Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The advanced oxidation protein products (AOPPs) are a new class of compounds identified as markers of oxidative damage to proteins. The physiology role of these products is not limited to assess the oxidative stress, and these products may actively participate in the inflammatory process, promoting different cell disorders, including induction of apoptosis and alterations in the processes of cell proliferation and differentiation. Myeloperoxidase (MPO)-derived hypochlorous acid (HOCl) produced by activated neutrophils contribute significantly to AOPP formation, and human serum albumin (HSA) is considered the main protein responsible for the generation of AOPPs However, the molecular composition of AOPPs is unclear. Additional pathways and protein targets for AOPP formation are largely unknown. The aim of this study was to induce the formation of AOPPs in vitro through Fenton reaction and to investigate whether this generation could be counteracted by N-acetylcysteine (NAC) and fructose-1,6-bisphosphate (FBP). In addition, this study aimed to examine whether AOPPs produced by Fenton reaction may induce the activation of the gene transcription of inflammatory molecules, including the nuclear factor-κB (NF-κB), cyclooxygenase-2 (COX-2) and interleukin-6 (IL-6) in human embryonic kidney cells (HEK 293). Additionally, it was investigated the collagen as a potential source of AOPPs via its exposure to HOCl. The HOCl-modified collagen stimulated the production of oxidants, such as HOCl and superoxide anion radical (O2 -), and pro-inflammatory agents, such as nitric oxide (NO) and AOPPs in human neutrophil. Furthermore, HOCl-modified collagen induced a decrease in cell viability and an increase of apoptosis in these cells. Finally, alpha-tocopherol inhibited the release of oxidants, decreased cell viability and apoptosis, suggesting a therapeutic potential means to prevent deleterious effects caused by AOPPs. Furthermore, these findings indicate that alternative pathways can form AOPPs, and these new products may contribute to the pathogenesis of several clinical conditions related to the accumulation of AOPPs. / Os produtos proteicos de oxidação avançada (AOPPs) são uma nova classe de compostos formados em consequência do estresse oxidativo e considerados biomarcadores úteis na detecção de dano oxidativo proteico. No entanto, o papel desses produtos não se limita apenas a refletir o grau oxidativo de proteínas, mas também podem participar de forma ativa no processo inflamatório, promovendo diferentes perturbações celulares, incluindo a indução de apoptose e alterações nos processos de proliferação e diferenciação celular. O principal mecanismo de formação dos AOPPs é através do ácido hipocloroso (HOCl) produzido pela enzima mieloperoxidase (MPO), sendo a albumina, a principal fonte proteica para a formação desses produtos. No entanto, a via MPO/HOCl parece não ser a única responsável pela formação de AOPPs, e uma série de estudos indicam que há vias alternativas que podem contribuir para formação de AOPPs. Outro fator importante, que também não está totalmente esclarecido, é se a albumina é a única proteína suscetível a formação dos AOPPs, uma vez que a composição molecular desses produtos ainda não está totalmente definida. Além dessas questões, é de interesse avaliar se os AOPPs formados por outra via mantém as características pró-infamatórias e pró-apoptóticas dos AOPPs originados pela via MPO/HOCl. Assim, o presente estudo teve como objetivo investigar se a reação de Fenton, importante geradora de radicais hidroxilas (OH ), é uma potencial via de formação de AOPPs, bem como se o colágeno, principal proteína da matriz extracelular, é uma proteína suscetível a formação desses produtos. Em um primeiro momento, foi demonstrado que a reação de Fenton induziu a formação de AOPPs e esse processo foi inibido por agentes antioxidantes, como N-acetilcisteína (NAC) e frutose-1,6-bisfosfato (FBP). Além disso, os AOPPs gerados através da reação de Fenton induziram um aumento da transcrição gênica de agentes envolvidos no processo inflamatório, incluindo o fator de transcrição κB (NF-κB), a cicloxigenase-2 (COX-2) e a interleucina-6 (IL-6), em células renais embrionárias (HEK 293) através de ensaio de transfecção celular e atividade da Luciferase. Outro importante achado deste estudo foi demonstrar que o colágeno exposto ao HOCl também é uma fonte proteica para a formação de AOPPs. Os AOPPs formados a partir do colágeno estimularam a produção de oxidantes, como o HOCl e radical ânion superóxido (O2 -), e de agentes inflamatórios, como óxido nítrico (NO) e AOPPs, em neutrófilos humanos isolados. Além disso, os AOPPs derivados do colágeno induziram uma diminuição da viabilidade celular e um aumento do processo apoptótico nessas células. Por fim, o alfa-tocoferol inibiu a liberação de oxidantes, preveniu a diminuição da viabilidade celular e o aumento do processo apoptótico, sugerindo que esse composto pode ser uma potencial ferramenta terapêutica para prevenir os efeitos deletérios promovidos pelos AOPPs. Do mesmo modo, esses achados indicam que os AOPPs podem ser formados por vias alternativas, e esses novos produtos podem contribuir na fisiopatogênese de diversas condições clínicas relacionadas com o acúmulo de AOPPs.

