e por proporcionarem momentos definitivamente inesquecíveis.
Aos meus amigos de Vargem – Lícia, Jô, Milena, Olívia, Tiaguinho e Fábio pela força no
início do mestrado e pelo apoio neste período de tempo em que estive aqui em Piracicaba.
Aos meus professores de graduação – Maurício, Arthur e Eliana por terem sido excelentes
professores e verdadeiros mestres, e principalmente pelo apoio em relação ao mestrado, pela
5
força para continuar na vida acadêmica e por confiarem na minha capacidade incentivando
sempre a caminhar para frente.
Ao Fernando por ter sido um ótimo companheiro no ano de 2008, por mostrar um caminho
que antes não acreditava mais existir, por se tornar alguém tão especial na minha vida, na vida
dos meus familiares e principalmente na vida do meu filho. E agradeço também por ser
paciente comigo ajudando em vários pontos no desenvolvimento da dissertação.
.
.
.
.
.
Muito Obrigada.
6
"Cada vez ponho na essência anímica do meu sangue o
propósito impessoal de engrandecer a pátria e contribuir
para a evolução da humanidade”
Fernando Pessoa
7
SUMÁRIO
RESUMO ..................................................................................................................................9
ABSTRACT.............................................................................................................................10
LISTA DE FIGURAS..............................................................................................................11
LISTA DE TABELAS.............................................................................................................13
1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................14
2 DESENVOLVIMENTO.......................................................................................................16
2.1 Revisão Bibliográfica.........................................................................................................16
2.1.1 Cana de açúcar................................................................................................................16
2.1.2 Organização e biodegradação de compostos lignocelulósicos.......................................18
2.1.2.1 Celulose.......................................................................................................................19
2.1.2.2 Hemicelulose...............................................................................................................20
2.1.2.3 Lignina.........................................................................................................................21
2.1.3 Fungos lignocelulósicos..................................................................................................23
2.1.3.1 Aspergillus sp. ............................................................................................................25
2.1.3.2. Penicillium sp.............................................................................................................26
2.1.4 Enzimas ligninolíticas................................................................................................ ....27
2.1.4.1 Manganês peroxidase ..................................................................................................28
2.1.4.2 Lacases ........................................................................................................................29
2.1.4.3 Peroxidases..................................................................................................................30
2.1.5 Pré-tratamento de materiais lignocelulósicos.................................................................31
2.2 Material e Métodos............................................................................................................33
2.2.1 Linhagens fúngicas utilizadas.........................................................................................33
2.2.2 Manutenção das linhagens e condições de cultivo.........................................................33
2.2.3 Bagaço de cana-de-açúcar..............................................................................................33
2.2.4 Pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar.................................................................34
2.2.5 Observação das alterações físicas do bagaço por microscopia.......................................34
2.2.5.1 Preparo das amostras para microscopia eletrônica de varredura.................................35
2.2.6 Avaliação do desenvolvimento fúngico sobre o bagaço pré-tratado quimicamente......35
2.2.7 Preparo das amostras para microscopia eletrônica de transmissão (MET)....................36
8
2.2.8 Determinação da atividade enzimática dos fungos desenvolvidos sobre bagaço de cana-
de-açúcar..................................................................................................................................36
2.2.8.1 Determinação da atividade da lacase...........................................................................37
2.2.8.2 Determinação da atividade da manganês peroxidase...................................................37
2.2.9 Determinação dos teores de lignina, celulose e hemicelulose........................................38
2.2.10 Análise estatística.........................................................................................................38
2.3 Resultados e Discussão......................................................................................................39
2.3.1 Visualização da estrutura do bagaço tratado química e biologicamente........................39
2.3.1.1 Efeito dos tratamentos químicos evidenciados por microscopia eletrônica de
varredura..................................................................................................................................39
2.3.1.2 Colonização fúngica observada por microscopia eletrônica de varredura...................44
2.3.1.3 Colonização fúngica sobre o bagaço de cana-de-açúcar obervado por microscopia
óptica e microscopia eletrônica de transmissão.......................................................................45
2.3.2 Análise dos teores de lignina, celulose e hemicelulose do bagaço de cana-de-
açúcar.......................................................................................................................................48
2.3.3 Resultados da atividade enzimática................................................................................49
2.3.3.1 Atividade das enzimas lacase e MnP produzida pelo fungo A. nige...........................50
2.3.3.2 Atividade das enzimas lacase e MnP produzidas pelo fungo Penicillium sp..............52
2.3.3.3 Observaões gerais dos resultados das atividades enzimáticas.....................................55
3 CONCLUSÕES....................................................................................................................60
REFERÊNCIAS.......................................................................................................................61
ANEXOS.................................................................................................................................78
9
RESUMO
Ação das enzimas ligninolíticas produzidas por Aspergillus niger e Penicillium sp. em
bagaço de cana-de-açúcar tratado quimicamente
A cana-de-açúcar é uma das matérias primas para a produção de açúcar e álcool. Durante o
processo de produção, é gerado como subproduto (ou resíduo) o bagaço, que possui várias
aplicações, entre elas a geração de energia, fertilizantes, produção de combustíveis e ração
animal. O bagaço da cana-de-açúcar é composto principalmente por materiais
lignocelulósicos, possuindo como constituintes principais a celulose, a hemicelulose e a
lignina. A lignina é um dos materiais mais recalcitrantes na natureza e, conseqüentemente,
dificulta o acesso de enzimas aos carboidratos fermentáveis, reduzindo a eficiência da
degradação da celulose e da fermentação. Uma das vias de degradação da lignina ocorre
através da ação de enzimas produzidas por fungos de degradação branca, marrom e macia.
Essas enzimas são capazes de degradar e expor a celulose e a hemicelulose, que, por sua vez
são prontamente utilizadas por outros microrganismos. Para que isso ocorra, esses fungos
promovem um processo de oxidação de compostos fenólicos e não fenólicos da molécula de
lignina por meio de enzimas ligninolíticas extracelulares entre elas a lacase e a manganês
peroxidase (MnP), em baixa velocidade, porém com grande eficiência. O presente trabalho
tem como objetivo avaliar diferentes tratamentos químicos alcalinos (NaOH e Ca(OH)
2
) e
biológicos (Penicillium sp. e Aspergillus niger) por microscopia óptica, eletrônica de
transmissão e de varredura com o intuito de promover uma alteração física na estrutura da
fibra do bagaço de cana-de-açúcar. Os resultados foram avaliados pelas técnicas de
microscopia demonstrando que a ação dos tratamentos químicos, principalmente do NaOH +
Ca(OH)
2
, provocou uma eficiente desestruturação das fibras em comparação aos outros
tratamentos. Em relação às atividades enzimáticas, o pré-tratamento do bagaço com NaOH +.
Ca(OH)
2
associado ao A. niger mostrou ser mais eficiente para a produção de lacase. Já para a
atividade enzimática de MnP, o tratamento controle (bagaço autoclavado) foi o que
apresentou maior eficiência. Para Penicillim sp., a atividade enzimática da lacase não
aprsesentou diferença significativa entre os pré-tratamentos bagaço autoclavado e NaOH +
Ca(OH)
2
, no entanto, quando comparados aos pré-tratamentos com NaOH e Ca(OH)
2
foram
os mais eficientes para a produção dessa enzima. Para a enzima MnP, o pré-tratamento
associado às duas bases foi mais eficiente.
Palavras-chave: Enzimas ligninolíticas, Pré-tratamento alcalino, Bagaço de cana-de-açúcar,
Aspergillus niger; Penicillium sp.
10
ABSTRACT
The action of lignolytic enzymes produced by Aspergillus niger and Penicillium sp
in chemically treated sugarcane bagasse
Sugarcane is one of the raw materials used for sugar and alcohol production. During the
production process, bagasse is generated as a subproduct (or residue), which has a large range
of application, as electric power generation, fertilizers, combustible production and animal
feeding. Sugarcane bagasse is mainly composed by lignocellulosic material, containing as
main component cellulose, hemicelluloses and lignin. Lignin is one of the most recalcitrant
naturally found molecules, and, consequently, hardens the access of enzymes to fermentable
carbohydrates, decreasing the efficiency of cellulose degradation and fermentation. One of the
lignin degradation pathways occurs throughout the action of enzymes produced by white-rot,
brown and soft-rot fungi. These enzymes are able to degrade lignin, exposing cellulose and
hemicelluloses, which get available for other microorganisms. In order to perform this
process, these fungi promote an oxidation process of phenolic and non-phenolic compounds
of the lignin molecule, by the lignolytic extracellular enzymes. Among them are the enzymes
laccase and manganese peroxidase (MnP), which have a slow rate activity, however of high
efficiency. The present work has as objective to evaluate different alkaline chemical (NaOH
and Ca(OH)
2
) and biological (Penicillium sp. and Aspergillus niger) treatments by optic
microscopy, scanning electron microscopy and transmission electronic microscopy to
promote alteration on the physical structure of the sugarcane bagasse fiber. The results were
evaluated by the microscopy technique, showing that the activity of the chemical treatments,
in special of NaOH + Ca(OH)
2
promoted an efficient loss of structure of fibers in comparison
to the other treatments. In respect to the enzymatic activity, the bagasse pre-treated with
NaOH + Ca(OH)
2,
in association with A. Niger showed to be more efficient for laccase
production. Meanwhile, for the MnP enzymatic activity, the control treatment (only
autoclaved bagasse) was that presented the highest efficiency. For Penicillium sp., the laccase
enzymatic activity did not present any significant difference among the pre-treatments
autoclaved bagasse (control) and NaOH + Ca(OH)
2
. However, when compared to the pre-
treatments with NaOH and Ca(OH)
2,
they
were more efficient for the production of the
referred enzyme. For MnP, the pre-treatments associated to both alkalis had an increased
efficiency.
Keywords: Ligninolytic enzymes; Pre-treatments; Sugarcane bagasse; Aspergillus niger;
Penicillium sp.
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Conidióforo de Aspergillus ochraceus e terminologia das estruturas usadas na
classificação e identificação dos Aspergillus. Visíveis nas figuras as métulas
(células estéreis), fiálides (células conidiogenicas) e conídio (esporos assexuais)...25
Figura 2 - Conidióforos de Penicillium com penicilli do tipo mais simples (penicillus
monoverticilado vesiculado de P. glabrum) e complexo (penicillus terverticilado
de estipe liso de P. brevicompactum).......................................................................27
Figura 3 - Estrutura do bagaço de cana-de-açúcar sem tratamento químico ou biológico........40
Figura 4 - Estrutura do bagaço de cana de açúcar tratado quimicamente com as bases NaOH
e Ca(OH)
2
conjuntamente.........................................................................................40
Figura 5 – Estrutura do bagaço de cana de açúcar tratado quimicamente com NaOH ..............41
Figura 6 – Estrutura do bagaço de cana de açúcar tratado quimicamente com Ca(OH)
2
..........41
Figura 7 - Observação da colonização do fungo Penicillium sp. em bagaço de cana-de-açúcar
sem tratamento (a, b) e pré-tratado quimicamente com NaOH juntamente com
Ca(OH)
2
(c, d, e).......................................................................................................44
Figura 8 - Microscopia óptica com aumento de 400X mostrando a colonização de
Penicillium sp. em bagaço de cana-de-açúcar sem tratamento químico (a) e pré-
tratado quimicamente com NaOH + Ca(OH)
2
(b) ....................................................45
Figura 9 - Microscopia eletrônica de varredura mostrando a colonização de Penicillium sp.
em bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado quimicamente com NaOH e Ca(OH)
2
. ..46
12
Figura 10 – Atividade da enzima lacase (U/L) produzida pelo fungo A. niger inoculado em
bagaço de cana-de-açúcar submetidos a tratamentos com NaOH, Ca(OH)
2
, NaOH
+ Ca(OH)
2
e controle (bagaço sem tratamento) no período de 15 dias....................51
Figura 11 - Atividade da enzima MnP (U/L) produzida pelo fungo A. niger inoculado em
bagaço de cana-de-açúcar submetidos a tratamentos com NaOH, Ca(OH)2, NaOH
+ Ca(OH)2 e controle (bagaço sem tratamento) no período de 15 dias ...................52
Figura 12 - Atividade da enzima lacase (U/L) produzida pelo fungo Penicillium sp. inoculado
em bagaço de cana-de-açúcar submetidos a tratamentos com NaOH, Ca(OH)2,
NaOH + Ca(OH)2 e controle (bagaço sem tratamento) no período de 15 dias........53
Figura 13 - Atividade da enzima MnP (U/L) produzida pelo fungo Penicillium sp. inoculado
em bagaço de cana-de-açúcar submetidos a tratamentos com NaOH, Ca(OH)2,
NaOH + Ca(OH)2 e controle (bagaço sem tratamento) no período de 15 dias........54
13
LISTA DE TABELA
Tabela 1 - Caracterização do bagaço de cana-de-açúcar sem e com pré-tratamento alcalino
em porcentagem da matéria seca........................................................................49
14
1 INTRODUÇÃO
A cultura da cana-de-açúcar ocupa uma área de 5,82 milhões de hectares no Brasil,
onde tem grande importância devido à sua múltipla utilidade, podendo ser empregada “in
natura”, sob a forma de forragem, para alimentação animal, ou como matéria-prima para a
fabricação de rapadura, melado, aguardente, açúcar e álcool. Na produção de açúcar e álcool,
esta cultura gera subprodutos ou resíduos como o bagaço, palha, melaço, torta de filtro e
vinhaça, os quais têm grande importância econômica. O bagaço, por exemplo, tem sido
utilizado como combustíveis, biomassa, veículo para ração animal, dentre outros.
