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Quim. Nova, Vol. 34, No. 10, 1729-1738, 2011
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*e-mail: andrepiranga@yahoo.com.br
MECANISMOS ENVOLVIDOS NA BIODEGRADAÇÃO DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS E APLICAÇÕES
TECNOLÓGICAS CORRELATAS
André Aguiar*
Universidade Federal de São João Del-Rei, Campus Alto Paraopeba, CP 131, 36420-000 Ouro Branco - MG, Brasil
André Ferraz
Departamento de Biotecnologia, Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, CP 116, 12602-810 Lorena - SP, Brasil
Recebido em 9/11/10; aceito em 21/6/11; publicado na web em 8/8/11
MECHANISMS INVOLVED IN THE BIODEGRADATION OF LIGNOCELLULOSIC MATERIALS AND RELATED
TECHNOLOGICAL APPLICATIONS. The biodegradation of lignocellulosic materials is an important natural process because
it is responsible for the carbon recycling. When induced under controlled conditions, this process can be used for technological
applications such as biopulping, biobleaching of cellulosic pulps, pre-treatment for subsequent saccharification and cellulosic-ethanol
production, and increase of the digestibility in agroindustrial residues used for animal feed. In the present work, the enzymatic and
non-enzymatic mechanisms involved in the biodegradation of lignocellulosic materials by fungi were reviewed. Furthermore, the
technological applications of these extracellular metabolites are presented and discussed.
Keywords: wood biodegradation; oxidative enzymes; Fenton reaction.
INTRODUÇÃO
A biodegradação dos materiais lignocelulósicos tem sido objeto
de muitos estudos, pois, além de corresponder a uma importante
etapa do ciclo do carbono na natureza, também pode ser aplicada
em processos tecnológicos. As aplicações em questão são variadas
e incluem desde a ação direta de fungos sobre a madeira, desenhada
como uma etapa de pré-tratamento aos processos de fabricação de
celulose e papel,1,2 até processos que usam os fungos decompositores
de materiais lignocelulósicos como agentes indutores da degradação
de compostos xenobióticos, quer em solos contaminados3 ou em
efluentes industriais.4 O pré-tratamento de materiais lignocelulósicos
com fungos também tem sido apontado como uma forma de facilitar
processos subsequentes de conversão da celulose em açúcares fer-
mentescíveis destinados à bioconversão em etanol e outros produtos
de interesse comercial.5,6 Também na área de nutrição animal, a
aplicação de fungos decompositores de materiais lignocelulósicos
tem sido descrita. Nesse caso, o pré-tratamento biológico é usado
para aumentar a digestibilidade de resíduos agroindustriais utilizados
na alimentação de ruminantes e não ruminantes. Os fungos, princi-
palmente os causadores de podridão branca seletivos na degradação
de lignina, desestruturam a parede celular vegetal, promovendo a
conversão dos polissacarídeos em açúcares de fácil assimilação. Além
disso, a biomassa fúngica que se desenvolve sobre o lignocelulósico
pode servir como fonte de proteína.7
A aplicação de enzimas produzidas pelos fungos decompositores
de materiais lignocelulósicos também tem ganhado muito interesse
na atualidade. O uso de xilanases8 e lacases9,10 em processos de
branqueamento de polpas celulósicas e a aplicação de celulases na
hidrólise enzimática de celulose nos processos de produção de etanol
de segunda geração,11 são exemplos de como o avanço no entendi-
mento da biodegradação dos lignocelulósicos tem permitido explorar
aplicações tecnológicas de grande relevância para o mundo moderno.
O desenvolvimento das aplicações mencionadas anteriormen-
te tem ocorrido de forma simultânea à geração de conhecimento
fundamentado no entendimento dos mecanismos biodegradativos
empregados pelos fungos sobre os materiais lignocelulósicos. O
tema em questão tem sido abordado em várias revisões.12-15 Por isso,
alguns dos tópicos aqui apresentados serão referenciados para maior
detalhamento em outros textos específicos já disponíveis na literatura.
A abordagem fundamental da presente revisão mostra e discute como
o entendimento dos mecanismos biodegradativos tem permitido
desenvolver tecnologias inspiradas na ação dos fungos, mas muitas
vezes simplificadas por meio de processos biomiméticos ou da ação
isolada de enzimas sobre os materiais lignificados.
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS MATERIAIS
LIGNOCELULÓSICOS E ENZIMAS ENVOLVIDAS NA
SUA DEGRADAÇÃO
A fim de manter uma abordagem completa e autossuportada,
revisamos brevemente os fundamentos relacionados à composição
química dos materiais lignocelulósicos, bem como os fundamentos
bioquímicos relacionados à sua biodegradação. Um maior detalha-
mento de cada tópico deve ser buscado pelo leitor nas referências
sugeridas em cada caso.