Inúmeros trabalhos da literatura científica mostram que a remoção parcial de lignina é útil para facilitar o processo de sacarificação enzimática de materiais lignocelulósicos. No entanto, a maioria dos processos de deslignificação aplica condições severas de reação e apresenta custos elevados de processo. Uma alternativa aos processos mais severos de deslignificação envolve a aplicação de sistemas biomiméticos. Estes sistemas demandam condições amenas de reação, compatíveis com a etapa de hidrólise enzimática, porém geralmente são mais lentos e menos eficientes do que os pré-tratamentos químicos e quimiotermomecânicos convencionais. Ponderando estes fatos, o objetivo desta tese foi estudar a aplicação de sistemas oxidativos e biomiméticos na deslignificação de materiais lignocelulósicos prévios a uma etapa de hidrólise enzimática da fração polissacarídica. A estratégia de trabalho consistiu em pré-tratar bagaço de cana (foram empregados 3 cultivares diferentes de cana no presente estudo) com um processo quimiotermomecânico (CTM) em condições amenas de reação (5,0% de Na2SO3 e 2,5% de NaOH) seguido de um tratamento biomimético oxidativo. Esta abordagem visou gerar um material parcialmente deslignificado que pudesse ter a recalcitrância significativamente diminuída pela aplicação de um processo biomimético. Um segundo pré-tratamento foi aplicado em condições mais severas de reação (10% de Na2SO3 e 5,0% de NaOH) e visou gerar um material de referência, com baixa recalcitrância. Os sistemas biomiméticos empregados tiveram origem nos processos naturais de biodegradação de madeira por fungos de decomposição branca e parda e envolveram a ação de: a) Manganês peroxidase, Lacase, ferro e Oxigênio; b) reação de Fenton mediada por quelantes. Estes sistemas foram suplementados ou não com ácidos graxos insaturados, visando gerar radicais organoperoxila no caso dos sistemas suplementados. As reações de Fenton mediadas por quelantes apresentaram emissão de quimiluminescência, o que permitiu otimizar o sistema reacional com base na máxima quimiluminescência obtida. A remoção de lignina obtida com o pré-tratamento CTM variou de acordo com a carga de sulfito alcalino empregada, sendo que para as severidades baixa e alta, a remoção de lignina atingiu 26% e 54%, respectivamente. Os sistemas biomiméticos aplicados no bagaço de cana, após pré-tratamento com sulfito alcalino na condição branda, produziram graus de deslignificação variáveis, sendo que as principais remoções de lignina foram obtidas com o tratamento de Fenton mediado por quelantes e com Oxigênio, atingindo remoções acumuladas de lignina de 44% e 62%, respectivamente. Em todos os casos avaliados, a remoção adicional de lignina promoveu maiores eficiências de conversão enzimática das frações polissacarídicas residuais. A maior conversão de celulose e hemicelulose (acima de 80%) foi obtida com o tratamento Fenton mediado por quelantes aplicado sobre um cultivar de cana de açúcar que apresentava elevado teor de ácidos hidroxicinâmicos, sugerindo uma ação eficiente destes sistemas para a remoção destes ácidos hidroxicinâmicos. / The current scientific literature shows that lignin removal can facilitates subsequent processes of enzymatic saccharification of lignocellulosic materials. However, most of the delignification processes use severe reaction conditions and present high process costs. One alternative for the severe delignification processes includes the use of biomimetic systems. These systems can be applied under mild reaction conditions, which are compatible with the enzymatic hydrolysis step. Nevertheless, biomimetic systems usually present low reaction rates and are less efficient than the more severe chemical and chemithermomechancial processes. Weighing these facts, the main subject of the current PhD thesis was to study oxidative-biomimetic systems suitable for delignification of lignocellulosic materials as a previous step to the enzymatic hydrolysis of the polysaccharide fraction. The experimental approach involved the pretreatment of sugar cane bagasse (three different sugar cane cultivars were evaluated) by a chemithermomechanical (CTM) process under mild reaction conditions (5% of Na2SO3 and 2.5% NaOH), followed by an oxidative-biomimetic system. This approach aimed to prepare a partially delignified material suitable to be treated by the subsequent biomimetic systems, providing significant changes in the material recalcitrance. A second pretreatment under more severe reaction conditions (10% Na2SO3 and 5% NaOH) was performed to prepare a reference material with low recalcitrance. The biomimetic systems used in the current work were based on natural wood decay processes involving white- and brown-rot fungi, and include the actions of: a) Manganese peroxidase, Laccase, Iron íons and Oxygen; b) Chelator Mediated Fenton reactions (CMF). This reaction systems used (or not) the presence of unsaturated fatty acids to induce formation of organoperoxyl radicals. The CMF reactions presented chemiluminescence, which enabled the reaction optimization with basis on maximal chemiluminescence. The lignin removal during the CTM pretreatment varied according to the alkaline-sulfite load used in the reaction. The delignification increased with increased alkaline-sulfite loads reaching 26% and 54% for the less severe and more severe reaction conditions, respectively. Biomimetic systems applied over the mild-pretreated sugar cane bagasse produced varied delignification levels, reaching maximal values for cumulative lignin removal of 44% and 62% for the CMF and Oxigen, respectively. In all cases, the supplementary removal of lignin resulted in more efficient enzymatic hydrolysis of the polysaccharide fraction. The highest cellulose and hemicellulose conversions (over 80%) was obtained with the CMF system applied on a sugar cane cultivar that contained high hydroxycinnamic acids contents, suggesting an efficient action of CMF systems for hydroxycinnamic acids removal.