Nos últimos anos, ocorreu um crescente interesse em se utilizar o bagaço como
biomassa para produção de energia, gerando eletricidade e açúcares fermentáveis Esta nova
área de aplicação do bagaço surge como uma solução alternativa para o problema da
diminuição progressiva das reservas de combustíveis derivados do petróleo. Assim, um
processo biotecnológico eficiente e economicamente viável se faz necessário para esta
utilização.
O bagaço de cana-de-açúcar é composto principalmente por materiais lignocelulósicos
possuindo como constituintes principais: celulose, hemicelulose e lignina. Esses compostos,
principalmente a lignina, é um dos materiais mais recalcitrantes na natureza e de difícil e
prolongada degradação por ser um polímero tridimensional, composto de vários anéis
aromáticos estavelmente ligados. Como conseqüência da ação antropológica no processo de
produção e transformação desses materiais, hoje existe um grande acúmulo de resíduos
lignocelulósicos. Com isso, pesquisas vêm sendo realizadas, em grande número, buscando o
seu melhor reaproveitamento, sendo considerados os custos, o tempo e a eficiência dos
processos existentes na reciclagem. Alguns dos processos de conversão de resíduos
lignocelulósicos às formas úteis de energia incluem a aplicação de álcalis, hidrólise ácida,
hidrotermólise e tratamentos biológicos – os quais se destacam por serem mais econômicos e
específicos que os processos químicos. O maior problema enfrentado hoje na bioconversão
dos resíduos lignocelulósicos a partir de sua forma natural é a inacessibilidade aos polímeros
de carboidratos, devido à estreita associação destes com a lignina, que atua como uma barreira
física.
15
A degradação da lignina ocorre pelos fungos de degradação branca, marrom e macia,
os quais são capazes de degradá-la expondo a celulose e hemicelulose, que por sua vez são
prontamente utilizadas por outros microrganismos. Esses fungos são taxonomicamente
diversos, sendo a maioria deles pertencentes à subdivisão Basidiomicetos (fungos de
degradação branca e parda). Outros fungos capazes de promover esta degradação inicial são
da classe dos Ascomicetos, também conhecidos como fungos anamórficos (fungos de
degradação macia). Nestes últimos, a degradação ocorre em velocidades mais baixas. A
atividade ligninolítica, decorre de um grupo de enzimas responsáveis pelo processo de
oxidação de compostos fenólicos e não fenólicos da molécula de lignina, genericamente
chamadas de ligninases, entre as quais estão as lacases, as várias formas de peroxidases
(manganês peroxidase e lignina peroxidase). A combinação das enzimas manganês peroxidase
e lacase ou lignina peroxidase, compõem o sistema enzimático mínimo necessário para a
degradação da lignina.
O presente trabalho teve como objetivo avaliar a alteração da estrutura física da fibra
do bagaço de cana-de-açúcar por meio de microscopia óptica, eletrônica de varredura (MEV)
e eletrônica de transmissão (MET) após aplicação de diferentes tratamentos químicos
alcalinos (NaOH e Ca(OH)
2
), utilizados separados e conjuntamente e, biológicos: Penicillium
sp. e Aspergillus niger). para inferir a ação do desenvolvimentos desses fungos sobre esses
tratamentos químicos, avaliando a produção de enzimas ligninolíticas das linhagens.
16
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 Revisão Bibliográfica
2.1.1 Cana de açúcar
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar. Estima-se que a safra
2007/2008 seja de 420 milhões de toneladas (UNIÃO DA AGROINDÚSTRIA
CANAVIEIRA DE SÃO PAULO – ÚNICA, 2008). A região Centro-Sul possui a maior
produção (85%), destacando-se os estados de São Paulo (60%), Paraná (8%), Minas Gerais
(5%), Mato Grosso (4%), Goiás (3%) e Mato Grosso do Sul (2%) (RIPOLI; RIPOLI, 2004).
Cerca de 55% da produção canavieira é destinada à fabricação de álcool (18,5 milhões de m³)
e o restante para produção de açúcar (25 milhões de toneladas). Esta cultura chega a
movimentar R$ 36 bilhões/ano, o que representa 3,5% do Produto Interno Bruto (PIB)
nacional (FNP – CONSULTORIA & COMÉRCIO, 2007).
A cana é cultivada em uma área de 5,82 milhões de hectares no território, sendo a
produção processada por 320 usinas (FNP – CONSULTORIA & COMÉRCIO, 2007) e 67
destilarias (ÚNICA, 2008). Além da produção de açúcar e álcool, a cultura gera subprodutos
como o bagaço, palha, melaço, torta de filtro e vinhaça.
Segundo Nogueira e Venturini Filho (2005), a cana é uma gramínea, cultivada em
regiões tropicais e subtropicais, apresentando a propriedade de sintetizar e armazenar
significativa quantidade de sacarose em seus tecidos de reserva. A planta é composta por duas
partes: uma subterrânea (rizomas e raízes) e outra aérea (colmo, folhas e flores). O colmo é
constituído de nós e entrenós (ou internódios, ou gomos, ou meritalos). Possui um sistema
com duas fases, a fase sólida, também chamada de fibra, constituída por celulose, lignina e
hemicelulose e, a fase líquida cujo caldo contém substâncias orgânicas e 90% de sacarose. A
função do colmo é de suportar a parte aérea, conduzir água e nutrientes do solo para as folhas
onde os açucares são sintetizados, transportar estes carboidratos para as outras partes da
planta e armazenar sacarose e outras substâncias.
17
A composição química do colmo é influenciada pelo clima, propriedades físicas,
químicas e microbiológicas do solo, tipo de cultivo empregado, variedade, estágio de
maturação e idade da planta, sendo que a variação desta composição ocorre
quantitativamente. Qualitativamente, é semelhante em todas as variedades, sendo constituída
de água (±70%), matéria orgânica (±25%) e matéria mineral (±0,5%). Estes constituintes não
se encontram nas mesmas proporções nas diferentes partes do colmo (NOGUEIRA;
VENTURINI FILHO, 2005).
Depois de colhida, a cana é transportada para a indústria, onde é lavada, picada e seu
caldo é extraído. O caldo passa por peneiras e tratamento químico para regular o pH. Em
seguida, é aquecido a 105ºC, passando depois pelo processo de purificação para a retirada de
resíduos. Posteriormente é decantado e por meio da evaporação ele é concentrado, recebendo
o nome de xarope. Para a produção de açúcar, o xarope passa pelo processo de cristalização
por cozimento ou por resfriamento. Dos cristalizadores, o açúcar passa para a fase de
centrifugação e, em seguida, pela secagem. Para a obtenção do álcool, o caldo é fermentado,
em tanques, obtendo-se teor alcoólico de 7 a 10%, passando a se chamar vinho. O vinho é
então resfriado e centrifugado para separar as leveduras, passando, em seguida, para as
colunas de destilação. O álcool resultante é o hidratado, a 96ºGL. O anidro passa por outro
processo de desidratação para chegar a 99,7ºGL. (ÚNICA, 2008).
Produzido na proporção de 280 kg t
-1
de cana, o bagaço é constituído por celulose
(±45%), hemicelulose (±25%) e lignina (±20%), com pequenas quantidades de outros
compostos. O bagaço é oriundo da moagem do material vegetal e é composto por fibras e
resíduos de caldo. A palha é encontrada na superfície da área plantada após a colheita e neste
resíduo encontram-se folhas, ponteiros, colmos e raízes. As fibras destes materiais são
constituídas por celulose, hemicelulose e lignina.
Embora o bagaço possa ser utilizado para geração de energia ou como suplemento
animal, ainda há um grande excedente que pode ser utilizado para produção de diversos bens
da sociedade. Algumas alternativas para sua utilização como matéria prima são a produção de
etanol, papel e celulose, revestimentos acústicos, madeira prensada, forragem para agricultura,
álcool, alcalóides e enzimas (CARVALHO, et al., 2002; CARVALHO, 2005; CUNHA et al.,
2005; LÂCORTE, 1986; PANDEY et al., 2000; SILVA et al., 2000; SILVA et al., 2001;
SILVA et al., 2005).
18
A biotecnologia tem sido bastante explorada nos últimos anos para obtenção de
inúmeros produtos de interesse econômico e social. Os processos biotecnológicos têm se
mostrado promissores e com inúmeras vantagens em relação aos processos convencionais
(CUNHA et al., 2005). Segundo Du Toit et al. (1984), o aproveitamento do bagaço de cana-
de-açúcar como fonte de substratos para a utilização em processos biotecnológicos é uma
alternativa atrativa e promissora, considerando-se o elevado teor de carboidratos presentes
nessa biomassa.
2.1.2 Organização e biodegradação de compostos lignocelulósicos
A velocidade no qual os compostos lignocelulósicos são decompostos na natureza é
bastante variável e depende das condições de umidade e temperatura às quais são expostos,
bem como da biodiversidade fúngica do local. Assim, a decomposição completa de um
fragmento de material lignocelulósico pode demandar meses ou vários anos, principalmente
se esses se encontrarem em condições frias e secas (LEVY, 1987).
Durante a decomposição de compostos lignocelulósicos por fungos, seus componentes
dependem de um efetivo e progressivo processo de despolimerização da lignina que dá
origem a compostos de baixa massa molar susceptíveis ao metabolismo intracelular dos
fungos. Assim são susceptíveis ao transporte pela parede celular e no interior da célula ocorre
a despolimerização em dióxido de carbono e água. Isso ocorre por meio da ação de uma serie
de enzimas e compostos de baixa massa molecular extracelulares (onde o início da
degradação ocorre necessariamente de forma extracelular). Algumas das aplicações potencias
dos microorganismos e enzimas que degradam a lignina incluem a polpação, branqueamento
de polpas, liberação de carboidratos, conversão desses componentes em rações animais e
tratamentos de resíduos derivados de lignina. (AGOSIN et al., 1990; FERRAZ et al., 2000a;
HAEMMERLI et al., 1988;; ERIKSSON, 1990; ORIARAN et al., 1990; ESPOSITO;
AZEVEDO, 2004; FERRAZ, 2004).
Enquanto os processos de degradação de celulose e hemicelulose são de natureza
hidrolítica e ocorrem com relativa facilidade, a degradação da lignina representa um processo
oxidativo complexo, não específico e estritamente dependente das condições do meio de
cultivo do organismo (WOOD; GARCIA-CAMPAYO 1994).
19
Para iniciar a degradação dos materiais lignocelulósicos, os fungos promovem a
penetração de suas hifas no lúmem das células vegetais. Essas hifas têm por finalidade a
produção de grande diversidade de metabólitos extracelulares, os quais atuam na degradação
da parede celular vegetal (ESPOSITO; AZEVEDO, 2004).
Segundo Puri (1984) e Fan et al. (1987) a dificuldade de converter os materiais
lignocelulósicos é atribuída às características morfológicas existentes entre os três principais
componentes da parede celular das plantas. Estruturas microfibrilares de celulose encontram-
se embebidas em uma matrix composta por hemicelulose e lignina, cuja função estrutural é de
agir como barreira natural à degradação enzimática e/ou microbiana. A compreensão da
complexidade estrutural desses materiais requer o conhecimento das características e
propriedades de cada um dos seus componentes, os quais serão descritos a seguir.
2.1.2.1 Celulose
A celulose é um polímero linear formado por unidades de D-glicose unidas através de
ligações glicosídicas β (1→4), formando cadeias longas e paralelas, insolúvel em água e
possui massa molecular que varia entre 50 mil e 2,5 milhões de Dalton, dependo da sua
origem. É composta por unidades monoméricas de celobiose, a qual é formada pela junção de
duas moléculas de glicose seguida da eliminação da água através das hidroxilas ligadas ao
carbono 1 e 4 (FENGEL; WEGENER, 1989). Segundo Leschine (1995), a celulose é
considerada o biopolímero mais abundante do ambiente terrestre. A cada ano mais de 10
11
toneladas de CO
2
são fixadas por meio da fotossíntese derivada de material vegetal, e metade
desse material consiste em celulose.
Em sua estrutura supramolecular a celulose apresenta regiões altamente ordenadas
(regiões cristalinas) estabilizadas por numerosas ligações de hidrogênio intra e
intermoleculares, áreas menos ordenadas ou amorfas, onde as cadeias apresentam uma
orientação randomizada. A proporção da parte cristalina é normalmente expressa em
porcentagem (índice de cristalinidade ou CrI) e depende da origem e processo de obtenção da
celulose. A propriedade semicristalina da celulose é um dos fatores que dificulta a sua
degradação. Vários autores têm sugerido que a celulose amorfa, devido a sua maior área
20
superficial, é mais suscetível à hidrólise enzimática do que a forma ordenada ou cristalina
(FAN et al., 1987).
A celulose nativa cristalina é constituída por duas fases alomórficas: a celulose Iα
(triclínica) e a celulose Iβ (monoclínica), sendo que cada espécie vegetal apresenta uma
composição característica entre estas duas fases. Diferenças no arranjo de ligações de
hidrogênio, que determinam as suas respectivas estruturas supramoleculares resultam em
agregados de diferente estabilidade química que apresentam diferentes propriedades físico-
mecânicas (ÅKERHOLM et al., 2004).
Devido à linearidade do esqueleto celulósico, cadeias adjacentes formam um conjunto
de agregados insolúveis em água de vários comprimentos e larguras, denominadas fibrilas
elementares (D’ALMEIDA, 1988). De acordo com Fengel e Wegner (1989), diversas fibrilas
elementares, com uma espessura média de 3,5 nm, se associam uma com as outras formando
cristalitos de celulose cujas dimensões dependem da origem e do tratamento da amostra.