A celulose é o componente mais abundante nos materiais ligno-
celulósicos e corresponde cerca de 50% da massa seca total. Trata-
se de um polímero linear, possuindo porções amorfas e cristalinas,
formado exclusivamente por moléculas de anidro-glicose unidas por
ligações β-(1,4)-glicosídicas.11,16,17 As polioses ou hemiceluloses são
polissacarídeos ramificados e de menor massa molar que a celulose.
Estas são compostas por vários açúcares como a glicose, manose,
galactose e xilose, além de pequenas quantidades de arabinose, áci-
dos urônicos e grupos acetila. O teor de polioses em diferentes tipos
de materiais lignocelulósicos pode variar de 20 a 25%.8,16 A lignina
difere significativamente dos polissacarídeos, pois é, de fato, uma
macromolécula aromática formada a partir do acoplamento radicalar
Aguiar e Ferraz1730 Quim. Nova
de alcoóis hidroxi-cinamílicos. Em massa, esse componente repre-
senta cerca de 20 a 30% do lignocelulósico seco. Os diferentes tipos
de acoplamento entre os alcoóis hidroxi-cinamílicos dão origem a
vários tipos de ligações entre as unidades fenilpropano, sendo as mais
frequentes, éter β-O-4, éter diarila, bifenila, β-5/α-O-4 (fenil cuma-
rato) e β-β (pinorresinol).18 Dibenzodioxocinas, que são estruturas
envolvendo o acoplamento múltiplo entre 3 fragmentos fenilpropano
via ligações 5-5, β-O-4 e α-O-4, também têm sido descritas mais
recentemente como parte da estrutura desta macromolécula em
madeiras de coníferas.19
Os componentes citados anteriormente estão intimamente asso-
ciados e/ou ligados quimicamente, formando a parede celular dos
vegetais lenhosos. Entre as células existe ainda uma camada fina e
rica em lignina, denominada lamela média, que funciona como uma
cola, conferindo coesão à estrutura celular. A parede celular em
questão apresenta baixa porosidade, o que impede a infiltração de
moléculas de elevada massa molar como as proteínas.16,20 Justamente
a ultraestrutura coesa e a parede celular não porosa correspondem à
grande barreira ao processo biodegradativo. Dessa forma, o grupo de
organismos aptos a degradar os materiais lignocelulósicos é bastante
restrito. Esses organismos desenvolveram sistemas metabólicos com-
plexos que permitem desestruturar a parede celular e despolimerizar
os componentes mencionados anteriormente, gerando substâncias
susceptíveis ao metabolismo intracelular.
Entre os sistemas degradativos estão relativamente bem descritas
algumas enzimas que podem atuar sobre os componentes de forma
isolada. Entre elas, podem ser mencionadas as celulases, que são
divididas em endo-1,4-β-glicanases (hidrolisam ligações glicosídicas
ao acaso, gerando oligômeros) e celobio-hidrolases (hidrolisam os
oligômeros gerados pelas endo-1,4-β-glicanases, liberando moléculas
de celobiose). Um grupo finalizador da hidrólise é composto pelas
1,4-β-glicosidases que hidrolisam a celobiose a glicose.11,12,20 Ainda
dentro do complexo celulolítico há a celobiose-desidrogenase que
oxida vários açúcares como celobiose, lactose, oligômeros de glicose
e, inclusive, a celulose. Como aceptor de elétrons para fechar o seu
ciclo catalítico, essa enzima pode utilizar quinonas, citocromos,
radicais orgânicos, O2 molecular, íons Fe3+ e Cu2+. Ao reduzir Fe3+
a Fe2+, a celobiose-desidrogenase pode gerar radicais hidroxila via
reação de Fenton, os quais podem atuar na despolimerização dos
polissacarídeos e na modificação estrutural da lignina. O H2O2 envol-
vido na reação pode ser gerado por várias vias que incluem a redução
de O2 pela própria celobiose-desidrogenase ou por outras enzimas
oxidativas,12,13,21 que serão descritas mais à frente.