Hidrogéis são materiais poliméricos com habilidade em intumescer em água e fluidos biológicos sem, contudo, se dissolver. Devido às suas propriedades de maciez e biocompatibilidade, estes materiais têm tido um crescimento enorme na área de engenharia de tecido, encapsulamento de células e liberação de drogas. Este trabalho visa a produção de hidrogéis de poli(N-vinil-2-pirrolidona) e seus copolímeros a partir de reticulações químicas. Como metodologia alternativa de produção de hidrogéis de poli(N-vinil-2-pirrolidona), foi estudada a reticulação do PVP por reação de Fenton, sendo que as concentrações dos reagentes foram avaliadas a fim de produzir um hidrogel com características semelhantes aos hidrogéis de PVP por radiação ionizante. O grande diferencial desta metodologia foi a rápida cinética de gelificação apresentada, creditanto um potencial de aplicação inédito. A partir de reticulações químicas mais brandas, foi estudada a produção de hidrogéis de copolímeros de N-vinil-2-pirrolidona e aldeídos com quitosana, e íons divalentes. Além de estudadas as propriedades relativas ao hidrogel tais como: conteúdo de gel, grau de intumescimento, cinética de reação, citotoxicidade, densidade de reticulação, massa molar média entre as ligações cruzadas e tamanho de poro. / Hydrogels are polymeric materials that have the ability to absorb water and biological fluids in their three-dimensional polymeric matrix without dissolution. Due to their interesting properties, such as softness and biocompatibility, there is a growing interest in their application in tissue engineering, cell encapsulation and drug delivery system. This work aims at the study of hydrogels from poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) and copolymers produced by chemical crosslinking methods. PVP crosslinking by Fenton reaction was studied as an alternative methodology to produce poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) hydrogels. The reagents concentrations were evaluated, in order to produce a hydrogel with the same properties of the hydrogels prepared by high energy radiation. The advantage of this methodology is its fast jellification kinetic, warranting new potential unprecedented applications. From mild chemical crosslinking methods, the production of hydrogels from copolymers of N-vinyl-2-pyrrolidone and aldehydes with chitosan, and divalent ions was studied. Hydrogels properties as: gel content, swelling ratio, reaction kinetics, cytotoxicity, crosslinking density, molecular weight and pore size were investigated.

O presente trabalho está inserido dentro de um estudo que pretende entender os mecanismos químicos e bioquímicos envolvidos na biodegradação da madeira por Ceriporiopsis subvermispora. Particularmente avaliou-se a relação entre a atividade redutora de Fe3+ presente em extratos aquosos de cultivos de Ceriporiopsis subvermispora sobre madeira com a iniciação de reações de peroxidação de ácido linoleico. A madeira foi biotratada por períodos de 7, 14 e 28 dias. Após a biodegradação, os cavacos foram extraídos com água e os extratos gerados foram caracterizados quanto a atividade redutora de Fe3+ e a capacidade de peroxidar ácido linoleico in vitro. As reações de peroxidação foram avaliadas a partir do monitoramento do consumo de O2 em um oxímetro. A partir desses ensaios foi possível determinar que tanto a oxidação de íons Fe2+ adicionados diretamente ao meio reacional ou a adição de íons Fe3+ e extratos com atividade redutora foram capazes de gerar radicais hidroperoxila que podem iniciar a peroxidação de ácido linoleico. As reações controle indicaram que a peroxidação não ocorre na presença de Fe3+. A adição de metanol às reações contendo Fe2+ não proporcionou menor capacidade de peroxidação de lipídeos, indicando que a reação não deve ser iniciada por OH radical. Tanto a atividade redutora de Fe+3 como a capacidade de iniciar a peroxidação de ácido linoleico dos extratos aumentaram em função do tempo de cultivo. A ultrafiltação dos extratos através de membranas seletivas associada com estudos de cromatografia de permeação em gel (CPG) indicaram que a maior parte da atividade redutora e da capacidade peroxidativa pode ser atribuída a compostos menores que 5kDa. Entre os compostos orgânicos identificados nas frações menores que 5 kDa, foram identificados, por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG/EM), alguns ácidos graxos como o palmítico e o ácido esteárico, além de glicerol e ácido oxálico e compostos aromáticos como a vanilina, e os ácidos vanílico, siríngico e gálico. A vanilina, detectada em todas as amostras em estudo, foi usada como padrão para um estudo comparativo das atividades redutoras de Fe3+ detectadas nos extratos. As concentrações estimadas de vanilina nos extratos foram de 5 a 22 ? moles/L de extrato ultrafiltrado. Soluções padrão de vanilina foram então preparadas em concentrações de 5 a 30 ? M e avaliadas quanto a capacidade de reduzir Fe3+ na presença de ferrozina. Essas misturas levaram à formação de Fe2+ nas concentrações de 0,5 a 0,7 ? M de Fe2+ , após 10 min de reação. A comparação desses dados com a capacidade redutora de Fe3+ encontrada nos ultrafiltrados da amostra de madeira biotratada por 14 dias, 43 ?M de Fe2+ em 10 min, sugeriu que a maior parte da capacidade redutora dos extratos não pode ser atribuída aos compostos detectados por CG/EM e sim deve ser atribuída a compostos que apresentam massa molar próxima àquela obtida pela calibração do sistema de CPG, entre 3 e 5 kDa. Isso sugere que a atividade redutora não estaria presente em compostos de baixa massa molar compatíveis com estruturas contendo 1 ou, no máximo, 2 anéis aromáticos e sim em derivados fenólicos maiores, oriundos da biodegradação da lignina. / The present work is inserted in a broad study aiming to understand the chemical and biochemical mechanisms involved in wood biodegradation by Ceriporiopsis subvermispora. Particularly, the relationship between the Fe3+-reducing activity present in aqueous extracts recovered from Ceriporiopsis subvermispora cultures on wood with the initiation of linoleic acid peroxidation reactions was evaluated. Wood