Posteriormente, quatro desses agregados cristalinos se unem através de uma monocamada de
hemicelulose, gerando estruturas de 25 nm que são envolvidas por uma matriz amorfa de
hemicelulose e protolignina. O composto natural que resulta dessa associação é chamado de
microfibrila de celulose. A quebra da celulose ocorre por meio de processos que agem em
conjunto sobre um composto complexo de celulose unida à lignina e hemicelulose. A ação
combinada de enzimas extracelulares com especificidade complementar é essencial para sua
degradação (BERGUIN; AUBERT, 1994).
2.1.2.2 Hemicelulose
As hemiceluloses compreendem um grupo heterogêneo de polissacarídeos
ramificados, que se ligam, firmemente entre si e à superfície das microfibrilas de celulose,
cobrindo-as e mantendo ligações cruzadas, via pontes de hidrogênio, em uma rede complexa.
Quimicamente, as hemiceluloses são compostas de uma série de heteropolissacarídeos não-
amiláceos e não-celulósicos formados por vários resíduos de açúcares como D-xilose, D-
manose, D-arabinose e D-galactose, dentre outros, e por seus ácidos urônicos. Estes açúcares
estão ligados entre si, por ligações glicosídicas β-1,4, formando uma estrutura principal
composta por um tipo específico de resíduo, a partir da qual surgem ramificações laterais de
21
cadeias curtas de outros açúcares. As hemiceluloses estão presentes em todas as camadas da
parede celular das plantas e concentram-se, principalmente, nas camadas primárias e
secundárias, onde estão intimamente associadas à celulose e lignina (ASPINALL, 1980;
WOODWARD, 1984; FENGEL; WEGENER, 1989; SJÖSTRÖM, 1992; DA SILVA et al.,
1997).
São estruturalmente mais parecidas com a celulose do que com a lignina e são
depositadas na parede celular em um estágio anterior à lignificação. Sua estrutura de
ramificações e cadeias laterais interagem facilmente com a celulose, dando estabilidade e
flexibilidade ao agregado (RAMOS, 2003).
As cadeias de hemiceluloses podem ser constituídas por apenas uma unidade
monossacarídica, como é o caso das xilanas, ou por duas ou mais unidades, como no caso das
4-O-metil-glucuronoxilanas, xiloglucanas ou arabinoxilanas (FENGEL; WEGENER, 1989).
A natureza química das hemiceluloses varia, nas plantas, em relação ao tipo de tecido vegetal
e espécie a que pertencem. Em geral, as hemiceluloses participam nas madeiras em 20 a 30%
da composição total, enquanto que, nas gramíneas, estes valores podem variar de 20 a 40%
(SJÖSTRÖM, 1992).
2.1.2.3 Lignina
A lignina é um constituinte da parede celular de todas as plantas vasculares, sendo
considerada uma macromolécula constituída de unidades de fenilpropano, apresentando uma
conformação tridimensional e amorfa, representando de 20% a 30% do total dos
lignocelulósicos. É um dos biopolímeros mais abundantes na biosfera, sendo uma parte
considerável do carbono fixado por fotossíntese. Devido à estreita associação entre celulose,
hemicelulose e lignina, esses compostos não estão uniformemente distribuídos na parede
celular das plantas. A parede secundária contém alta quantidade de celulose, enquanto a
lamela média possui maior quantidade de lignina. Entretanto, todos estes três compostos
podem ser encontrados em todas as camadas da parede celular vegetal. Em função do
mecanismo de biossíntese da lignina, o acoplamento das unidades de fenilpropano ocorre de
maneira irregular e não repetitiva. Vários tipos de ligação entre as unidades de fenilpropano
22
são observados como: β-O-4 e α-O-4 (50 a 65%), β-5 (6 a 15%), β-1 (9 a 15%), 5-5 (2 a 9%)
e β-β (2 a 5%) (ESPOSITO; AZEVEDO, 2004; TUOMELA 2002).
Do ponto de vista químico, a lignina é um composto heterogêneo, de alto peso
molecular, de estrutura irregular, altamente insolúvel e recalcitrante. Este biopolímero é
formado pela polimerização oxidativa de três precursores fenilpropanóides monoméricos:
álcool sinapílico (propanol siringil), álcool coniferílico (propanol guaiacil) e álcool cumarílico
(propanol phidroxifenil), unidos entre si, e com os polissacarídeos da parede celular, por
ligações éter e carbono-carbono. A proporção destes monômeros pode variar entre espécies de
plantas, sendo as ligações β O-4 as mais freqüentes (JEFFRIES 1994, HOFRICHTER 2002,
ÖNNERUD et al., 2002).
As funções biológicas da lignina são: (1) Fornecer suporte estrutural à parede
secundária de plantas vasculares. A parede celular lignificada pode ser vista como um
complexo, com microfibrilas de celulose e hemicelulose, e a lignina como uma “matriz
plástica” conferindo resistência ao material lignocelulósico; (2) Tornar a parede celular
vegetal hidrofóbica, permitindo o desenvolvimento eficiente dos tecidos para transporte de
água em plantas vasculares; (3) Conferir resistência contra ataques microbianos (ÖNNERUD
et al., 2002).
Apesar de vários dos seus aspectos necessitarem ainda serem investigados, a
degradação da lignina pode ser entendida como um processo multienzimático por reação não
específica, resultante da ação coordenada de uma série de enzimas ligninolíticas intra e
extracelulares (grupo das oxidoredutases - representadas por peroxidases, lacases e outras
oxidases produtoras de peróxido de hidrogênio e de metabólitos intermediários de baixa
massa molecular) as quais, desestabilizam as ligações da macromolécula, causando assim seu
colapso (LEONOWICZ et al., 1999; FUJIAN et al., 2001; SHAN; NERUD 2002;
CANTARELLA et al., 2003).
A lignina, obtida por extração alcalina a partir da explosão a vapor, pode fornecer uma
série de compostos fenólicos de interesse comercial, como o siringaldeído e o p
hidroxibenzaldeído, assim como a vanilina (essência de baunilha), que é produzida por
oxidação dos produtos de sua hidrólise alcalina. De um modo geral, fenóis derivados da
lignina podem ser convertidos à éteres de arila e usados como aditivos para gasolina,
enquanto que solventes e ácidos orgânicos podem ser dela produzidos por craqueamento e
23
dealquilação. De forma análoga, a lignina pode ser igualmente utilizada como matéria-prima
para a produção de resinas fenólicas e poliuretanas. Dependendo da reatividade da lignina
obtida pelo pré-tratamento, este material insolúvel pode ser transformado em um polímero
orgânico com boas propriedades em solução aquosa, abrindo assim uma nova perspectiva para
a aplicação destes materiais como surfactantes aniônicos (FERRAREZI, 1996; MATHIAS,
1993).
2.1.3 Fungos lignocelulósicos
Fungos são organismos heterotróficos (decompositores de matéria orgânica ou
parasitas) que crescem rapidamente e formam filamentos celulares microscópicos
denominados hifas, cujo conjunto constitui uma espécie de tecido próprio dos fungos, o
micélio, responsáveis por todas as funções vegetativas do organismo. A obtenção de alimento
é realizada por absorção através das paredes das células, sendo que os elementos nutritivos
devem estar na forma de solução. O micélio segrega enzimas especiais que atuam sobre as
substâncias, ocorrendo liquefação, como é o caso dos fungos ligninolíticos. Em outras
situações, o micélio emite órgãos chamados haustórios, que penetram no tecido dos
organismos hospedeiros, absorvendo o alimento (ESPOSITO; AZEVEDO, 2004).
Os fungos secretam uma grande diversidade de eficientes enzimas no ambiente que
são utilizadas para auxiliar sua nutrição (BENNETT, 1998), desta maneira são responsáveis
pela deterioração de vários materiais naturais, refinados ou processados. Nas últimas décadas,
a utilização dos fungos filamentosos e seus metabólitos nos processos de biorremediação vêm
crescendo, em virtude do alto potencial degradativo, biossortivo (metais pesados e corantes) e
dos mecanismos de resistência em condições ambientais adversas. A degradação de
compostos fenólicos tem uma estreita relação com a decomposição da lignina, sendo assim
muitas das técnicas aplicadas para seleção de microrganismos ligninolíticos podem ser
utilizadas para triagem de organismos degradadores de compostos fenólicos, e vice-versa.
Dentre estas técnicas, podem ser citadas aquelas que utilizam o desaparecimento ou a
mudança de cor do meio de cultura inoculado com microrganismos a serem testados, para
assim quantificar ou detectar a atividade enzimática. Esta técnica permite que muitos
microrganismos de uma coleção e/ou isolados de um determinado ambiente sejam
24
selecionados rapidamente (HANKIN; ANAGNOSTAKIS, 1975). O interesse na pesquisa de
enzimas lignocelulolíticas fundamenta-se na utilização destas na reciclagem de resíduos da
agricultura e/ou rejeitos urbanos (VASSILEV et al., 1994) e também no tratamento de solos e
efluentes diversos (DURÁN; ESPOSITO, 2000). Estas enzimas possuem vantagens na
remediação de diversos tipos de contaminantes, por não possuírem alta especificidade com os
substratos, uma vez que a estrutura da lignina apresenta diversos modelos (GOLDSTEIN,
1981; BUMPUS et al., 1985; MESTER; TIEN, 2000; HOFRICHTER, 2002; CONCEIÇÃO et
al., 2005).
Os organismos mais eficientes na biodegradação de materiais lignocelulósicos na
natureza são os fungos de decomposição branca (white-rot-fungi – degradam todos os
componentes da madeira) e os de decomposição parda (brown-rot-fungi – degradam
principalmente polissacarídeos). A grande maioria desses organismos pertence à classe
Basidiomycota, sendo que os ascomicetos e fungos mitospóricos normalmente são
classificados como fungos de decomposição branda (soft-rot-fungi), que também possuem a
capacidade de degradar a lignina e polissacarídeos, porém em baixa velocidade. A utilização
do termo “degradação” refere-se não só a completa decomposição da lignina em CO
2
e água,
bem como às diversas modificações ou bioalterações produzidas na molécula. A maioria dos
fungos produtores de enzimas necessárias à degradação de materiais lignocelulósicos
pertencem aos grupos Ascomycetes, Deuteromycetes e Basidiomycetes. O crescimento desses
fungos diminui em condições de carência de nitrogênio e de carbono, e as atividades
ligninolíticas aparecem como uma forma metabólica secundaria (FERRAZ et al., 1991;
FERRAZ; DURÁN, 1995; KIRK; CULLEN, 1998; RODRIGUEZ et al., 1997; ESPOSITO;
AZEVEDO, 2004).
Esses organismos são encontrados no solo, colonizando vegetais, raízes e resíduos,
com importante função de reciclagem de nutrientes e possuem habilidade para
desenvolverem-se em qualquer substância orgânica, fazendo uso de substratos variados. As
fontes de carbono como polissacarídeos, lignina, glicose, manose, frutose, óleos e ácidos
orgânicos são importantes fornecedoras de energia para a atividade metabólica dos fungos.
(AGUIAR; MENEZES, 2000; MODA et al., 2005).
25
2.1.3.1 Aspergillus sp.
O gênero Aspergillus é considerado como um fungo ascomiceto degradante primário
da celulose e lignina, além de ocorrer espécies promotoras de grande patogenicidade em
plantas e animais. A palavra Aspergillus em latim significa: globo perfurado que contém uma
esponja ou pincel usado para aspergir água benta, (KLICH; PITT, 1988). O gênero
Aspergillus caracteriza-se pela produção de esporos assexuais se dar em uma estrutura
chamada aspergillum (designação que se dá à parte superior da estrutura, ou seja, o conjunto
da vesícula e das células reprodutivas especializadas que contém) que é especializada e
característica do gênero. Eles possuem uma estrutura denominada conidióforo que é
constituído pelo aspergillum e pelo estipe (SERRA, 2005).
Figura 1 - Conidióforo de Aspergillus ochraceus e terminologia das estruturas usadas na
classificação e identificação dos Aspergillus. Visíveis nas figuras as métulas
(células estéreis), fiálides (células conidiogenicas) e conídio (esporos assexuais)
(escala de 10 µm). Extraído de Serra (2005)
26
Embora a maioria dos gêneros Aspergillus seja saprófita, alguns são parasitas de
insetos, plantas e animais, incluindo o homem. Algumas espécies produzem potentes toxinas,
enquanto outras são igualmente significantes como agentes de biodeterioração,
economicamente importantes para fabricação de alimentos fermentados, como fontes de
enzimas ou em produção química (RIZZATTI et al., 2004).
2.1.3.2 Penicillium sp.
O gênero Penicillium é composto por espécies pouco exigentes nutricionalmente,
capazes de crescer em qualquer ambiente com uma fonte de sais minerais e qualquer fonte de
carbono exceto as mais complexas, numa gama vasta de condições físico-químicas. Muitas
espécies são psicrófilas, capazes de crescer a temperaturas abaixo de 0ºC, mas algumas
espécies são capazes de crescer até 40ºC (KLICH; PITT, 1988). Eles apresentam hifas
septadas e os conidióforos na forma de pincéis. Seus esporos assexuados produzem uma
estrutura típica do gênero designada de penicillus (pl. penicilli, que em latim significa pincel).