A biodegradação de polioses envolve a ação de enzimas fre-
quentemente classificadas de acordo com os distintos substratos. As
xilanases rompem ligações entre unidades monoméricas de xilose,
enquanto as mananases atuam sobre ligações entre moléculas de
manose, respectivamente. A β-xilosidase e a β-manosidase hidroli-
sam dímeros de xilose e manose, respectivamente. Outras enzimas
importantes são as α-glicuronidases e acetil-esterases, que atuam
sobre ligações de ácidos urônicos e grupos acetila com moléculas
de açúcares, respectivamente.8,12,20
Um vasto grupo de enzimas está relacionado à biodegradação da
lignina. No entanto, até os dias de hoje, existem inúmeras dúvidas
sobre a real participação de cada grupo e a função que cada um deles
exerce no processo global de oxidação que leva a lignina até dióxido
de carbono e água.22 Desde a descoberta das lignina-peroxidases (LiP)
em 1983,23 e posteriormente das Manganês-peroxidases (MnP),24 boa
parte do que foi estabelecido sobre a biodegradação da lignina provém
de experimentos realizados com o basidiomiceto Phanerochaete chry-
sosporium. Em menor extensão, outros estudos têm sido realizados
com outros basidiomicetos, como Trametes (ou Coriolus) versicolor,
Ceriporiopsis subvermispora, Phlebia radiata, Phlebia (ou Merulius)
tremellosus, Phlebia subserialis, Phanerochaete sordida, Pleurotus
ostreatus, Pleurotus eryngii e Bjerkandera adusta.12,22 A descrição do
genoma de P. chrysosporium, nos últimos anos,25,26 certamente abriu
uma nova janela para estudos sobre essas espécies, incluindo estudos
da proteômica extracelular.27,28
De forma geral, é possível classificar as enzimas envolvidas na
degradação de lignina em pelo menos duas classes distintas: fenolo-
xidases e, enzimas que produzem peróxido de hidrogênio.
As fenoloxidases compreendem um grupo característico de en-
zimas por pertencerem às metaloproteínas. Entre as fenoloxidases,
ainda se podem descrever dois subgrupos; um contém as enzimas
dependentes de peróxido: LiP e MnP e o outro subgrupo, as lacases,
que são cuproproteínas independentes de peróxido para atuarem.12,14,20
Em termos gerais, as enzimas do complexo ligninolítico podem
ser ordenadas segundo suas capacidades oxidativas: LiPs > MnPs >
Lacases.20,22 Estas enzimas são comumente produzidas por fungos
causadores de podridão branca; no entanto, existem algumas espécies
que são eficientes na degradação de lignina, mas que produzem so-
mente uma, duas ou as três enzimas simultaneamente.12,13 Já os fungos
causadores de podridão parda são conhecidos como não produtores
de fenoloxidases.29,30
As LiPs podem abstrair elétrons de estruturas aromáticas não
fenólicas, dando origem a radicais cátion. As MnPs são dependentes
de Mn2+ e são capazes de abstrair elétrons apenas de estruturas fe-
nólicas. A Figura 1 mostra os ciclos catalíticos simplificados dessas
duas enzimas. Nos dois casos, a enzima é ativada pela oxidação por
H2O2, levando à formação do composto I (CI) que é um oxocomplexo
deficiente em 2 elétrons. A redução do CI até a enzima nativa ocorre
por meio de duas etapas, com a abstração de 1 elétron de cada vez.
No caso das LiPs, a redução de CI a CII e também de CII a C0 pode
ocorrer por meio da oxidação de substratos fenólicos e não fenólicos
levando à formação de radicais cátion (Figura 1a). Nas LiPs há um
resíduo de triptofano na cadeia proteica (trp171) que ocorre invaria-
velmente em várias das isoenzimas conhecidas. Supõe-se que esse
triptofano atue como elo de transferência de elétrons com substratos
Figura 1. Ciclo catalítico simplificado da LiP (A) e MnP (B); S = substrato
aromático; FOH = substrato fenólico
Mecanismos envolvidos na biodegradação de materiais lignocelulósicos 1731
Vol. 34, No. 10
aromáticos que não podem ter um contato direto com o grupo heme
oxidado da enzima.22 Por outro lado, as MnPs dependem de Mn2+ para
a redução de CII a C0 (Figura 1b). O composto I pode ser reduzido ao
composto II à custa da oxidação direta de uma estrutura fenólica ou
de um átomo de Mn2+, mas o íon Mn2+ parece o elo preferencial de
transferência de elétrons, visto que as MnPs não possuem o resíduo
de triptofano comumente encontrado nas LiPs. De fato, nas MnPs há
um sítio de ligação de manganês e não o resíduo de triptofano, sendo
essa a principal diferença entre os dois grupos de enzimas.22 O Mn3+
formado é bastante reativo, podendo atuar como um mediador da MnP
e é normalmente estabilizado por quelantes produzidos pelo próprio
fungo, como o ácido oxálico. O complexo Mn3+-oxalato, por sua vez,
pode ser reduzido à custa da oxidação de outra estrutura fenólica.22
Estudos envolvendo a mutagênese dirigida permitiram a pre-
paração de LiP contendo um sítio de ligação de manganês e isso
conferiu atividade de MnP à LiP em questão.31 O inverso também
foi realizado, ou seja, a introdução de um resíduo de triptofano 171
numa MnP proporcionou a atividade de LiP na MnP transformada.32
Algumas enzimas com a dupla atividade também foram encontradas
em espécies fúngicas selvagens dos gêneros Pleurotus e Bjerkande-
ra,33 sendo denominadas de peroxidases versáteis (VP).