chips were biotreated for periods varying from 7 to 28 days. After biotreatment, the wood chips were extracted with water and the resulting extracts were characterized according to their Fe3+-reducing activity, as well as their capacity to initiate linoleic acid peroxidation reactions in vitro. The peroxidation reactions were monitored through O2 consumption by using an appropriated Oximeter. Based on these assays, it was possible to show that Fe2+ ions added directly to the reaction media or the addition of Fe3+ ions plus aqueous extracts were able to generate hidroperoxil radicals that initiated linoleic acid peroxidation. The control reactions indicated that the peroxidation did not occur in the presence of Fe3+ ions alone. Addition of methanol to the reaction media containing Fe2+ did not diminish the lipid peroxidation extent, suggesting that the reaction should not depend on the formation of hydroxyl radical. The Fe3+-reducing activity and the capacity to initiate linoleic acid peroxidation increased in the aqueous wood extracts as a function of culturing time. The ultrafiltration of the extracts associated with gel permeation chromatography (GPC) studies indicated that most of the reducing activity and the peroxidation capacity present in the extracts were assigned to compounds presenting molecular mass lower than 5 kDa. In the fraction lower than 5 kDa some organic compounds were identified by using gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS). Palmitic and estearic acids, glycerol, oxalic acid and some aromatic compounds such as vanillin, vanillic, gallic and syringic acids were identified. Vanillin, detected in all the studied samples, was used as a standard for comparative evaluation of the Fe3+-reducing activities detected in the extracts. The estimated concentrations of vanillin in the extracts varied from 5 to 22 μmol/L of ultrafiltrated extract. Therefore, 5 to 30 μM standard solutions of va nillin were assayed for their Fe3+-reducing activity. These solutions reduced 0.5 to 0.7?M of Fe3+ after 10 min reaction. The comparison of these data with the Fe3+-reducing capacity found in the ultrafiltrated aqueous extract from the 14-day biotreated sample, 43 ? M of Fe3+ reduced after 10 min reaction, suggested that most of the reducing capacity in the extracts could not be attributed to compounds detect by GC/MS. Conversely, the Fe3+-reducing capacity could be assigned to compounds with higher molar mass as already observed in the GPC studies (3 to 5 kDa). These data suggest that the reducing activity detected in the aqueous extracts would not be compatible with low molar mass compounds containing 1 or, at least 2, aromatic rings. Instead, the Fe3+-reducing capacity should be assigned to high molar mass phenolic derivatives produced during the lignin biodegradation.

A reação de Fenton é o nome dado à oxidação de ferro(II) a ferro(III) pela água oxigenada, uma reação que produz espécies com alto poder oxidante como o radical hidroxila. Neste trabalho, foi desenvolvida uma metodologia espectrofotométrica para o acompanhamento da formação de ferro(III) nos momentos iniciais da reação de Fenton. Esta metodologia foi aplicada a quatro conjuntos de reações: (A) o sistema Fenton simples, contendo apenas ferro(II) e H2O2; (B) o sistema A contendo isopropanol, um substrato orgânico simples que sofre principalmente oxidação a acetona; (C) o sistema A contendo o catalisador 3,5-di-terc-butil-catecol (H2DTBCat); (D) o sistema C mais isopropanol, que corresponde ao sistema catalítico completo. Em cada conjunto, variou-se as concentrações de ferro(II) e H2O2. Um modelo cinético, baseado num conjunto de reações explícitas e as respectivas constantes de velocidade, foi desenvolvido para simular a velocidade de formação de ferro(III) para estes quatro conjuntos de reações. Utilizando reações relatadas na literatura, o modelo forneceu simulações que reproduziram satisfatoriamente os dados experimentais dos conjuntos A e B. No caso dos conjuntos C e D, porém, foi necessário propor uma etapa envolvendo a formação de ferro(IV) ou ferril, estabilizado por complexação com o H2DTBCat. Entretanto, mesmo com a inclusão desta espécie, o modelo não captou a complexidade do sistema em altas concentrações de peróxido e ferro. Esta falha foi atribuída à rápida degradação competitiva do H2DTBCat nestas condições, com a subseqüente participação destes produtos de degradação na reação ou como co-catalisadores ou como inibidores. / The Fenton reaction is the name given to the oxidation of iron(II) to iron(III) by hydrogen peroxide, a reaction that produces highly oxidizing species like the hydroxyl radical. In this work, a spectrophotometric methodology is developed to accompany the formation of iron(III) during the initial moments of the Fenton reaction. This methodology was applied to four sets of reactions: (A) the simple Fenton system, containing only iron(II) and H2O2; (B) system A containing isopropanol, a simple substrate that undergoes principally oxidation to acetone; (C) system A containing the catalyst 3,5-di-tert-butyl-catechol (H2DTBCat); (D) system C plus isopropanol, corresponding to the complete catalytic system. For each set of reactions, the concentrations of iron(II) and H2O2 were varied. A kinetic model, based on explicit chemical reactions and their respective rate constants, was developed to simulate the the rate of formation of iron(III) for these four sets of reactions above. Using reactions described in the literature, the model produced simulations that satisfactorily reproduced the experimental data of sets A and B. In the case of sets C and D, however, it was necessary to propose an additional step involving the formation of iron(IV) or ferril, stabilized by complexation with H2DTBCat. Nonetheless, even with the inclusion of this species, the model failed to capture the complexity of the system at high concentrations of peroxide and iron. This failure was attributed to the rapid competitive degradation of H2DTBCat under these conditions, with the subsequent participation of the degradation products in the reaction as either co-catalysts or inhibitors.