Os conídios nascem em cadeias produzidas pelas fiálides. As fiálides estão em verticilos no
estipe, e assentam nele diretamente ou com a intervenção de células de suporte especializadas
conhecidas por metulae e rami (Figura 2). O penicillus é toda a estrutura suportada pelo
estipe. O conjunto do penicillus e do estipe designa-se por conidióforo. Os conídios são regra
geral de cor verde, as fiálides têm pescoços curtos e paredes lisas. (TORTORA et al., 2000)
.
27
Figura 2 - Conidióforos de Penicillium com penicilli do tipo mais simples (penicillus
monoverticilado vesiculado de P. glabrum, direita) e complexo (penicillus
terverticilado de estipe liso de P. brevicompactum, esquerda) (barra de escala de
10 µm). Extraído de Serra (2005)
2.1.4 Enzimas ligninolíticas
Enzimas são biocatalisadores; em outras palavras, são proteínas produzidas pelas
células com finalidade de acelerar as reações químicas do metabolismo. Elas são bastante
específicas quanto à sua função e, sendo assim, podem ser encontrados diversos tipos de
enzimas biossintetizadas para catalisar os diferentes tipos de reações bioquímicas
(ESPOSITO; AZEVEDO, 2004).
Vários parâmetros de cultivo afetam a produção e a atividade das enzimas
ligninolíticas por fungos: disponibilidade de oxigênio, fonte e concentração de carbono e
nitrogênio, microelementos, pH e temperatura (VAN DER MERWE, 2002).
A maioria das enzimas pode ser inibida por certas substâncias químicas. Por meio do
estudo combinado de pH e temperaturas ótimos e a ação de determinados inibidores
enzimáticos é possível identificar qual ou quais enzimas ligninolíticas estão presentes. Além
28
disso, a presença de alguns metais no ambiente pode influenciar a atividade das enzimas
ligninolíticas (JOHANNES; MAJCHERCZYK, 2000).
2.1.4.1 Manganês Peroxidase
A MnP é uma glicoproteína com Fe protoporfirínico IX como grupo prostéico,
dependente de H
2
O
2
para sua atividade. A oxidação de lignina é dependente da
disponibilidade de íons de manganês (BROWN et al., 1991).
Essa enzima é muito semelhante à lignina peroxidase, sendo também extracelular,
glicosilada, massa molar de 45-47 kDa (HOFRICHTER, 2002).
O ciclo catalítico da MnP é iniciado pela ligação de H
2
O
2
ou um outro peróxido
orgânico ao ferro nativo da enzima, formando um complexo ferro-peróxido. A quebra
subseqüente da ligação O-O do peróxido requer a transferência de 2 elétrons do grupo heme
da enzima, que resulta na formação de um radical complexo Fe
4+
-oxo porfirina (MnP-I). Com
a quebra da ligação dos oxigênios, uma molécula de água é liberada. Uma redução seguinte
acontece formando o complexo MnP-II (Fe
4+
-oxo porfirina não radicalar). Um íon Mn
2+
age
como doador de 1 elétron para esse complexo intermediário e é oxidado à Mn
3+
. A redução da
MnP-II acontece de maneira similar e outro Mn
3+
é formado de um Mn
2+
, levando assim à
geração da forma original da enzima, liberando uma segunda molécula de água
(HOFRICHTER, 2002). O Mn
3+
formado é estabilizado por ácidos orgânicos, tais como ácido
oxálico, e age como um agente oxi redutor difuso, de baixo peso molecular, que ataca
moléculas orgânicas inespecificamente pela subtração de um elétron (GOLD; ALIC, 1993).
Descobertas recentes sobre o papel de MnP na degradação da lignina permite a adoção
dos conceitos de KIRK; FARRELL (1987), em que a degradação da lignina constitui um
processo de “combustão enzimática” extracelular. Este conceito tem sido adotado por muitos
microbiologistas que estudam a decomposição da madeira, e este conceito tem sido usado
para descrever a despolimerização de lignina de alta massa molecular pela atuação
inespecífica das enzimas ligninolíticas (HOFRICHER et al.,1998).
29
2.1.4.2 Lacases
Até recentemente a lacase era estabelecida somente em eucariotos (fungos, plantas
superiores e insetos), mas agora há evidência de sua distribuição em procariotos, e a primeira
estrutura cristalina de uma lacase bacteriana foi obtida. Em plantas, lacases estão envolvidas
na lignificação. Em fungos, além da degradação de lignina, lacases parecem estar envolvidas
na esporulação, produção de pigmentos e patogenicidade de plantas (YAVER et al., 1996,
ENGUITA et al., 2003, CLAUS, 2004).
Devido à capacidade de catalisar a oxidação de fenóis e outros compostos aromáticos,
lacases fúngicas estão recebendo grande atenção em várias aplicações industriais como
deslignificação, produção de etanol, modificação de fibras da madeira, clareamento de
corantes, síntese de produtos químicos/medicinais e remediação de solos e águas
contaminadas. Pesquisas recentes têm sido intensas e muito tem sido elucidado sobre a
diversidade de lacases e suas utilidades (SCHNEIDER et al., 1999, DURÁN et al., 2002,
MAYER; STAPLES, 2002).
Filogeneticamente, lacases são membros da família de proteínas multi-cobres, que
incluem ascorbato oxidase, ceruloplasmina e bilirrubina oxidases. Lacases geralmente são
codificadas por uma família de genes. A expressão destes genes pode ser constitutiva ou
indutiva. Conseqüentemente, em diferentes fungos, a produção desta enzima pode ser
acentuada sob condições de cultura apropriadas (KLONOWSKA et al., 2002, MAYER;
STAPLES, 2002, CLAUS, 2004). A produção de lacase é afetada por muitos fatores durante o
desenvolvimento fúngico, como a composição do meio de cultura (relação carbono e
nitrogênio), pH, temperatura, taxa de aeração, etc (KAHRAMAN; GURDAL, 2002).
Lacases são proteínas globulares contendo entre 10-25% de carboidrato N-ligado e
elas podem ter estruturas monoméricas, diméricas ou multiméricas, compreendendo
subunidades de 45 à 80 kDa, dependendo da espécie e isoforma. Fungos ligninolíticos
freqüentemente expressam múltiplos genes de lacase, codificando isoenzimas com alta
similaridade na estrutura primária, mas diferentes características físico-químicas (BROWN et
al., 2002). Não há dúvidas que as propriedades bioquímicas e físico-químicas de lacase
(atividade, estabilidade, pH e temperatura ótimos, etc.) fornecem muitas informações iniciais
importantes para estudos básicos e para a aplicação de lacases na biotecnologia (MOUGIN et
30
al., 2003, SHLEEV et al., 2004). Algumas características de lacases como, massa molecular,
pH ótimo de atividade e substrato específico são extremamente diversos (MAYER;
STAPLES, 2002).
A atividade de lacases in vivo ou com enzimas purificadas é determinada
principalmente por testes espectrofotométricos utilizando substratos fenólicos ou não-
fenólicos, pelo monitoramento da coloração dos produtos de oxidação. A maioria dos testes
utiliza guaiacol, 2,6-dimetoxifenol, siringaldazina ou o substrato não-fenólico ácido 2,2´-
azino bis-(3-etilbenzotiazol-6-sulfônico) (ABTS). Uma das vantagens em utilizar ABTS é sua
alta estabilidade em solução. Além disso, substratos fenólicos utilizados em muitos testes
enzimáticos podem ser oxidados por reações não-enzimáticas (HOFER; SCHLOSSER, 1999,
JOHANNES; MAJCHERCZYK, 2000).
Lacases são enzimas excepcionalmente versáteis, catalisando reações com diferentes
substratos, alguns destes recalcitrantes. São enzimas de ampla distribuição ocorrendo em
todos os domínios dos seres vivos. Contudo, muitos estudos são necessários para melhor
compreender sua importância fisiológica e sua utilização em processos biotecnológicos
(CLAUS, 2004).
2.1.4.3 Peroxidases
Esta família de enzimas é assim chamada porque depende do peróxido de hidrogênio
para se tornar ativa. Elas são hemoproteínas, as quais catalisam reações na presença de
peróxido de hidrogênio e são responsáveis pela fragmentação inicial do polímero de lignina.
Essa enzima é uma glicoproteína globular com massa molecular de 42000 g mol
-1
, que
possuem uma parte protéica (apoenzima) de aproximadamente 34 000 g mol
-1
e o restante é
composto pelo grupo prostético (tipo heme) que contém o cofator ligado fortemente ao sítio
ativo da enzima (KERSTEN; KIRK, 1987; WILBERG, 2003).
Em um ciclo normal, a forma férrica da enzima é oxidada por peróxido de hidrogênio
ao radical oxi-ferril, conhecido como composto I. Este composto é então reduzido pela
transferência de um elétron do substrato (ex: lignina) para a forma conhecida como composto
II. Uma subseqüente transferência de elétron de uma molécula de substrato para enzima faz
31
com que esta retorne a sua forma inicial. O composto III refere-se à forma inativa da enzima
(NICELL et al., 1993).
A enzima peroxidase é conhecida por sua capacidade de remoção de grupamentos
fenólicos e aminas aromáticas de soluções aquosas e também de descoloração de efluentes da
indústria têxtil (DURÁN, 2003).
O papel das peroxidases de origem microbiológica na polimerização de ácidos
fenólicos é reconhecidamente o de transformação de substâncias aleloquímicas em
substâncias húmicas estáveis e não tóxicas (ADLER et al., 1994).
Na indústria de papel e celulose a peroxidase é empregada na etapa de branqueamento
da polpa e no tratamento de seus efluentes. Na indústria têxtil é utilizada para melhorar o
branqueamento em lavanderias e inibir a transferência de cor durante a lavagem. Também na
indústria têxtil, é empregada para a remoção do excesso de corante da água de lavagem de
tecidos tingidos (DURÁN, 2003).
2.1.5 Pré-tratamento de materiais lignocelulósicos
Vários métodos de pré-tratamento de biomassas vegetais lignocelulósicas têm sido
sugeridos ao longo das duas últimas décadas. Estes podem ser divididos em métodos físicos,
químicos, biológicos ou combinações destes. Os métodos físicos (e.g. peletização, moagem)
convertem a biomassa em pós finos, incrementando a superfície específica da celulose, de
modo que a hidrólise da mesma ocorre com relativa facilidade. A maior desvantagem
associada a este método consiste no elevado consumo energético. No caso do bagaço, pode-se
considerar que a moagem da cana configura uma operação de pré-tratamento da fibra. Uma
hidrólise ácida da fração sólida em condições moderadas converte os fragmentos celulósicos
em glicose. Em que pese sua relativa simplicidade operacional, a pirólise da biomassa
lignocelulósica apresenta reduzida eficiência global, em função de elevadas perdas
sacarídicas, reduzida seletividade em glicose, além da formação de compostos inibidores de
fermentação. Os processos físico-químicos de pré-tratamento utilizando ácido diluído, vapor
de alta pressão ou água quente possibilitam a remoção seletiva das hemiceluloses, produzindo
soluções sacarídicas (pré-hidrolisados) com elevado teor de pentoses e reduzido teor de
lignina. Processos alcalinos tendem a promover maior dissolução da lignina e menor
32
solubilização/fragmentação das hemiceluloses. Embora muitos métodos de pré-tratamento
tenham sido experimentados ao longo dos últimos anos, constata-se a crescente necessidade
em desenvolver alternativas tecnológicas eficientes em termos de custo global e
competitividade econômica. Basicamente, extrações seletivas de componentes não-celulósicos
(lignina e hemiceluloses) utilizando-se álcalis ou ácidos têm sido obtidas a custos
relativamente razoáveis. Em particular, pré-tratamentos utilizando vapor água, ácido sulfúrico
diluído, amônia e hidróxido de cálcio têm emergido dentre as opções mais promissoras
(BAUDEL, 2006).
Os processos alcalinos de pré-tratamento geralmente utilizam condições moderadas de
operação, em termos de temperaturas e pressões, em comparação aos sistemas ácidos. O
principal efeito desse tipo de pré-tratamento consiste na remoção da lignina da biomassa,
promovendo maior reatividade da fibra. O álcali (geralmente soda ou cal) tende a causar um
“inchamento” (“swelling”) da biomassa, de modo que a cristalinidade da celulose decresce,
enquanto ocorre um incremento da superfície específica de contato e da porosidade da
mesma. Evidencia-se uma cisão das ligações lignina-carboidrato, além da fragmentação da
estrutura da lignina. Em alguns casos, o pré-tratamento pode ser conduzido à temperatura
ambiente, porém demanda tempos reacionais elevados, da ordem de horas ou mesmo dias.
Uma vez que os processos alcalinos promovem uma intensa deslignificação da biomassa, tais
sistemas devem ser preferencialmente utilizados no pré-tratamento de materiais com reduzido
teor de lignina (e.g. resíduos agro-industriais), com vistas à minimização da quantidade da
mesma, presente no hidrolisado. O pré-tratamento do bagaço utilizando hidróxido de cálcio
apresenta vantagens em termos de custo do reagente, segurança do processo e possibilidade
de recuperar o álcali sob a forma de carbonato de cálcio mediante reação com o dióxido de
carbono produzido na etapa de fermentação alcoólica. O carbonato pode, em seguida, ser
convertido em hidróxido através de técnicas convencionais estabelecidas na indústria. A
adição de oxigênio ou ar tende a promover uma remoção da lignina da ordem de 80%.
Entretanto, tais processos produzem hidrolisados com elevado teor de lignina, demandando a
utilização de sistemas de separação lignina-carboidrato, de modo a recuperar hemiceluloses
(BAUDEL, 2006).