As lacases atuam pela abstração de 1 elétron de fenóis, em
função da redução de Cu2+ a Cu1+ que, por sua vez, reduz O2 a H2O,
permitindo que a enzima atue de forma cíclica (Figura 2). Entretanto,
essas enzimas também podem degradar estruturas aromáticas não
fenólicas por meio da oxidação de alguns mediadores sintéticos como
o hidroxibenzotriazol (HBT),34 ou mesmo naturais como derivados
do ácido benzoico e íons Mn2+.35
As enzimas que produzem peróxido são acessórias às peroxidases.
Essas enzimas geram peróxido de hidrogênio in situ e possibilitam
que as peroxidases atuem. As principais enzimas produtoras de pe-
róxido envolvidas na biodegradação de lignina são glicose-oxidase
e metanol-oxidase (intracelulares) que utilizam glicose e metanol
como substratos, respectivamente.12,20 A glicose é originária da bio-
degradação da celulose e das polioses que contêm glicose. O metanol
é produzido durante a biodegradação da própria lignina por meio da
remoção de metoxilas ligadas aos anéis aromáticos. A produção de
H2O2 por enzimas extracelulares também tem sido descrita em alguns
fungos causadores de podridão branca. Entre elas constam a glioxal-
oxidase26,27,36 e a aril-álcool-oxidase.37 A oxalato-oxidase (intracelular)
pode gerar H2O2 a partir da oxidação de ácido oxálico.38 Também
MnP pode gerar H2O2 a partir da oxidação de ácidos orgânicos
como o glioxílico e o oxálico.39 Nesse caso, o ácido dicarboxílico se
decompõe dando origem a CO2 e radical formato que, ao reagir com
O2, gera superóxi-ânion que pode então gerar H2O2.
DESESTRUTURAÇÃO DA PAREDE CELULAR
LIGNIFICADA E A BIODEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
LIGNOCELULÓSICOS
Os organismos que decompõem os materiais lignocelulósicos
podem ser classificados como fungos causadores de podridão branca,
que degradam todos os componentes dos lignocelulósicos, e fungos
causadores de podridão parda, que degradam principalmente os polis-
sacarídeos. Os fungos causadores de podridão branca apresentam dois
comportamentos distintos: alguns degradam todos os componentes
da parede celular vegetal simultaneamente, enquanto outros atacam
preferencialmente a lignina nos estágios iniciais de colonização.
Fungos causadores de podridão branca e parda pertencem à classe
dos basidiomicetos, sendo que os ascomicetos e os deuteromicetos
são classificados como fungos causadores de podridão branda, que
também são capazes de degradar lignina e polissacarídeos, porém
em velocidades muito inferiores aos basidiomicetos.16,40 Todavia,
ascomicetos dos gêneros Xylaria, Daldinia e Hypoxylon são conside-
rados fungos causadores de podridão branca.40 A ocorrência de várias
comunidades de micro-organismos agindo durante a decomposição
natural de um lignocelulósico e a classificação desses organismos
tem sido o foco de várias revisões disponíveis na literatura, inclusive
em língua portuguesa.14
Uma das chaves para o entendimento da biodegradação dos
lignocelulósicos tem sido a observação microscópica do processo
(Figura 3). Com base nesses estudos, está claro que as hifas fúngi-
cas invadem o lúmem das células dos materiais lignocelulósicos e
produzem diversos metabólitos extracelulares que então agem na
degradação da parede celular vegetal. Os componentes da parede
celular vegetal são obrigatoriamente transformados em moléculas
menores e solúveis, pois só assim podem se tornar susceptíveis ao
metabolismo intracelular responsável pela obtenção de energia.20
Os mecanismos que explicariam a biodegradação dos componen-
tes de materiais lignocelulósicos têm sido objeto de muitos estudos.