A Casa da Moeda do Brasil (CMB) é uma empresa nacional, com mais de 300 anos de experiência na produção de valores e impressos de segurança. A produção de cédulas, realizada pelo Departamento de Cédulas (DECED), consiste de três etapas de impressão, off-set, calografia e tipografia, seguida de acabamento e embalagem semi-automatizado. A impressão calcográfica consome solução de limpeza, composta de soda cáustica e óleo sulfonado, para limpeza do cilindro de impressão, gerando um efluente líquido saturado de tinta. Este efluente apresenta baixa biodegradabilidade, apresentando uma relação DBO / DQO de aproximadamente 1:4. Em termos de tratabilidade, as estações de tratamento de efluentes (ETE) apresentam uma configuração convencional, por via biológica, demonstram pouca eficiência na degradação da matéria orgânica deste efluente. Com compostos recalcitrantes, torna-se necessária a inclusão de uma etapa terciária que permita sua degradação por via química, permitindo o descarte do efluente com características menos danosas ao ambiente. Neste trabalho, aplicou-se a reação de Fenton no efluente do DECED por sua capacidade de converter a matéria orgânica em gás carbônico e água ou, caso seja utilizado em pré-tratamentos, torna-os biodegradáveis. Foram estudadas diferentes condições para medir a influência de diferentes parâmetros na eficiência da reação. A reação de Fenton consiste na geração de radicais hidroxil (HO), por diferentes rotas, em quantidades suficientes para a degradação de matéria orgânica. Esses radicais são gerados a partir de peróxido de hidrogênio (H2O2) em reações com diferentes precursores como ozônio (O3), luz UV (ultravioleta), ultra-som e sais de ferro. No presente trabalho restringiu-se às reações com sais de ferro. Dentre os resultados obtidos, verificou-se o tempo mínimo para reação em 10 minutos. A relação entre íons ferro e peróxido de hidrogênio é menor do que a literatura normalmente sugere, 1:2, contra 1:3. Como a solução de sulfato ferroso é muito instável, passando os íons ferrosos a férricos, utilizou-se a adição direta do sal. Em escala industrial, a solução de sulfato ferroso deve ser preparada em poucas quantidades para que tenha baixo tempo de estocagem, a fim de não ser degradada. A temperatura, na faixa estudada (de 20C à 45C), é um parâmetro que tem pouca influência, pois a redução da eficiência da reação foi pequena (de 99,0% para 94,9%). O ferro utilizado na reação não se demonstrou uma nova fonte de transtornos para o ambiente. Nas condições utilizadas, a concentração de ferro residual esteve próxima ao limite permitido pela legislação no efluente tratado, necessitando apenas de alguns ajustes para a correção do problema / The Brazilians Mint (CMB) is a national enterprise, with more than 300 years of experience in the production of values and security printings. The production of banknotes, carried out by the Departamento de Cédulas (DECED), consists of three printing stages: off-set, intaglio and typography, followed by finishing and semiautomated packing. The intaglio impression consumes cleaning solution, composed by caustic soda and sulfonated castor oil, for cleaning of the printing cylinder, producing an ink saturated wastewater. This wastewater presents low biodegradability, showing a BOD / COD ratio of approximately 1:4. In terms of treatability, the effluent treatment stations (ETS) has presented a conventional configuration, for biological means, has showed a low efficiency in the organic matter degradation of this effluent. With recalcitrant compounds, its necessary the inclusion of a tertiary stage that allows its degradation by chemical means, allowing discarding it with less harmful characteristics to the environment. In this work, the Fenton reaction was applied in the DECED industrial wastewater due to its capacity of converting the organic matter into carbonic gas and water or, if it is used in pay-treatment, turn them into biodegradable (AGUIAR et al., 2007). Different conditions have been studied to measure the influence of different parameters in the reaction efficiency. The Fenton reaction consists in the hidroxyl radicals (HO) generation, by different means, in sufficient quantities for the organic matter degradation. These radicals are produced from of peroxide hydrogen (H2O2) in reactions with different precursors like ozone (O3), UV light, ultrasound and iron salts (GOGATE and PANDIT, 2004). Here we restricted ourselves to the reactions with iron salts. Among the obtained results, it has been verified the minimun time for reaction in 10 minutes. The ratio between iron ions and hydrogen peroxide is lower than suggests the literature (1:2), against (1:3). Since the ferrous sulphate solution is very unstable, because the ferrous ions turn into ferric ions, straight addition of the salt was used. In industrial scale, the ferrous sulfate solution must be prepared in little quantities so that it has low time of stock, in order to not be degraded. The temperature, in the studied range, is a parameter that has little influence, since the efficiency reduction of the reaction was low. The iron used in the reaction did not demonstrate itself a new source of damages for the environment. In the used conditions, the iron concentration was near to maximum limit allowed by the legislation in the effluent treatment, just needing some adjustments to sort out the problem