33
2.2 Material e Métodos
2.2.1 Linhagens fúngicas utilizadas
As duas linhagens utilizadas, Penicillium sp. e Aspergillus niger foram isoladas de
solo contaminado por borra de petróleo no município de Paulínia (SP) e preservadas pelo
método Castellani pelo pesquisador Eduardo Moraes do laboratório de Microbiologia
Aplicada UNESP – Rio Claro no ano de 2005.
2.2.2 Manutenção das linhagens e condições de cultivo
As linhagens fúngicas (Aspergillus niger e Penicillium sp.) foram inoculadas em
placas de Petri contendo meio de cultura sólido BDA (ágar-batata-dextrose), incubadas em
estufa por um período de sete a oito dias com temperatura de 27ºC (± 3ºC). Para preservação
das linhagens foi mantido o método Castellani (CASTELLANI, 1967). Para a realização deste
método, após o crescimento das linhagens (3/4 do diâmetro da placa), discos de meio de
cultura contendo micélio e esporos foram transferidos para frascos de vidro contendo 10 mL
de água destilada previamente esterilizados. Os frascos foram fechados com tampa de
borracha, selados com tampa de metal e estocados à temperatura ambiente.
O preparo dos inóculos dos fungos para os experimentos foi em BDA, com um
período de incubação de oito dias, utilizando como inoculo discos de 5 mm de diâmetros
contendo meio e a borda da cultura crescida em placas de Petri (Item 2.2.6).
2.2.3 Bagaço de cana-de-açúcar
O bagaço de cana-de-açúcar utilizado da safra 2006-2007 foi doado pela usina Cosan
(Unidade Costa Pinto), no município de Piracicaba, SP. O mesmo foi seco ao ar livre, na
sombra e estocado em saco plástico até o uso.
Antes de iniciar os tratamentos o bagaço foi submetido à secagem, em estufa com
temperatura de 60ºC durante 24 horas. Posteriormente, alíquotas de 5 g de bagaço seco e
34
desidratado foram separadas em frascos Erlenmeyer de 125 mL de capacidade, adicionados
40 mL de água destilada e 2 g de farelo de soja.
2.2.4 Pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar
As alíquotas de bagaço foram submetidas ao tratamento químico alcalino. Para isto,
foram preparadas soluções de hidróxido de sódio (4%) e hidróxido de cálcio (4%), que foram
aplicadas ao bagaço na proporção de 1:5, p/v. No total foram realizados quatro tratamentos: i)
bagaço sem tratamento (controle); ii) bagaço com solução NaOH 4%; iii) bagaço com solução
Ca(OH)
2
4%; iv) bagaço com solução NaOH 4% e Ca(OH)
2
4%.
Os frascos contendo o bagaço e as soluções utilizadas foram então submetidos à
autoclavagem (121ºC, 1 atm por 20 minutos). O material foi incubado por 12 horas para
permitir a ação dos agentes químicos sobre a estrutura do bagaço. Após este período, as
amostras foram lavadas com 100 mL de água destilada previamente esterilizada e
neutralizadas. A neutralização foi realizada por meio da adição de 0,9 mL de ácido sulfúrico
(0,5 M) nos frascos contendo Ca(OH)
2
e 0,9 mL de ácido clorídrico (1 M) nos tratamentos
com NaOH obtendo um pH 6,0, uma vez que para alcançar um bom desenvolvimento das
linhagens fúngicas é necessário pH entre 5,5 e 6,5.
2.2.5 Observação das alterações físicas do bagaço por microscopia
Os efeitos dos tratamentos alcalinos no bagaço de cana-de-açúcar foram observados
em microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para tais observações foi feita uma
preparação no bagaço tratado quimicamente e biologicamente.
2.2.5.1 Preparo das amostras para microscopia eletrônica de varredura
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi realizada com amostras de bagaço
obtidas nos quatro tratamentos (controle, tratamento básico com Ca(OH)
2
e NaOH, e
combinado Ca(OH)
2
+ NaOH), como descritos no item 2.2.4 acima. Para isso, as amostras
35
foram submetidas à secagem em estufa com temperatura de 60ºC por um período de 48 horas
e então preparadas para a MEV seguindo a metodologia descrita por Dellamatrice et al.
(2005). A observação das estruturas foi feita de maneira direta, eliminando os passos de
fixação e desidratação. As amostras foram apenas colocadas sobre “stubs” e posteriormente
cobertas com ouro. Após este preparo as amostras foram observadas em microscópio
eletrônico de varredura.
Em relação aos processos químicos tratados com Penicillium sp., foi realizado
primeiro toda a preparação química e, posterior a neutralização a linhagem foi inoculada.
Após incubação por 15 dias as amostras foram preparadas para a microscopia eletrônica.
As amostras foram fixadas em solução contendo glutaraldeído 2%, paraforlmaldeído
2%, CaCl
2
0,001 M e tampão cacodilato de sódio 0,05 M, por um período de 24 horas. Em
seguida as amostras foram lavadas três vezes em tampão cacodilato 0,1 M por 20 minutos. As
amostras então, foram tratadas com solução OsO
4
(1%) por 1 hora a 4ºC. Em seguida, foi feita
a desidratação em banhos sucessivos de 20 minutos em soluções de etanol nas concentrações
crescentes de 35, 50, 60, 75, 85 e 90% e três vezes em acetona 100% por 20 minutos. Após a
secagem do material em ponto critico, as amostras foram colocadas sobre “stubs” e cobertas
com ouro na espessura de 200 nm e levadas para observação ao microscópio eletrônico.
2.2.6 Avaliação do desenvolvimento fúngico sobre o bagaço pré-tratado quimicamente
A determinação do efeito dos tratamentos químicos sobre o desenvolvimento dos
fungos foi feito por meio da inoculação de discos de 5 mm de diâmetro sobre amostras de
bagaço obtidas dos quatro tratamentos (controle, tratamento básico com Ca(OH)
2
e NaOH, e
combinado Ca(OH)
2
+ NaOH) conforme descritos no item 2.2.4.
As amostras foram incubadas a temperatura ambiente durante o período de 15 dias,
nos quais a leitura da produção enzimática foi realizada diariamente, como descrito
posteriormente. Como em cada dia um frasco foi utilizado para a análise, no total 15 frascos
de cada tratamento foram preparados para cada tratamento.
Adicionalmente à avaliação da atividade enzimática, amostras de bagaço que
apresentaram desenvolvimento fúngico foram submetidas à análise por meio de microscopia
eletrônica de transmissão.
36
2.2.7 Preparo das amostras para microscopia eletrônica de transmissão (MET)
Para a análise de MET, a metodologia seguida também foi a mesma descrita por
Dellamatrice et al. (2005); onde as amostras foram fixadas em tampão cacodilato (2% de
glutaraldeído, 2% de paraforlmaldeído, 0,001 M de CaCl
2
e 0,05 M de tampão cacodilato de
sódio, a pH 7,2) durante 3 horas. Após esta incubação inicial foram feitas três transferências
dos materiais, com incubação em cada uma delas de 15 minutos em tampão cacodilato de
sódio 0,1 M. Posteriormente o material foi fixado em OsO
4
(1%) no mesmo tampão por 2
horas a 4ºC. O material foi lavado três vezes por 5 minutos em solução salina (NaCl 0,9%) e
corado utilizando solução de acetato de uranila (2,5%) por 16 horas a 4ºC. Em seguida, as
amostras foram desidratadas em série de concentrações de acetona nas concentrações de 25,
50, 75%, 90% (2 vezes), 100% (3 vezes), sendo a imersão de 10 minutos em cada diluição,
com exceção da acetona pura, onde a imersão foi feita por 20 min. Após a desidratação, o
material foi embebido em resina spurr nas concentrações crescentes de resina/acetona 1:1, 2:1
e resina pura, sendo posteriormente emblocado por 48 horas à 60ºC em estufa. As secções
foram cortadas em ultramicrótomo e os cortes foram corados utilizando acetato de uranila
2,5% por 10 minutos e citrato de chumbo por 6 minutos.
2.2.8 Determinação da atividade enzimática dos fungos desenvolvidos sobre bagaço de
cana-de-açúcar
Esta análise foi feita em amostras de todos os tratamentos químicos inoculados com as
linhagens fúngicas classificadas como Aspergillus niger e Penicillium sp. Em cada um destes
fungos e dentro de cada tratamento, a cada dia durante a incubação, foram estimadas as
atividades das enzimas ligninolíticas: lacase e Mn peroxidas.
Em cada amostragem, a quantia de 40 mL de água destilada esterilizada foi adicionada
ao frasco de cultivo dos fungos. O material foi homogeneizado por 30 minutos sob agitação
de 180 rpm e filtrado em papel de filtro (Whatman Nº 1) com auxílio de bomba a vácuo. O
sobrenadante foi coletado e posteriormente utilizado para quantificação das atividades
enzimáticas.
37
Em cada determinação, a atividade enzimática foi realizada por meio de
espectrofotômetro modelo FENTO, em triplicata.
2.2.8.1 Determinação da atividade da lacase
A atividade enzimática da lacase foi determinada segundo Szklarz et al. (1989);
empregando-se siringaldazina como substrato enzimático. A mistura da reação foi composta
de 0,6 mL do sobrenadante (obtido através da filtração), 0,3 mL de tampão citrato-fosfato
0,05 M (pH 5,0) e 0,1 mL de siringaldazina (0,1% em etanol). A oxidação da siringaldazina à
quinona foi realizada no tempo zero (assim que a siringaldazina foi colocada) e após 10
minutos, seguidos de leitura em espectrofotômetro com comprimento de onda de 525 nm. Os
valores de absorbância obtidos nas amostras foram utilizados para estimar a atividade
enzimática (em U/L).
2.2.8.2 Determinação da atividade da manganês peroxidase
A atividade enzimática da manganês peroxidase foi determinada segundo Lundell et
al. (1990) e Khindaria et al. (1994). Para isto, foi preparada para cada amostra uma mistura
contendo 0,5 mL de sobrenadante (obtido da filtração), 0,05 mL de MnSO
4
, 0,05 mL de
lactato de sódio 0,25 M, 0,1 mL de H
2
O
2
0,2 M em tampão succinato de sódio (pH 4,5), 0,2
mL de albumina bovina 0,5%, e 0,1 mL de vermelho de fenol 0,1 %. Foi realizada a leitura
em espectrofotômetro e após 10 minutos a reação foi interrompida pela adição de 0,04 mL de
NaOH 2,0 N, e submetida novamente a leitura em espectrofotômetro com comprimento de
onda de 610 nm. Os valores de absorbância obtidos nas amostras foram utilizados para
estimar a atividade enzimática (em U/L).
38
2.2.9 Determinação dos teores de lignina, celulose e hemicelulose
Com o intuito de verificar a eficiência dos pré-tratamentos químicos, foram
determinados os teores de lignina, celulose e hemicelulose presentes nas seguintes amostras:
• Bagaço seco in natura;
• Bagaço seco com farelo de soja e água destilada colocados em autoclave durante 20
min a 1 atm (121ºC);
• Bagaço seco pré-tratado com 4% de solução de hidróxido de cálcio e neutralizado
com 0,9 ml de ácido sulfúrico;
• Bagaço seco pré-tratado com 4% de solução de hidróxido de sódio e neutralizado
com 0,9 mL de ácido clorídrico;
• Bagaço seco pré-tratado com 4% de solução de hidróxido de sódio e hidróxido de
cálcio e neutralizado com 0,9 mL de ácido clorídrico.
As análises foram realizadas no Instituto de Zootecnia, localizado na cidade de Nova
Odessa, São Paulo, de acordo com as metodologias propostas por Goering e Van Soest
(1970), Silva (1998) e Van Soest (1963).
2.2.10 Análise estatística
As análises estatísticas foram feitas com o programa Estat sendo realizada uma
comparação de médias com análise de variância 5%, e o experimento foi baseado como sendo
um delineamento fatorial 4 x 15 em blocos casualizados com três repetições.
39
2.3 Resultados e Discussão
2.3.1 Visualização da estrutura do bagaço tratado química e biologicamente
2.3.1.1 Efeitos dos tratamentos químicos evidenciados por microscopia eletrônica de
varredura
Na análise da superfície do bagaço exposto aos diferentes tratamentos químicos foi
possível verificar as diferenças estruturais da fibra. Na Figura 3, onde se encontra a fibra do
bagaço não tratada, observa-se claramente a disposição das fibras perfeitamente intactas sem
nenhuma alteração ou ruptura da parede celular. Já nas Figuras 4, 5 e 6 onde foram realizados
os tratamentos químicos, é possível notar alterações na estrutura das fibras do bagaço de cana-
de-açúcar.
40
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3 - Estrutura do bagaço de cana-de-açúcar sem tratamento químico ou biológico. Os
aumentos e barras de comparação de medidas estão apresentados em cada figura
(a) (b)(a) (b)
Figura 4 - Estrutura do bagaço de cana de açúcar tratado quimicamente com as bases NaOH e
Ca(OH)
2
conjuntamente. Os aumentos e barras de comparação de medidas estão
apresentados em cada figura
Quando foi aplicado o tratamento químico com hidróxido de sódio juntamente com o
hidróxido de cálcio, foi possível notar mudanças na área superficial da fibra, evidenciada pela
41
presença de parede celular estratificada, ou seja, em várias camadas (Figura 4 a, b).
Adicionalmente, nota-se a quebra na estrutura das fibras, indicando a desestruturação da
lignina e perda da consistência fibrilar.