Um aspecto relevante dentro desse tema envolve o modo de ação
das enzimas e de compostos de baixa massa molar produzidos pelos
fungos, pois a degradação da parede celular lignificada depende da
ação de uma série de metabólitos que somente são eficientes quan-
do produzidos simultaneamente pela hifa. O entendimento desses
mecanismos permite avaliar a complexidade do sistema biológico
usado na degradação dos lignocelulósicos e, a partir daí, a eventual
proposição de sistemas biomiméticos destinados à desconstrução da
parede celular lignificada.
Vários estudos mostram que as enzimas são demasiadamente
grandes para penetrar a parede celular lignificada. Srebotnik e colabo-
radores41 e Flounoy e colaboradores42 demonstraram que as proteínas
não infiltram a parede celular lignificada. Mesmo paredes celulares
vegetais não lignificadas apresentam baixa porosidade e com isso
Figura 2. Ciclo catalítico das lacases; FOH = substrato fenólico. A estequio-
metria do ciclo envolve 4 Cu2+ (normalmente ligados a uma única proteína
ou a 2 cadeias proteicas acopladas), 4 substratos fenólicos, 4 prótons e 1
molécula de O2
Figura 3. Microscopia eletrônica de varredura mostrando hifas de Ganoderma
australe (indicadas por setas) no interior do lúmem de células de Nothofagus
dombeyi. Magnificação de 800 vezes. Adaptada da ref. 14
Aguiar e Ferraz1732 Quim. Nova
impedem a infiltração de proteínas.43 Embora estudos anteriores já
indicassem a dificuldade de infiltração de enzimas na parede celular
vegetal, um trabalho chave, desenvolvido por Blanchette e colabo-
radores,44 foi muito relevante por associar o avanço do processo de
biodegradação da madeira com a infiltrabilidade de proteínas na
parede celular. Os autores mostraram, de forma inequívoca, que a
lignina contida na parede celular sofria alterações estruturais im-
portantes mesmo antes da parede celular ser permeável às enzimas.
Com base nessas observações microscópicas, surgiram teorias que
associam o processo biodegradativo a uma etapa inicial de desestrutu-
ração da parede celular lignificada induzida pela ação de compostos
de baixa massa molar, que podem infiltrar a parede celular e atuar
diretamente sobre os componentes macromoleculares. Após essa
etapa inicial de desestruturação, haveria um aumento de porosidade
da parede celular e a consequente abertura de vias de penetração das
enzimas oxidativas e hidrolíticas.29
Muitos compostos de baixa massa molar foram identificados
nos cultivos de fungos decompositores de madeira. O modo de ação
desses compostos consiste em atuar diretamente sobre a parede celular
vegetal ou agir como mediadores das enzimas oxidativas. Alguns
desses compostos e suas vias de atuação estão descritos a seguir.
Álcool veratrílico e LiP
Um dos primeiros mediadores descritos foi o álcool veratrílico
(álcool 3,4-dimetoxi-benzílico).45 Trata-se de um metabólito pro-
duzido pelo fungo causador de podridão branca P. chrysosporium
que, ao ser oxidado por LiP, gera um radical cátion extremamente
instável que pode oxidar a lignina.13 Embora o sistema LiP/álcool
veratrílico tenha sido bem caracterizado do ponto de vista de ação
in vitro, o curto tempo de vida do radical cátion do álcool veratrílico
limita a possibilidade de ser esse o principal sistema mediador capaz
de infiltrar a parede celular vegetal e causar a degradação inicial da
lignina.22 Além de produzir LiP, o fungo T. versicolor sintetiza o
composto organoclorado 2-cloro-1,4-dimetoxibenzeno, que também
atua como substrato mediador dessa enzima.46
Ácido oxálico, MnP e as reações de peroxidação de ácidos
graxos insaturados
O ácido oxálico é produzido por vários fungos causadores de
podridão branca e parda e serve como um acidificante do meio em
que o fungo está buscando sobreviver.38 Essa acidificação do meio
tem se mostrado algo fundamental para o metabolismo desses fun-
gos, visto que a maioria das enzimas extracelulares, envolvidas no
processo biodegradativo dos lignocelulósicos, atua em pH ideal da
ordem de 3 a 5,5.