O presente trabalho está inserido dentro de um estudo que pretende entender os mecanismos químicos e bioquímicos envolvidos na biodegradação da madeira por Ceriporiopsis subvermispora. Particularmente avaliou-se a relação entre a atividade redutora de Fe3+ presente em extratos aquosos de cultivos de Ceriporiopsis subvermispora sobre madeira com a iniciação de reações de peroxidação de ácido linoleico. A madeira foi biotratada por períodos de 7, 14 e 28 dias. Após a biodegradação, os cavacos foram extraídos com água e os extratos gerados foram caracterizados quanto a atividade redutora de Fe3+ e a capacidade de peroxidar ácido linoleico in vitro. As reações de peroxidação foram avaliadas a partir do monitoramento do consumo de O2 em um oxímetro. A partir desses ensaios foi possível determinar que tanto a oxidação de íons Fe2+ adicionados diretamente ao meio reacional ou a adição de íons Fe3+ e extratos com atividade redutora foram capazes de gerar radicais hidroperoxila que podem iniciar a peroxidação de ácido linoleico. As reações controle indicaram que a peroxidação não ocorre na presença de Fe3+. A adição de metanol às reações contendo Fe2+ não proporcionou menor capacidade de peroxidação de lipídeos, indicando que a reação não deve ser iniciada por OH radical. Tanto a atividade redutora de Fe+3 como a capacidade de iniciar a peroxidação de ácido linoleico dos extratos aumentaram em função do tempo de cultivo. A ultrafiltação dos extratos através de membranas seletivas associada com estudos de cromatografia de permeação em gel (CPG) indicaram que a maior parte da atividade redutora e da capacidade peroxidativa pode ser atribuída a compostos menores que 5kDa. Entre os compostos orgânicos identificados nas frações menores que 5 kDa, foram identificados, por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG/EM), alguns ácidos graxos como o palmítico e o ácido esteárico, além de glicerol e ácido oxálico e compostos aromáticos como a vanilina, e os ácidos vanílico, siríngico e gálico. A vanilina, detectada em todas as amostras em estudo, foi usada como padrão para um estudo comparativo das atividades redutoras de Fe3+ detectadas nos extratos. As concentrações estimadas de vanilina nos extratos foram de 5 a 22 ? moles/L de extrato ultrafiltrado. Soluções padrão de vanilina foram então preparadas em concentrações de 5 a 30 ? M e avaliadas quanto a capacidade de reduzir Fe3+ na presença de ferrozina. Essas misturas levaram à formação de Fe2+ nas concentrações de 0,5 a 0,7 ? M de Fe2+ , após 10 min de reação. A comparação desses dados com a capacidade redutora de Fe3+ encontrada nos ultrafiltrados da amostra de madeira biotratada por 14 dias, 43 ?M de Fe2+ em 10 min, sugeriu que a maior parte da capacidade redutora dos extratos não pode ser atribuída aos compostos detectados por CG/EM e sim deve ser atribuída a compostos que apresentam massa molar próxima àquela obtida pela calibração do sistema de CPG, entre 3 e 5 kDa. Isso sugere que a atividade redutora não estaria presente em compostos de baixa massa molar compatíveis com estruturas contendo 1 ou, no máximo, 2 anéis aromáticos e sim em derivados fenólicos maiores, oriundos da biodegradação da lignina. / The present work is inserted in a broad study aiming to understand the chemical and biochemical mechanisms involved in wood biodegradation by Ceriporiopsis subvermispora. Particularly, the relationship between the Fe3+-reducing activity present in aqueous extracts recovered from Ceriporiopsis subvermispora cultures on wood with the initiation of linoleic acid peroxidation reactions was evaluated. Wood chips were biotreated for periods varying from 7 to 28 days. After biotreatment, the wood chips were extracted with water and the resulting extracts were characterized according to their Fe3+-reducing activity, as well as their capacity to initiate linoleic acid peroxidation reactions in vitro. The peroxidation reactions were monitored through O2 consumption by using an appropriated Oximeter. Based on these assays, it was possible to show that Fe2+ ions added directly to the reaction media or the addition of Fe3+ ions plus aqueous extracts were able to generate hidroperoxil radicals that initiated linoleic acid peroxidation. The control reactions indicated that the peroxidation did not occur in the presence of Fe3+ ions alone. Addition of methanol to the reaction media containing Fe2+ did not diminish the lipid peroxidation extent, suggesting that the reaction should not depend on the formation of hydroxyl radical. The Fe3+-reducing activity and the capacity to initiate linoleic acid peroxidation increased in the aqueous wood extracts as a function of culturing time. The ultrafiltration of the extracts associated with gel permeation chromatography (GPC) studies indicated that most of the reducing activity and the peroxidation capacity present in the extracts were assigned to compounds presenting molecular mass lower than 5 kDa. In the fraction lower than 5 kDa some organic compounds were identified by using gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS). Palmitic and estearic acids, glycerol, oxalic acid and some aromatic compounds such as vanillin, vanillic, gallic and syringic acids were identified. Vanillin, detected in all the studied samples, was used as a standard for comparative evaluation of the Fe3+-reducing activities detected in the extracts. The estimated concentrations of vanillin in the extracts varied from 5 to 22 μmol/L of ultrafiltrated extract. Therefore, 5 to 30 μM standard solutions of va nillin were assayed for their Fe3+-reducing activity. These solutions reduced 0.5 to 0.7?M of Fe3+ after 10 min reaction. The comparison of these data with the Fe3+-reducing capacity found in the ultrafiltrated aqueous extract from the 14-day biotreated sample, 43 ? M of Fe3+ reduced after 10 min reaction, suggested that most of the reducing capacity in the extracts could not be attributed to compounds detect by GC/MS. Conversely, the Fe3+-reducing capacity could be assigned to compounds with higher molar mass as already observed in the GPC studies (3 to 5 kDa). These data suggest that the reducing activity detected in the aqueous extracts would not be compatible with low molar mass compounds containing 1 or, at least 2, aromatic rings. Instead, the Fe3+-reducing capacity should be assigned to high molar mass phenolic derivatives produced during the lignin biodegradation.