(a) (b) (c)(a) (b) (c)
Figura 5 - Estrutura do bagaço de cana de açúcar tratado quimicamente com NaOH. Os
aumentos e barras de comparação de medidas estão apresentados em cada figura
Comparando este tratamento com aqueles quando os hidróxidos foram utilizados
separadamente, é possível observar que o tratamento químico com hidróxido de sódio (Figura
5 a, b, c) causou mudanças na área superficial da fibra, porém com menor intensidade àquelas
observadas no tratamento conjunto dos hidróxidos. Nota-se também neste tratamento, uma
pequena quebra nas fibras com pouca estratificação.
(a) (b) (c)(a) (b) (c)
Figura 6 - Estrutura do bagaço de cana de açúcar tratado quimicamente com Ca(OH)
2
. Os
aumentos e barras de comparação de medidas estão apresentados em cada figura
Considerando-se o tratamento realizado apenas com hidróxido de cálcio, este segue o
mesmo padrão do tratamento com apenas hidróxido de sódio, ou seja, uma pequena quebra na
estrutura da fibra com pouca estratificação (Figura 6 a, b, c). No entanto, neste tratamento a
quebra estrutural da fibra é ligeiramente menor do que a observada no tratamento com NaOH,
o que é descrito na literatura por Ferreira et al. (2006) Esses autores afirmam que o tratamento
com NaOH além de remover impurezas e tornar a superfície da fibra mais rugosa retira
42
parcialmente a lignina da fibra e solubiliza a hemicelulose deixando a celulose mais expostas
ao ataque enzimático.
O fato de a hemicelulose ser solubilizada em meio alcalino é comprovado na literatura
pelos autores Bledzki et al. (1999), Caraschi (1997), Campana Filho et al. (1997) e Tita et al.
(2002).
A extração de hemiceluloses e lignina por soluções alcalinas provocam modificações
na composição química das fibras e como conseqüência a parede celular parece estratificada,
ou seja, com várias camadas. As mudanças químicas começam a ser significativas quando se
realiza tratamento com soluções mais concentradas e desta forma a parede celular sofre
severas alterações estruturais (TRIANA et al., 1990).
Segundo Tita et al. (2002), o tratamento com NaOH é capaz de promover a extração
de hemicelulose e lignina, alterando as propriedades mecânicas das fibras.
As fotos de microscopia eletrônica de varredura indicam a existência de uma
superfície porosa da fibra que sofre ataque dos agentes químicos a que foram submetidos,
promovendo a retirada de cera das fibras, aumentando assim sua porosidade, e isto é
evidenciado quando se compara o material “in natura” (Figura 3) com os demais materiais
tratados quimicamente (Figura 4, 5 e 6).
O caráter altamente recalcitrante da lignocelulose nativa pode ser sensivelmente
atenuado pela explosão a vapor. A modificação estrutural, observada na parede celular
lignocelulósica em decorrência do pré-tratamento deixa um resíduo celulósico fibroso do qual
a lignina pode ser facilmente extraída com álcali, etanol ou solventes orgânicos (FOCHER et
al., 1988; RAMOS et al., 1992a, 1992b). O efeito da explosão a vapor sobre a organização
estrutural da celulose aumenta consideravelmente sua área superficial e, por conseguinte, sua
susceptibilidade à hidrólise ácida e/ou enzimática (BAUDEL, 2006). Devido a esses dados
encontrados em literatura, como já foi citado em material e métodos, foi aplicado além do pré-
tratamento químico, um pré-tratamento em autoclave (121ºC, 1 atm por 20 minutos), com o
intuito de “simular” o pré-tratamento a vapor, fazendo com que aumentasse a modificação
estrutural da fibra para que o álcali pudesse agir na fibra de lignina.
O pré-tratamento a vapor causa redução do tamanho das partículas, abertura dos
microporos e aumento da área superficial do material. Estas alterações na estrutura são
43
responsáveis pela melhora do ataque enzimático (MICHALOWCZ et al., 1991; GALBE et al.,
2002).
A lignina, obtida por extração alcalina a partir da explosão a vapor, pode fornecer uma
série de compostos fenólicos de interesse comercial, como o siringaldeído e o p
hidroxibenzaldeído, assim como a vanilina (essência de baunilha), que é produzida por
oxidação dos produtos de sua hidrólise alcalina (MATHIAS, 1993).
A lignina pré tratada a vapor tem aplicação como aditivo na produção de compensados
para construção civil e pode ainda ser utilizada na produção de formulações de liberação
controlada de pesticidas, como alternativa às formulações convencionais de agroquímicos
(COTTERILL et al., 1996).
Embora diversas técnicas de pré-tratamento sejam potencialmente aplicáveis ao
bagaço de cana, torna-se particularmente difícil realizar estudos comparativos com base nos
dados da literatura em virtude das diferenças nas metodologias de pesquisa, nas características
físicas do material, bem como nos métodos de preparação da matéria prima. Entretanto,
salienta-se a importância de se aperfeiçoar o conhecimento acerca das diferenças entre os
diversos tipos de pré-tratamento, bem como do efeito de cada processo sobre as demais
operações. Tal medida pode facilitar a seleção dos equipamentos e seqüências operacionais do
sistema integrado, ademais de reduzir riscos associados à implementação do processo em
escala industrial, bem como identificar oportunidades de melhoria ao longo do sistema
integrado, conduzindo a uma otimização da eficiência operacional e minimizando os custos
globais de produção de etanol (BAUDEL, 2006).
A impregnação adequada da biomassa lignocelulósica consiste em um parâmetro
operacional de significativa importância para a eficiência do tratamento químico de qualquer
biomassa lignocelulósica. O bagaço de cana possui elevada capacidade de absorção de
líquidos, bem como reduzida “dureza”. Além disso, a elevada umidade do bagaço proveniente
das moendas (45- 50%) facilita a impregnação desta biomassa com soluções ácidas e
alcalinas. Este aspecto é de fundamental importância com respeito à eficiência do pré-
tratamento hidrolítico ácido e/ou alacalino (BAUDEL, 2006).
44
2.3.1.2 Colonização fúngica observada por microscopia eletrônica de varredura
Considerando o tratamento biológico, realizado por meio da inoculação de fungo
Penicillium sp. no bagaço não tratado e tratado com NaOH + Ca(OH)
2
, foi possível observar
o desenvolvimento do fungo sobre estes substratos. As imagens de microscopia evidenciam o
desenvolvimento fúngico sobre a biomassa do bagaço da cana. Pode-se sugerir desta maneira,
que o fungo utiliza os compostos presentes neste substrato para seu desenvolvimento. Vale
ressaltar que não foi possível observar alterações na estrutura do bagaço devido ao
desenvolvimento do fungo sobre essa superfície (Figuras 7).
(a) (b)
(c) (d) (e)
(a) (b)
(c) (d) (e)
Figura 7 - Observação da colonização do fungo Penicillium sp. em bagaço de cana-de-açúcar
sem tratamento (a e b) e quimicamente pré-tratado com NaOH juntamente com
Ca(OH)
2
(c, d, e). Os aumentos e barras de comparação de medidas estão
apresentados em cada figura
No entanto, se compararmos os padrões de crescimento dos fungos sobre o bagaço do
tratamento controle com o tratado quimicamente, podemos inferir sobre a disponibilidade de
nutrientes. Enquanto que no tratamento controle, o crescimento aéreo (Figura 7 a, b), no
tratamento do bagaço com NaOH + Ca(OH)
2
, o fungo apresenta crescimento com penetração
na estrutura da fibra (Figura 7 c, d, e). Estes resultados mostram que o pré-tratamento químico
45
além de desestruturar a fibra do bagaço de cana-de-açúcar, a torna mais suscetível à
colonização fúngica, que é um passo essencial na degradação total do bagaço.
2.3.1.3 Colonização fúngica sobre o bagaço da cana-de-açúcar observado por
microscopia óptica e microscopia eletrônica de transmissão
Amostras de bagaço também foram utilizadas para análises de microscopia óptica e de
transmissão, com a intenção de comprovar a penetração do fungo no interior das células que
compõem estruturalmente o bagaço da cana-de-açúcar. Estas análises foram feitas para
complementar as observações feitas por microscopia de varredura, onde apenas a área externa
das amostras foi avaliada. As imagens de microscopia óptica evidenciam por meio da
observação de pontos no interior das células, que o fungo avaliado desenvolve-se sobre o
bagaço e penetra nas células em busca de compostos nutricionais (Figura 8).
(a) (b)(a) (b)
Figura 8 - Microscopia óptica com aumento de 400X mostrando a colonização de
Penicillium sp. em bagaço de cana-de-açúcar sem tratamento químico (a) e pré-
tratado quimicamente com NaOH + Ca(OH)
2
(b). As barras de comparação de
medidas estão apresentadas em cada figura
A confirmação deste comportamento do fungo foi obtida com as imagens de
microscopia eletrônica de transmissão, onde foi possível observar estruturas fúngicas na área
interior das células (Figura 9 a, b, c, d). Estes resultados permitem inferir que o fungo
avaliado tem a capacidade de penetrar nas células do bagaço, possivelmente por meio da
46
liberação de enzimas ligninolíticas. Considerando que isto ocorra, a degradação da estrutura
do bagaço está relacionada à atividade do fungo, que penetra nas células e utiliza os
compostos intracelulares, que são moléculas de fácil metabolismo, para seu desenvolvimento
e reprodução. Este maior desenvolvimento do fungo no espaço intracelular é evidenciado pela
maior freqüência de visualização deste neste nicho. (Figura 9 a, b, c). Nota-se também a
colonização do fungo no espaço intercelular (Figura 9 d).
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
Figura 9 - Microscopia eletrônica de varredura mostrando a colonização de Penicillium sp. em
bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado quimicamente com NaOH + Ca(OH)
2
. As
setas indicam as estruturas fúngicas observadas. Os aumentos e barras de
comparação de medidas estão apresentados em cada figura
A biodegradação dos materiais lignocelulósicos por fungos é atribuída à ação de uma
serie de enzimas e compostos de baixa massa molar extracelulares. A degradação é
considerada como necessariamente de forma extracelular, uma vez que os componentes dos
47
lignocelulósicos devem ser inicialmente despolimerizados até compostos menores que são
susceptíveis ao transporte pela parede celular e ao metabolismo intracelular dos fungos
envolvidos (ESPOSITO; AZEVEDO, 2004).
Em termos microscópicos, quando o fungo é colocado em contato com um material
lignocelulósico, pode-se observar a ação dos fungos degradadores desses materiais (Figura 7
a, b). Essa degradação ocorre por meio de da penetração de suas hifas na fibra do bagaço de
cana-de-açúcar (Figura 7d). De acordo com Esposito e Azevedo (2004), as hifas quando estão
instaladas no material lignocelulósico produzem uma grande diversidade de metabólitos
extracelulares que, então, atuam degradando a parede celular vegetal.
Do ponto de vista microscópico, é possível diferenciar dois modos principais de
degradação do material lignocelulósico: o primeiro envolve uma “escamação” da parede
celular no sentido lúmem-lamela média, levando à diminuição progressiva e irregular da
parede celular; o outro modo de degradação que tem sido observado em fungos seletivos para
a degradação de lignina, envolve a remoção de lignina e polioses sem a simultânea erosão da
parede celular. Nesses casos, a parede celular, apesar de degradada, mantém a sua forma
original. Os distintos mecanismos de degradação envolvidos em cada caso têm sido objeto de
muitos estudos, e um aspecto a ser considerado é o modo de ação das enzimas extracelulares
sobre o complexo lignocelulósico (ESPOSITO ; AZEVEDO, 2004). Porém, vários trabalhos
têm demonstrado que enzimas lignocelulolíticas não penetram na parede celular vegetal
intacta (FLOUNOY et al., 1993; SREBOTNIK et al., 1988). Com isso, a degradação
enzimática dos componentes da parede celular não poderia justificar o modelo ataque não-
erosivo que foi descrito anteriormente. Ou seja, se as enzimas responsáveis pela degradação
dos componentes lignocelulósicos não podem penetrar na parede celular vegetal, somente um
processo de “escamação” da parede celular pode ser efetivo no processo de biodegradação.
Mas, de acordo com os resultados apresentados nesse trabalho, pode-se dizer que
houve os dois tipos de degradação. Na Figura 8a e 8b onde se têm a microscopia óptica, é
possível notar que não houve ataque progressivo da parede celular pelo fungo Penicillum sp.,
já que as paredes da célula do bagaço de cana-de-açúcar parecem estar intactas sem nenhuma
erosão irregular, e mesmo assim é possível notar a presença do mesmo dentro da célula.
Blachete et al. (1997), demonstraram que Ceriporiopsis subvermispora (um dos
fungos mais seletivos já descritos para a degradação da lignina) causa alterações estruturais
48
significativas na lignina presente na parede celular e na lamela média, mesmo antes de a
parede celular vegetal ser permeável a proteínas do tamanho da insulina. Dessa forma, vários
trabalhos têm proposto que alguns compostos de baixa massa molar poderiam atuar nos
estágios inicias da biodegradação dos compostos lignocelulósicos. Esses compostos deveriam
apresentar atividade degradativa, mas são pequenos o suficiente para penetrar no complexo
celular vegetal, e ou para degradar os componentes lá existentes e, com isso, desestruturar a
parede celular a ponto de permitir a penetração de enzimas oxidativas e hidrolíticas.