O oxalato pode atuar diretamente na parede celular vegetal
sequestrando cálcio, o que poderia provocar desestruturação entre
as microfibrilas e um eventual aumento de porosidade.47 A presença
de cristais de oxalato de cálcio em madeiras biodegradadas tem sido
amplamente descrita e confirma que parte expressiva do ácido oxálico
secretado pelo fungo acaba formando cristais insolúveis com o cálcio
disponível.1,48,49 Por outro lado, a formação do oxalato de cálcio in-
disponibiliza parte do ácido oxálico secretado pelo fungo para atuar
como quelante de outros íons metálicos como os de manganês, como
será descrito mais à frente. De fato, há trabalhos que mostram clara-
mente que os fungos decompositores de materiais lignocelulósicos
podem ajustar a concentração de oxalato disponível no meio em que
estão agindo, a partir da sua biossíntese, insolubilização por cálcio
ou, também, pela sua degradação por vias metabólicas ainda não
perfeitamente descritas, que podem incluir a ação da enzima oxalato-
descarboxilase, oxalato-oxidase ou mesmo a MnP.38,39,48
Um papel alternativo para a ação do ácido oxálico secretado
pelos fungos causadores de podridão branca foi proposto por Hunt e
colaboradores.50 Os autores postularam que esse ácido pode formar
ésteres com os polissacarídeos durante o processo de biodegradação.
O éster seria formado por meio de uma das carboxilas, mantendo a
outra livre e gerando pontos de carga na superfície do polissacarídeo,
que seriam os responsáveis pelo aumento da capacidade das fibras
em absorver água, ocasionando um maior inchamento das mesmas
e um eventual aumento de porosidade.
O oxalato proveniente da ionização do ácido oxálico secretado
pelo fungo (pKa1 = 1,25; pKa2 = 4,28) também pode atuar como que-
lante de íons manganês, indispensáveis para a atuação da MnP. Nos
sistemas in vivo, a MnP depende de oxalato para transportar o íon
Mn3+ para fora do canal de manganês e, com isso, liberar novo ponto
para a entrada de Mn2+. Outros ácidos orgânicos (málico, malônico,
fumárico, succínico) também têm sido encontrados em culturas de
fungos de podridão branca, mas apenas o ácido oxálico é produzido
em concentrações fisiológicas suficientes para quelar e estabilizar o
Mn3+.39,48,49,51,52 O oxalato de Mn3+ apresenta estabilidade suficiente
para difundir longe da enzima e infiltrar a parede celular vegetal.
Quando em contato com alguma subestrutura da lignina susceptível à
oxidação, o Mn3+ é reduzido a Mn2+, dando origem a uma subestrutura
de lignina oxidada. A limitação desse mecanismo degradativo é a
baixa capacidade oxidativa do oxalato de Mn3+. De fato, o oxalato de
Mn3+ pode oxidar subestruturas fenólicas da lignina, mas não abstrair
elétrons diretamente de estruturas aromáticas não fenólicas,52 como
é o caso da ação do sistema LiP/álcool veratrílico.
Estudos bastante esclarecedores sobre a ação mediada da enzima
MnP foram conduzidos no início da década de 90. O grupo de pes-
quisas coordenado por K. E. Hammel do Forest Products Laboratory,
em Madison (Wisconsin), demonstrou que vários compostos recalci-
trantes podiam ser decompostos em um meio reacional que continha
a MnP além de Mn2+/ácido dicarboxílico/H2O2 e ácido linoleico (um
ácido graxo poli-insaturado) emulsionado em algum surfactante.53 Os
autores obtiveram várias evidências experimentais que demonstravam
a ação de radicais peroxila sobre os compostos xenobióticos. Os
radicais peroxila seriam formados a partir da peroxidação do ácido
linoleico iniciada pela oxidação por Mn3+, gerado no ciclo catalítico
da MnP. O processo seria similar ao já amplamente demonstrado
para as reações de peroxidação de lipídeos iniciadas por radicais
derivados do oxigênio.54 A ação dos íons Mn3+ sobre o ácido graxo
geraria uma espécie ativa com maior capacidade oxidativa do que o
próprio Mn3+. Nesse possível radical de carbono gerado, ocorreria
a adição de O2 molecular produzindo, assim, os radicais peroxila,
como ilustra a Figura 4.
Esse grupo inicial de trabalhos abriu uma janela para explicar
as reações de degradação de lignina por um sistema mediado pela
ação de MnP sobre ácidos graxos insaturados. O próprio grupo co-
Figura 4. Peroxidação de um ácido graxo di-insaturado iniciada por Mn3+
ou radical hidroxila. Adaptada da ref. 54
Mecanismos envolvidos na biodegradação de materiais lignocelulósicos 1733
Vol. 34, No. 10
ordenado por Hammel mostrou que os radicais peroxila oriundos da
peroxidação de ácido linoleico por MnP podem atuar em modelos
de lignina não fenólicos, abstraindo um elétron (e um próton) do
carbono alfa, levando à posterior degradação do composto modelo,55
conforme a Figura 5.