Made available in DSpace on 2015-04-22T22:02:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Vera Lucia Imbiriba Bentes.pdf: 2492256 bytes, checksum: 6177030a4e14eea635a818dbbb2b0e91 (MD5) Previous issue date: 2008-11-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The growing use and application of plastic materials have raised the index of residues of these materials in the great cities, mainly poli(ethylene tereftalate) (PET). Amongst the recycling techniques proposals to minimize the accumulation of these polymeric residues, the chemical recycling, has intensified the interest, on the part of the scientific community, a time that products of a high aggregate value can be achieved, that they can be used in new industrial processes. Of this form, the present work had as objective, to investigate the solubility of the PET postconsumer in different chemical agents, to promote the depolymerization chemical of the PET by hydrolysis basic and to carry preliminary study of the degradation of monomers post-hydrolysis through heterogeneous Fenton reaction using pure and Co- and Mn-doped magnetites catalysts, as source of Fe2+ in H2O2 having as molecule of reference for the study, the methylene blue (MB). The hydrolysis reaction was carried in reflux system under temperature of 110 oC for three hours using NaOH 7.5 mol L-1 as catalytic and the gotten products had been characterized by spectroscopic method in the region of the IV. The reactions of heterogeneous Fenton had been monitored by UV-visible measurements. Between the gotten results, it could be verified (i) PET solubility in phenol concentrated solution of about 40 oC; (ii) the chemical recycling of the PET presented yield of 99.72 % with recovery of monomers terephthalic acid (AT) and ethylene glycol (EG) monomers which were characterized by IV; (iii) the study of degradation of the methylene blue (MB) 20 mg L-1 was monitored by UV-visible measurements in λmax = 663 nm thus the kinetic model that better described the process was of the pseudo first-order, disclosing bigger capacity of degradation for the doped magnetite catalysers with Co and Mn, respectively; (iv) degradation of AT, was observed in λmax = 283 nm and had a similar behavior to the reference molecule; (v) the loss of the organic load of the solution afterhydrolysis of the PET was bottle was analyzed qualitatively by comparison of the spectrums obtained by FT-IV/ATR before and after of the heterogeneous Fenton reaction. Thus the results gotten in this work are considered satisfactory and promising for news studies future. / O crescente uso e aplicação de materiais plásticos tem elevado os índices de resíduos desses materiais nos lixões das grandes cidades, principalmente, o poli(tereftalato de etileno) (PET). Dentre as técnicas de reciclagem propostas para minimizar o acúmulo desses resíduos poliméricos, a reciclagem química, tem despertado maior interesse por parte da comunidade científica, uma vez que se podem obter produtos de elevado valor agregado, que podem ser utilizados em novos processos industriais. Dessa forma, o presente trabalho teve como objetivos, investigar a solubilidade do PET pós-consumo em diferentes agentes químicos, promover a despolimerização química do PET via hidrólise básica e realizar estudo preliminar da degradação dos monômeros pós-hidrólise através de reação de Fenton heterogênea utilizando catalisadores de magnetitas pura e dopadas com Co e Mn, como fonte de Fe2+em presença de H2O2, tendo como molécula de referência para o estudo, o corante azul de metileno (MB). A reação de hidrólise foi conduzida em sistema de refluxo sob temperatura de 110oC por três horas, utilizando NaOH 7,5 molL-1 como catalisador da reação e os produtos finais foram caracterizados por método espectroscópico na região de absorção do IV. As reações de Fenton heterogênea foram monitoradas através de medidas espectrofotométricas na região do UV-visível. Entre os resultados obtidos, pôde-se verificar (i) a solubilidade do PET em solução concentrada de fenol ∼ 40 oC; (ii) a reciclagem química do PET apresentou rendimento de 99,72 % com recuperação dos monômeros do ácido tereftálico (AT) e de etileno glicol (EG) que foram caracterizados por IV; (iii) o estudo da degradação da molécula de referência, MB 20 mg L -1, foi monitorado em λ = 663 nm, de maneira que o modelo cinético que melhor descreveu o processo foi o de pseudo primeira-ordem, revelando maior capacidade de degradação para os catalisadores de magnetitas dopadas com Co e Mn, respectivamente; (iv) a degradação do AT, foi observado em λ = 283 nm e teve comportamento semelhante ao da molécula de referência; (v) a perda de carga orgânica da solução pós-hidrólise do PET foi feita qualitativamente por comparação dos espectros IV/ATR das amostras de solução pós-hidrólise antes e depois de submetida á reação de Fenton. De maneira geral os resultados obtidos neste trabalho são considerados satisfatórios e promissores para outros futuros estudos.

Inúmeros trabalhos da literatura científica mostram que a remoção parcial de lignina é útil para facilitar o processo de sacarificação enzimática de materiais lignocelulósicos. No entanto, a maioria dos processos de deslignificação aplica condições severas de reação e apresenta custos elevados de processo. Uma alternativa aos processos mais severos de deslignificação envolve a aplicação de sistemas biomiméticos. Estes sistemas demandam condições amenas de reação, compatíveis com a etapa de hidrólise enzimática, porém geralmente são mais lentos e menos eficientes do que os pré-tratamentos químicos e quimiotermomecânicos convencionais. Ponderando estes fatos, o objetivo desta tese foi estudar a aplicação de sistemas oxidativos e biomiméticos na deslignificação de materiais lignocelulósicos prévios a uma etapa de hidrólise enzimática da fração polissacarídica. A estratégia de trabalho consistiu em pré-tratar bagaço de cana (foram empregados 3 cultivares diferentes de cana no presente estudo) com um processo quimiotermomecânico (CTM) em condições amenas de reação (5,0% de Na2SO3 e 2,5% de NaOH) seguido de um tratamento biomimético oxidativo. Esta abordagem visou gerar um material parcialmente deslignificado que pudesse ter a recalcitrância significativamente diminuída pela aplicação de um processo biomimético. Um segundo pré-tratamento foi aplicado em condições mais severas de reação (10% de Na2SO3 e 5,0% de NaOH) e visou gerar um material de referência, com baixa recalcitrância. Os sistemas biomiméticos empregados tiveram origem nos processos naturais de biodegradação de madeira por fungos de decomposição branca e parda e envolveram a ação de: a) Manganês peroxidase, Lacase, ferro e Oxigênio; b) reação de Fenton mediada por quelantes. Estes sistemas foram