Na Figura 9c é possível notar que a parede celular não está intacta, ou seja, apresenta-
se desestruturada e dentro dessa, ocorre a presença do fungo Penicillium sp., onde pode-se
inferir que esteja acontecendo o processo de “escamação” da parede celular por ação do
tratamento químico alcalino NaOH + Ca(OH)
2
juntamente com ação das enzimas
ligninolíticas produzidas pelo fungo.
2.3.2 Análise dos teores de lignina, celulose e hemicelulose do bagaço de cana-de-
açúcar
As análises dos teores de celulose, lignina e hemicelulose do bagaço de cana-de-açúcar
“in natura” e pré-tratado com soluções alcalinas mostrou que tanto as soluções alcalinas
juntamente com autoclave, como somente o aquecimento e a alta pressão gerados pela
autoclave ocasionou uma diminuição nesses teores (Tabela 1) Em relação ao controle (bagaço
“in natura”) os tratamentos apresentaram diminuição no teor da fração de celulose em ordem
decrescente na seguinte ordem: bagaço + autoclave diminuiu 1,35 vezes, seguido do bagaço +
Ca(OH)
2
+ autoclave que diminuiu 1,29 vezes, seguido do bagaço + NaOH + autoclave, que
por sua vez diminuiu 1,12 vezes e para finalizar, seguido do pré-tratamento conjunto com as
duas bases + autoclave que diminuiu 1,08 vezes.
Com relação à fração lignina, a ordem foi: bagaço + tratamento conjunto com as duas
bases + autoclave com uma diminuição de 1,72 vezes, seguido de bagaço + NaOH com uma
diminuição de 1,26 vezes, seguido de bagaço + autoclave apresentando uma diminuição de
1,21 vezes e o tratamento bagaço + Ca(OH)
2
+ autoclave não mostrou diferenças.
Os teores de hemicelulose encontrados seguem a seguinte ordem: indicam que o pré-
tratamento bagaço + Ca(OH)
2
+ NaOH + autoclave foi 4,4 vezes menor em relação ao
49
controle, 2,17 vezes menor para o pré-tratamento com NaOH + autoclave, 2,05 vezes menor
em bagaço + Ca(OH)
2
+ autoclave e 1,16 vezes menor para o pré-tratamento somente com
autoclave.
Tabela 1 - Caracterização do bagaço de cana-de-açúcar sem e com pré-tratamento, alcalino ou
ácido em porcentagem da matéria seca
Amostras Celulose (%) Lignina (%) Hemicelulose (%)
Bagaço “in natura” 54,55 10,44 26,75
Bagaço + autoclave 40,28 8,57 23,00
Bagaço + Ca(OH)
2
42,06 10,68 13,00
Bagaço + NaOH 48,57 8,26 12,32
Bagaço + Ca(OH)
2
+ NaOH 50,28 6,06 6,08
A partir dos resultados apresentados é possível verificar que o pré-tratamento com
bagaço + Ca(OH)
2
+ NaOH + autoclave foi o mais eficiente comparado com os demais pré-
tratamentos, ocasionando uma diminuição maior do teor de lignina (42%) e principalmente de
hemicelulose (77%). A literatura já descreve que pré-tratamentos alcalinos ocasionam essa
diminuição de hemicelulose, solubilizando-a (CARASCHI, 1997; CAMPANA FILHO et al.,
1997; BLEDZKI et al., 1999; TITA et al., 2002). As soluções alcalinas possuem a capacidade
de extração de hemiceluloses e lignina e assim, esse tipo de solução provoca modificações na
composição química das fibras (TRIANA et al., 1990).
2.3.3 Resultados da atividade enzimática
A análise da atividade enzimática ligninolítica das linhagens de A. niger e Penicilium
sp., inoculadas em bagaço de cana-de-açúcar previamente tratados com NaOH e Ca(OH)
2
,
permitiu observar o efeito dos tratamentos na dinâmica enzimática da degradação. Esta
metodologia, de estimativa da produção enzimática ao longo do período de incubação,
mostrou-se eficaz nos trabalhos previamente conduzidos por Kamida et al., 2004. Estes
autores observaram que a produção enzimática de fungos desenvolvidos sobre substratos
lignocelulósicos é variável ao longo do tempo. A amostragem realizada a cada 2 ou 3 dias,
perdem em sensibilidade na detecção dos picos de produção enzimática. Dessa maneira, no
50
presente trabalho, as avaliações para a atividade de lacase e MnP foram realizadas
diariamente durante o período avaliado, de 15 dias.
2.3.3.1 Atividade da enzima lacase e MnP produzidas pelo fungo A. niger
A atividade da enzima lacase produzida pelo fungo A. niger apresentou diferenças
estatísticas (Anexo A) entre os tratamentos e durante o período de incubação (p<0,05). No
controle (bagaço sem tratamento), a atividade da enzima lacase apresentou um pequeno pico
de produção somente no décimo terceiro dia de incubação. Com relação aos demais
tratamentos, foram observados dois picos de produção da enzima, distribuídos em quatro
períodos da incubação; o primeiro pico verificado ao sétimo dia (Ca(OH)
2
+NaOH), o
segundo ao nono dia (Ca(OH)
2
e NaOH), o terceiro ao décimo terceiro dia de incubação
(Ca(OH)
2
e Ca(OH)
2
+ NaOH) e o quarto ao décimo quarto dia (NaOH) (Figura 10).
Considerando as diferenças entre tratamentos, pode-se observar que até o quinto dia de
incubação todos os tratamentos não diferiram, apresentando perfis muito similares entre si,
com baixa produção da enzima. A partir do sexto dia foi observado um aumento com maior
atividade da produção enzimática no tratamento com NaOH + Ca(OH)
2
. A análise estatística
(Anexo A) mostrou que o tratamento com NaOH + Ca(OH)
2
evidencia uma maior atividade
da enzima, não sendo observadas quedas nos picos até o valor zero entre os dias seis e 15
(Figura 10). As alterações neste tratamento podem indicar que distintos compostos atuam de
forma diferente sobre a fibra, o que faz com que uma vez aplicados conjuntamente, (NaOH e
Ca(OH)
2
) atuem de maneira somatória na desestruturação da fibra de lignina do bagaço da
cana-de-açúcar (Figura 10).
51
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Período de incubação (dias)
Atividade enzimática (U/L)
Controle Na(OH) Ca(OH)2 Na + Ca
Figura 10 - Atividade da enzima lacase (U/L) produzida pelo fungo A. niger inoculado
em bagaço de cana-de-açúcar submetido a tratamentos com NaOH,
Ca(OH)
2
, NaOH + Ca(OH)
2
e controle (bagaço sem tratamento), no período
de 15 dias
Em relação à atividade de MnP produzida por A. niger, pôde-se também observar
diferenças estatísticas (Anexo B) entre os diferentes tratamentos (p<0,05). Para esta enzima, a
menor atividade foi verificada no tratamento com as duas bases combinadas, onde as medidas
se mantiveram próximas ao valor zero, exceto por um pequeno pico ao quarto dia.. Para os
demais tratamentos, picos maiores de produção foram observados (Figura 11).
No tratamento controle, a curva da atividade da MnP foi gradual, começando com um
pequeno pico a partir do quarto dia de incubação, seguindo praticamente constante até o
sétimo dia, onde, a partir desse dia houve uma atividade crescente até atingir o pico de
produção máxima no décimo dia de incubação, ocorrendo uma queda gradativa até o décimo
quinto dia de incubação (Figura 11). Considerando os tratamentos com apenas uma base, um
pico inicial de produção de MnP foi observado no quarto dia de incubação. Após este período,
os valores para estes tratamentos variaram em intensidade, sendo que o material pré-tratado
52
com NaOH a atividade foi constante até o aumento ocorrido nos dias seis e sete de incubação.
Analogamente, o tratamento com Ca(OH)
2
revelou um aumento na atividade de MnP, com a
produção de dois picos, um aos cinco e outros aos nove dias de incubação.
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Período de incubação (dias)
Atividade enzimática (U/L)
Controle Na(OH) Ca(OH)2 Na + Ca
Figura 11 - Atividade da enzima MnP (U/L) produzida pelo fungo A. niger inoculado em
bagaço de cana-de-açúcar submetido a tratamentos com NaOH, Ca(OH)
2
, NaOH
+ Ca(OH)
2
e controle (bagaço sem tratamento), no período de 15 dias
2.3.3.2 Atividade das enzimas lacase e MnP produzidas pelo fungo Penicillium sp.
A atividade de lacase do fungo Penicillium sp. diferiu estatisticamente (Anexo C) na
maioria dos tratamentos (p<0,05), com exceção dos tratamentos controle e o realizado com as
duas bases conjuntamente. Nenhum dos tratamentos apresentou uma atividade gradativa de
produção da enzima lacase. Na figura 12, é possível notar dois picos de atividade de lacase
em todos os tratamentos, sendo os de maiores intensidades aqueles encontrados ao nono dia
de incubação no tratamento com Ca(OH)
2
. e ao décimo quinto dia no tratamento controle.
53
Outros picos com menor intensidade também foram observados, como no oitavo dia para o
tratamento com as bases conjuntas (NaOH + Ca(OH)
2
), no nono dia para a base NaOH e no
décimo dia para o controle (Figura 12). Considerando os tratamentos, houve uma grande
similaridade com o que foi observado em relação ao previamente descrito para A. niger. Essa
similaridade se dá nos primeiros dias de incubação, onde ambos os fungos (A. niger e
Penicillium sp.) praticamente não apresentaram atividade enzimática até o quinto dia de
incubação (Figura 10).
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Período de incubação (dias)
Atividade enzimática (U/L)
Controle Na(OH) Ca(OH)2 Na + Ca
Figura 12 - Atividade da enzima lacase (U/L) produzida pelo fungo Penicillium sp. inoculado
em bagaço de cana-de-açúcar submetido a tratamentos com NaOH, Ca(OH)2,
NaOH + Ca(OH)2 e controle (bagaço sem tratamento), no período de 15 dias
Avaliando o perfil de atividade da MnP pelo fungo Penicillium sp., diferenças
estatísticas (Anexo D) foram encontradas em relação a intensidade dos picos em todos os
tratamentos (p<0,05). A ordenação dos tratamentos não foi similar às demais quantificações
enzimáticas, apresentando uma maior atividade no tratamento conjunto com as duas bases,
onde foi possível notar um primeiro pico no segundo dia de incubação, seguido de quatro
54
picos maiores nos dias quatro, sete, 11 e 14 de incubação (Figura 13). Em relação aos demais
tratamentos, um número maior de picos de atividade foi observado, porém todos de menor
intensidade e variando dentro do período de incubação.
Comparando os perfis para a atividade de MnP observada para o Penicillium sp. em
relação ao perfil encontrado para A. niger diferenças foram encontradas. Ambos apresentam
vários picos de atividades desta enzima, mas para o fungo Penicillium sp., estes foram de
maiores intensidades. Também contrariando as observações feitas para A. niger, o tratamento
combinado com as duas bases diferiu dos demais, sendo que para o fungo A. niger esse
tratamento foi o que apresentou menor atividade enzimática, com pequenos picos de atividade
no quarto e no décimo terceiro dia de incubação. Isso mostra que o efeito da desestruturação
da fibra de lignina na posterior atividade fúngica pode ser específico para cada isolado
fúngico utilizado.
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Período de incubação (dias)
Atividade enzimática (U/L)
Controle Na(OH) Ca(OH) Na + Ca
Figura 13 - Atividade da enzima MnP (U/L) produzida pelo fungo Penicillium sp. inoculado
em bagaço de cana-de-açúcar submetido a tratamentos com NaOH, Ca(OH)
2
,
NaOH + Ca(OH)
2
e controle (bagaço sem tratamento), no período de 15 dias
55
2.3.3.3 Observações gerais dos resultados das atividades enzimáticas
O substrato lignocelulósico pode induzir a produção de MnP e de lacase sendo ambas
enzimas descritas como de ação conjunta para a degradação da estrutura da lignina
(SCHLOSSER et al., 1997, D´SOUZA et al., 1999, HOFRICHTER et al., 1999,
RODRIGUEZ et al., 1999, PAPINUTTI et al. 2001; MOREIRA NETO, 2006). Dessa
maneira, o resultado esperado para a análise realizada seria um período comum de observação
dos picos das duas enzimas, iniciando-se com a lacase e posterior atividade da MnP. No
entanto, isto foi parcialmente encontrado, tendo como primeiro a MnP e posteriormente o pico
de lacase. Desta maneira, pode-se sugerir que o tratamento químico mimetize a ação da lacase
sobre a estrutura da fibra, liberando vários compostos, dentre os quais os ativadores da MnP.
Assim após um pico inicial apenas da MnP ocorre um segundo pico conjunto desta enzima
com a lacase, que possivelmente está atuando na desestruturação da fibra de lignina exposta
pelo tratamento químico.
Segundo a literatura consultada, as enzimas ligninolíticas podem ser inativadas por
processos bióticos e/ou abióticos, como adsorção a matriz orgânica do substrato fúngico,
acidez ou alcalinidade extrema, ou biodegradação por proteases (CHEFETZ et al., 1998,
STASZCZAK et al., 2000, AHN et al., 2002). Gianfreda e Bollag (1994), estudando o
comportamento de enzimas imobilizadas e não imobilizadas em solos, observaram que houve
um decréscimo na atividade enzimática quando a quantidade de matéria orgânica era elevada.