Corroborando a teoria da degradação de lignina mediada por
ácidos graxos insaturados que sofrem peroxidação iniciada por
MnP, Enoki e colaboradores56 demonstraram que um dos fungos
mais eficientes em degradar lignina, C. subvermispora, produz
vários ácidos graxos (ácidos linoleico, oleico, valérico, palmítico
e esteárico) quando cultivado em meio sólido contendo madeira
moída pré-extraída para a remoção da fração lipídica. Esses ácidos
foram produzidos principalmente nos estágios iniciais da biode-
gradação, tendo suas concentrações diminuídas significativamente
após 2 semanas de cultivo, o que foi seguido pelo aparecimento
de hidroperóxidos orgânicos. Esses dados levaram os autores a
relacionar a formação dos hidroperóxidos orgânicos com a ação
de Mn3+ (oriundo da oxidação de Mn2+ por MnP) sobre os ácidos
graxos, seguido da adição de oxigênio aos radicais alila inicialmente
formados, exatamente como já bastante estudado para a peroxidação
de lipídeos. O mesmo grupo57 demonstrou posteriormente que há
a formação de diversos radicais, incluindo o radical acila por ação
de MnP sobre ácido linoleico. A formação desses radicais poderia
ocorrer pela decomposição dos hidroperóxidos gerados, longe do
ponto onde a enzima é produzida. O grupo de Watanabe estudou
ainda em detalhes a peroxidação de ácido linoleico por MnP puri-
ficada a partir de cultivos de C. subvermispora.58 Nesse estudo foi
determinado que a peroxidação de ácido linoleico pelo sistema MnP/
Mn2+/H2O2 gerou n-pentanal, n-hexanal e glioxal como principais
produtos de reação. O glioxal formado continua a sofrer reações
de oxidação, levando à formação inicial de um radical acila por
abstração de hidrogênio do carbono aldeídico. Essa reação produz
quimioluminescência com um espectro com l máximo entre 700
e 710 nm, sem nenhum ombro na região de 630 nm. Esse espectro
de emissão não corresponde a espécies excitadas bem documentas
como carbonila triplete (lmáx 400-500 nm), bi-acila triplete (aco-
plamento de dois radicais acila - lmáx 500-600 nm) e oxigênio
singlete (lmáx 634 e 703 nm). Os autores concluíram que a emissão
de luz na reação de glioxal com MnP é um evento químico novo e
de difícil explicação, baseada na ocorrência de espécies excitadas
oriundas de radicais acila anteriormente descritas.58
Um trabalho recentemente realizado por nosso grupo de pesqui-
sas mostrou que a adição de uma fonte extra de triglicerídeos (óleo
de soja) a um cultivo de C. subvermispora sobre madeira de Pinus
taeda resultou num maior acúmulo de substâncias reativas com ácido
tiobarbitúrico (ensaio indicativo de peroxidação de lipídeos), corro-
borando que esse fungo promove peroxidação de lipídeos in vivo.59
Os sistemas baseados na ação de MnP sobre ácido linoleico têm
sido a base atual das aplicações de MnP nos processos de branquea-
mento de polpas Kraft, que serão discutidos mais adiante.
Ainda com relação à peroxidação de ácidos graxos insaturados
por enzimas envolvidas na degradação de lignina, alguns trabalhos
mostraram que as lacases podem atuar como se fossem MnP, desde
que um mediador fenólico esteja presente no meio reacional. Por
exemplo, Srebotnik e Boisson35 observaram que lacase pode degradar
ácido linoleico, desde que o ácido 4-hidroxi-benzoico esteja presente
no meio reacional. A explicação é que a enzima oxida o fenol a ra-
dical fenoxila, conforme amplamente descrito.20 O radical fenoxila
atuaria então como iniciador da peroxidação do lipídeo insaturado,
uma vez que este não se mostrou um substrato acessível à ação direta
da lacase. Cunha e colaboradores60 também demonstraram que o
ácido linoleico pode ser peroxidado por lacases na presença do ácido
4-hidroxi-benzoico. A reação de peroxidação é ainda mais intensa
quando conduzida na presença de íons Mn2+.35 Com base nesses
resultados,35,60 tem sido proposto que a lacase pode atuar como se
fosse uma MnP por meio de uma reação em cascata que envolveria
a oxidação inicial do ácido 4-hidroxi-benzoico a radical fenoxila;
oxidação de Mn2+ a Mn3+ por redução do radical fenoxila; oxidação
do ácido linoleico por Mn3+ e, peroxidação final do ácido linoleico.