suplementados ou não com ácidos graxos insaturados, visando gerar radicais organoperoxila no caso dos sistemas suplementados. As reações de Fenton mediadas por quelantes apresentaram emissão de quimiluminescência, o que permitiu otimizar o sistema reacional com base na máxima quimiluminescência obtida. A remoção de lignina obtida com o pré-tratamento CTM variou de acordo com a carga de sulfito alcalino empregada, sendo que para as severidades baixa e alta, a remoção de lignina atingiu 26% e 54%, respectivamente. Os sistemas biomiméticos aplicados no bagaço de cana, após pré-tratamento com sulfito alcalino na condição branda, produziram graus de deslignificação variáveis, sendo que as principais remoções de lignina foram obtidas com o tratamento de Fenton mediado por quelantes e com Oxigênio, atingindo remoções acumuladas de lignina de 44% e 62%, respectivamente. Em todos os casos avaliados, a remoção adicional de lignina promoveu maiores eficiências de conversão enzimática das frações polissacarídicas residuais. A maior conversão de celulose e hemicelulose (acima de 80%) foi obtida com o tratamento Fenton mediado por quelantes aplicado sobre um cultivar de cana de açúcar que apresentava elevado teor de ácidos hidroxicinâmicos, sugerindo uma ação eficiente destes sistemas para a remoção destes ácidos hidroxicinâmicos. / The current scientific literature shows that lignin removal can facilitates subsequent processes of enzymatic saccharification of lignocellulosic materials. However, most of the delignification processes use severe reaction conditions and present high process costs. One alternative for the severe delignification processes includes the use of biomimetic systems. These systems can be applied under mild reaction conditions, which are compatible with the enzymatic hydrolysis step. Nevertheless, biomimetic systems usually present low reaction rates and are less efficient than the more severe chemical and chemithermomechancial processes. Weighing these facts, the main subject of the current PhD thesis was to study oxidative-biomimetic systems suitable for delignification of lignocellulosic materials as a previous step to the enzymatic hydrolysis of the polysaccharide fraction. The experimental approach involved the pretreatment of sugar cane bagasse (three different sugar cane cultivars were evaluated) by a chemithermomechanical (CTM) process under mild reaction conditions (5% of Na2SO3 and 2.5% NaOH), followed by an oxidative-biomimetic system. This approach aimed to prepare a partially delignified material suitable to be treated by the subsequent biomimetic systems, providing significant changes in the material recalcitrance. A second pretreatment under more severe reaction conditions (10% Na2SO3 and 5% NaOH) was performed to prepare a reference material with low recalcitrance. The biomimetic systems used in the current work were based on natural wood decay processes involving white- and brown-rot fungi, and include the actions of: a) Manganese peroxidase, Laccase, Iron íons and Oxygen; b) Chelator Mediated Fenton reactions (CMF). This reaction systems used (or not) the presence of unsaturated fatty acids to induce formation of organoperoxyl radicals. The CMF reactions presented chemiluminescence, which enabled the reaction optimization with basis on maximal chemiluminescence. The lignin removal during the CTM pretreatment varied according to the alkaline-sulfite load used in the reaction. The delignification increased with increased alkaline-sulfite loads reaching 26% and 54% for the less severe and more severe reaction conditions, respectively. Biomimetic systems applied over the mild-pretreated sugar cane bagasse produced varied delignification levels, reaching maximal values for cumulative lignin removal of 44% and 62% for the CMF and Oxigen, respectively. In all cases, the supplementary removal of lignin resulted in more efficient enzymatic hydrolysis of the polysaccharide fraction. The highest cellulose and hemicellulose conversions (over 80%) was obtained with the CMF system applied on a sugar cane cultivar that contained high hydroxycinnamic acids contents, suggesting an efficient action of CMF systems for hydroxycinnamic acids removal.

Hidrogéis são materiais poliméricos com habilidade em intumescer em água e fluidos biológicos sem, contudo, se dissolver. Devido às suas propriedades de maciez e biocompatibilidade, estes materiais têm tido um crescimento enorme na área de engenharia de tecido, encapsulamento de células e liberação de drogas. Este trabalho visa a produção de hidrogéis de poli(N-vinil-2-pirrolidona) e seus copolímeros a partir de reticulações químicas. Como metodologia alternativa de produção de hidrogéis de poli(N-vinil-2-pirrolidona), foi estudada a reticulação do PVP por reação de Fenton, sendo que as concentrações dos reagentes foram avaliadas a fim de produzir um hidrogel com características semelhantes aos hidrogéis de PVP por radiação ionizante. O grande diferencial desta metodologia foi a rápida cinética de gelificação apresentada, creditanto um potencial de aplicação inédito. A partir de reticulações químicas mais brandas, foi estudada a produção de hidrogéis de copolímeros de N-vinil-2-pirrolidona e aldeídos com quitosana, e íons divalentes. Além de estudadas as propriedades relativas ao hidrogel tais como: conteúdo de gel, grau de intumescimento, cinética de reação, citotoxicidade, densidade de reticulação, massa molar média entre as ligações cruzadas e tamanho de poro. / Hydrogels are polymeric materials that have the ability to absorb water and biological fluids in their three-dimensional polymeric matrix without dissolution. Due to their interesting properties, such as softness and biocompatibility, there is a growing interest in their application in tissue engineering, cell encapsulation and drug delivery system. This work aims at the study of hydrogels from poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) and copolymers produced by chemical crosslinking methods. PVP crosslinking by Fenton reaction was studied as an alternative methodology to produce poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) hydrogels. The reagents concentrations were evaluated, in order to produce a hydrogel with the same properties of the hydrogels prepared by high energy radiation. The advantage of this methodology is its fast jellification kinetic, warranting new potential unprecedented applications. From mild chemical crosslinking methods, the production of hydrogels from copolymers of N-vinyl-2-pyrrolidone and aldehydes with chitosan, and divalent ions was studied. Hydrogels properties as: gel content, swelling ratio, reaction kinetics, cytotoxicity, crosslinking density, molecular weight and pore size were investigated.