Os autores concluem que o efeito inibitório da atividade enzimática foi causado pela presença
de constituintes orgânicos do solo, como substâncias húmicas e fúlvicas. Entretanto,
substâncias húmicas podem ser geradas pela reação de lacases com compostos fenólicos
durante a degradação do bagaço de cana-de-açúcar pelo fungo, contribuindo para perda da
atividade e da estabilidade de enzimas ligninolíticas (CHEFETZ et al., 1998, AHN et al.,
2002). Isso faz com que seja possível inferir que o tratamento químico juntamente com o o
fungo inoculado no bagaço produza alguma substância húmica ou de caráter parecido fazendo
com que a atividade da lacase seja baixa ou com pouca estabilidade.
Segundo Li et al. (1999), Staszczak et al. (2000), Palmieri et al. (2000), Bonomo et al.
(2001), Ahn et al. (2002) e Keum e Li (2004), a instabilidade das enzimas ligninolíticas pode
ser atribuída a vários fatores, como desnaturação por valores muito baixos de pH, degradação
56
por proteases desnaturação irreversível pela exposição prolongada a radicais produzidos pelas
enzimas, inativação por substâncias húmicas e fúlvicas formadas durante a degradação de
substratos lignocelulósicos.
A atividade de degradação da lignina é aumentada pela presença da lignina ou algum
composto de baixo peso molecular derivado da lignina. A ativação inclui um aumento na
oxidação e na taxa de produção de H
2
O
2
(LEISOLA; FLETCHER, 1985) fazendo com que
esse próprio H
2
O
2
agora adicionado à mistura de reação promova uma inibição da atividade
de lacase. O peróxido de hidrogênio age como um co-substrato que ativa a ação enzimática do
radical da manganês peroxidase, contribuindo no ciclo catalítico das peroxidases, para oxidar
a enzima nativa em um intermediário enzimático (MOREIRA NETO, 2006) e assim
ocorrendo a ativação da enzima MnP, fazendo essa agir antes mesmo da lacase.
Outra justificativa possível para o pico inicial da MnP, seria uma resposta ao estresse
causado nas células fúngicas devido a alta concentração de sais oriundas do processo de
neutralização. Dessa forma, a formação excessiva de CaSO
4
e NaCl poderia ativar a produção
de compostos de resposta ao estresse, como o peróxido de hidrogênio, que serve como
ativador da MnP. Dessa maneira, o pico de atividade desta enzima ocorreria
independentemente da ação da lacase.
Nos organismos aeróbios as vantagens energéticas utilizando o oxigênio molecular
como um oxidante terminal na respiração são significativas, entretanto, a presença do
oxigênio no ambiente celular constitui-se numa ameaça constante às suas próprias estruturas e
processos. Este fato ocorre devido à formação das ROS (espécies reativas de oxigênio)
(MALLICK; MOHN, 2000), que podem se tornar altamente destrutivas para células e tecidos
se sua produção não for estritamente controlada (RICE-EVANS et al., 1991). Espécies
reativas de oxigênio (ROS) como os radicais superóxido (O
2
-
), peróxido de hidrogênio
(H
2
O
2
), radicais hidroxila (OH
-
) e oxigênio "singlet" (
1
O
2
) são um produto inevitável do
metabolismo dos organismos aeróbios (ANGELOVA et al., 2000), e provocam “estresse
oxidativo” devido à sua ação tóxica e mutagênica sobre as células (ANGELOVA et al., 2000;
MALLICK; MOHN, 2000).
Como todo organismo aeróbio, os fungos também sofrem com os efeitos tóxicos do
oxigênio molecular. As ROS causam danos nos componentes celulares oxidando os lipídios
(BHATTACHARJEE, 1998), proteínas e ácidos nucléicos (ANGELOVA et al., 2000). Para
57
combatê-las, as células dos fungos possuem tanto defesas antioxidantes enzimáticas, como,
catalases, peroxidases e superóxido dismutases (TEKCHANDANI, 1998; CALERA et al.,
2000; NOVENTA-JORDÃO et al., 1999; ANGELOVA et al., 2000), como não enzimáticas
(CALERA et al., 2000). A exposição dos microrganismos aeróbios aos mais variados fatores
de estresse, tais como calor, agentes oxidantes, tratamento com drogas, raio X e radiação UV,
vem sendo associada à indução na síntese de enzimas antioxidantes (ANGELOVA et al.,
2000).
De acordo com essas informações descritas na literatura, pode-se inferir que a
presença dos sais formados com o processo de lavagem e neutralização (CaSO
4
e NaCl)
podem estressar o fungo, formando as espécies ativas de oxigênio (ROS) e assim o fungo foi
induzido à produzir a MnP como resposta para combater as ROS (que pode ter formado o
peróxido de hidrogênio), já que essas causa danos nos componentes celulares.
Adicionalmente, é possível notar nas Figuras 10, 12 e 13 que a atividade no controle
das enzimas ligninolíticas (lacase e Mn peroxidase) foi mais baixa, contrariando os dados
previamente descritos na literatura. Uma vez que o pré-tratamento alcalino tem como função
desestruturar a fibra de lignina e solubilizar a hemicelulose a atividade no controle deveria ser
maior, pois os fungos teriam que produzir maior quantidade de enzimas ligninolíticas para
desestruturar tal fibra. Uma das explicações para esta observação seria a possibilidade da
lignina não ser uma fonte primária de carbono e energia para os fungos. Dessa maneira, sua
degradação via enzimática por fungos seria dependente da existência de uma fonte de carbono
adicional, que funcionaria como um co-substrato de degradação (KIRK; SHIMADA, 1985;
MOREIRA NETO, 2006).
Nos experimentos realizados, a adição de farelo de soja foi inicialmente realizada para
ajustar a relação carbono: nitrogênio, permitindo o desenvolvimento fúngico. No entanto, este
substrato conta com uma pequena quantidade de carbono, que pode ser utilizada pelos fungos
como o co-substrato para degradação de estruturas mais complexas como a lignina. Porém,
devido às diferenças encontradas entre o controle e os tratamentos, podemos sugerir que o
tratamento químico resultou na liberação de outros compostos carbônicos, de mais fácil
assimilação pelos fungos do que àqueles presentes no farelo de soja. Esta diferenciação na
disponibilidade de carbono, pode ter resultado na diferenciação dos perfis enzimáticos
encontrados nos diferentes tratamentos podendo ser explicado conforme Galhaup et al. (2002)
58
onde concluíram que a produção de lacases está na dependência tanto da fonte de carbono
quanto na de nitrogênio. Como neste trabalho o farelo de soja foi usado para regular a relação
carbono: nitrogênio, agindo também como um co-substrato, talvez isso possa explicar
atividades enzimáticas mais baixas.
As enzimas produzidas por esses fungos são consideradas como extracelulares, mas
segundo Szklarz et al. (1989), essas enzimas podem não ser somente extracelulares,
encontrando-se ligadas à membrana celular, ou, serem intracelulares como descrito para
Lenzites trabea. Segundo Lobarzenwski (1990), alguns fungos, são capazes de produzir
peroxidases extras ou intracelulares, de acordo com a constituição do meio de cultura.O fungo
por ele foi estudado (T. versicolor), foi colocado em contato com a lignina e a forma
intracelular da enzima migrou para a parede celular, permanecendo em uma forma
imobilizada.
É bom ressaltar também que a atividade da enzima depende da temperatura; conforme
esta é elevada, a taxa de reação se torna maior. No entanto, à temperaturas elevadas, ocorre a
desnaturação da proteína, evidenciada pela perda de atividade da enzima no meio. E também
o fato de que a produção de enzimas ligninolíticas varia com o tempo de incubação do
microorganismo (MACHADO, 1998).
Um vasto grupo de enzimas está relacionado à biodegradação da lignina; mas existem
inúmeros trabalhos sendo realizados até hoje onde colocam em dúvidas a real participação de
cada grupo dessas enzimas e a função exata que cada um desses grupos exerce no processo
global de oxidação que leva a lignina até o dióxido de carbono e água. A maioria desses
estudos provém de experimentos realizados com o basidiomiceto P. chrysosporium e por isso
não se pode afirmar que o comportamento desse é igual para todos os organismos que podem
também degradar a lignina. Os fungos de decomposição branda, por exemplo, são tão efetivos
biodegradadores de materiais lignocelulósicos quantos os basidiomicetos, mas os degradam
em velocidades bem mais baixas e por isso são menos estudados.
Em geral, a biodegradação da lignina a CO
2
e H
2
O depende de um efetivo processo de
despolimerização dessa macromolécula que dá origem a compostos de baixa massa molar
susceptíveis ao metabolismo intracelular dos fungos (ESPOSITO; AZEVEDO, 2004).
Embora a diversidade de fungos decompositores de materiais lignocelulósicos seja
grande, um numero restrito de espécies têm sido estudados em detalhe. O modo de
59
degradação utilizado por cada fungo e a busca de um maior número de evidências que
permitam generalizar os modelos de biodegradação atualmente estabelecidos ou a ser
estabelecidos, têm sido bastante restritos (FERRAZ et al., 2000). Por exemplo, alguns dados
obtidos com outros fungos de decomposição branca colocam em dúvida se o processo de
biodegradação, principalmente da lignina, pode ser generalizado para outras espécies
(KUHAD et al., 1997). Isso acaba gerando dúvidas em relação a qualquer linhagem fúngica
que possa vir a ser estudada. Seria necessário, portanto um estudo particular de cada espécie
partindo dos princípios e das informações necessárias que já se obteve de outras espécies.
]
60
3 CONCLUSÕES
• A combinação dos álcalis foi o pré-tratamento que ocasionou uma maior
quebra na estrutura da fibra, apresentando uma maior estratificação, observada
pela microscopia eletrônica de varredura, e ocasionando cerca de 77% da perda
do teor de hemicelulose e 42% da lignina.
• O tratamento com NaOH mostrou ser capaz de remover impurezas e tornar a
superfície da fibra mais rugosa, fazendo a retirada parcial da lignina e
solubilizar mais de 50% da hemicelulose.
• O tratamento com o Ca(OH)
2
levou também a uma estratificação da fibra do
bagaço de cana-de-açúcar, porém em menor extensão que o tratamento com
NaOH não alterando o teor de lignina, mas sendo capaz de solubilizar metade
do teor de hemicelulose.
• A. niger mostrou maior atividade da enzima lacase no pré-tratamento NaOH +.
Ca(OH)
2
e maior eficiência da atividade de MnP no controle (bagaço +
autoclave).
• Penicillium sp. apresentou atividade de lacase estatisticamente semelhante nos
tratamentos com NaOH + Ca(OH)
2
e bagaço + autoclave, sendo esses mais
eficientes que os pré-tratamentos com NaOH e Ca(OH)
2
. Para a enzima MnP a
maior atividade foi observada com as bases combinadas (bagaço + (NaOH +
Ca(OH)
2
).
• As enzimas ligninolíticas juntamente com os pré-tratamentos alcalinos tiveram
ação na degradação da parede celular do bagaço, mostrando que as enzimas são
produzidas de maneira indutiva quando em contato com o substrato
lignocelulósico + o álcali, permitindo a entrada das hifas no interior celular.
61
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WILBERG, K.Q. Oxidação de compostos fenólicos em solução aquosa com enzima
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Metalúrgica e de Materiais) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Rio Grande do Sul,
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WOODWARD, J. Xylanases: functions, properties and applications. In: ____. Introduction
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Cândida utillis e o fungo Pleurotus ostreatus. Ponta Grossa: Universidade Federal
Tecnológica do Paraná, 2006. 58p
78
ANEXOS
79
ANEXO A – Teste de Tukey (5%) realizado para a enzima lacase produzida pelo fungo
Aspergillus niger para as médias dos diferentes tratamentos
DMS (TUKEY) = .1021
Tratamento Média
NaOH +. Ca(OH)
2
2.7211 A
NaOH 2.5394 B
Ca(OH)
2
2.1504 C
Controle 1.7342 D
* Os dados foram transformados por √(x+1) para ser realizada a análise estatística. Médias
seguidas por letras diferentes diferem do Teste de Tukey ao nível de 5% de significância
ANEXO B – Teste de Tukey (5%) realizado para a enzima MnP produzida pelo fungo
Aspergillus niger para as médias dos diferentes tratamentos
DMS (TUKEY) = .0739
Tratamento Média
Controle 2.9512 A
Ca(OH)
2
2.8718 B
NaOH 1.8997 C
NaOH +. Ca(OH)
2
1.5636 D
* Os dados foram transformados por √(x+1) para ser realizada a análise estatística. Médias
seguidas por letras diferentes diferem do Teste de Tukey ao nível de 5% de significância
ANEXO C – Teste de Tukey (5%) realizado para a enzima lacase produzida pelo fungo
Penicillium sp. para as médias dos diferentes tratamentos
DMS (TUKEY) = .0389
Tratamento Média
Controle 2.7097 A
NaOH +. Ca(OH)
2
2.6790 A
Ca(OH)
2
2.0948 B
NaOH 1.6313 C
* Os dados foram transformados por √(x+1) para ser realizada a análise estatística. Médias
seguidas por letras diferentes diferem do Teste de Tukey ao níve de 5% de significância
80
ANEXO D – Teste de Tukey (5%) realizado para a enzima MnP produzida pelo fungo
Penicillium sp. para as médias dos diferentes tratamentos
DMS (TUKEY) = .0462
Tratamento Média
NaOH +. Ca(OH)
2
2.9721 A
Ca(OH)
2
2.3481 B
Controle 2.0506 C
NaOH 1.9538 D
* Os dados foram transformados por √(x+1) para ser realizada a análise estatística. Médias
seguidas por letras diferentes diferem do Teste de Tukey ao níve de 5% de significância
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