Sistema lacase-mediador
Também tem sido demonstrado que as lacases podem degradar
estruturas aromáticas não fenólicas por meio de mediadores como
o ABTS (ácido 2,2’-azinobis-(3-etilbenzitiazolina-6)-sulfônico).
Nesse caso, o substrato inicial da enzima é o mediador de baixa
massa molar que, por sua vez, oxida a lignina por um mecanismo
ainda não claramente definido.9,10,61 Os experimentos precursores
foram realizados com o tratamento de uma suspensão de lignina com
lacases na presença do ABTS. Nessas condições, foi demonstrado
que a lignina sofria despolimerização significativa, enquanto que na
ausência do mediador ela repolimerizava (para revisão ver ref. 61).
Esse mediador inicialmente utilizado é um composto nitrogenado
frequentemente usado em ensaios de determinação da atividade de
lacase in vitro. No entanto, trata-se de um composto tóxico e de custo
incompatível com os processos tecnológicos de branqueamento de
celulose. A partir dos estudos iniciais houve uma busca intensa por
mediadores alternativos, que aliassem eficiência na degradação de
lignina e baixo custo, além de nível mínimo de toxicidade. Na busca
desses mediadores surgiu o HBT, que se mostrou bastante eficiente
para os processos de deslignificação, embora ainda apresentasse
custo elevado.9
O estudo do sistema lacase/mediador ganhou grande desenvolvi-
mento, visto que a enzima é secretada durante o metabolismo primário
de muitos fungos decompositores de materiais lignocelulósicos e pode
ser produzida em níveis significativamente mais elevados do que a
MnP e a LiP. Os mediadores amplamente estudados são moléculas
sintéticas que foram selecionadas com base em estudos empíricos.9
Por outro lado, Eggert e colaboradores62 demonstraram que o fungo
causador de podridão branca Pycnoporus cinnabarinus produz um
mediador natural, o ácido 3-hidroxi-antranílico. Ao ser oxidado pela
lacase, esse metabólito é convertido em um radical capaz de degradar
porções não fenólicas da lignina. No entanto, trabalhos subsequentes
desenvolvidos com essa espécie fúngica mostraram que mesmo na
Figura 5. Degradação de um composto modelo de lignina (não fenólico) pelo
sistema MnP, ácido linoleico e H2O2. O modelo proposto explicaria a via de
oxidação Cα (A) e a clivagem β-O-4 (B). Ambas as reações seriam iniciadas
pela abstração do um hidrogênio benzílico do composto modelo através da
ação de um radical peroxila gerado pelo sistema MnP/ácido linoleico/H2O2.
Adaptada da ref. 55
Aguiar e Ferraz1734 Quim. Nova
ausência desse mediador (culturas com inibidores da biossíntese ou
mutantes deficientes em sua produção) o fungo foi capaz de degra-
dar lignina,63 o que mantém em aberto a questão sobre a existência
e a eficiência do sistema lacase/mediador nos processos naturais de
biodegradação da lignina.
A maioria das lacases secretadas por fungos decompositores de
materiais lignocelulósicos apresenta baixa capacidade oxidativa e
corresponde ao grupo das lacases azuis, pois apresenta espectro de
absorção característico em torno de 600 nm. Todavia, alguns fungos
ligninolíticos secretam também algumas lacases denominadas amare-
las, que apresentam capacidade oxidativa para degradar diretamente
estruturas aromáticas não fenólicas. Estas enzimas são produzidas
somente a partir de substratos lignocelulósicos e acredita-se que pro-
dutos de degradação da lignina poderiam estar de certa forma ligados
a elas, alterando seus espectros de absorção (por isso denominadas
de lacases amarelas) e atuando como seus mediadores naturais.64
Sistema Fenton
O íon Fe3+ é essencial para os fungos causadores de podridão
branca, pois faz parte do sítio ativo das peroxidases.52,65 Além disso,
os íons ferro podem ser utilizados por fungos causadores de podridão
parda para gerar radicais hidroxila via reação de Fenton, visto que
H2O2 é produzido pela maioria deles.29,66,67
Fe2+ + H2O2 + H+ → Fe3+ + OH· + H2O (Reação de Fenton)
Os radicais hidroxila são fortes oxidantes que ocasionam a rápida
despolimerização dos polissacarídeos, além de poderem ocasionar
a inserção de novas hidroxilas nos anéis aromáticos da lignina (para
uma revisão ver ref. 67). A quantidade de ferro presente na maioria
dos materiais lignocelulósicos é suficiente para dar origem aos ra-
dicais OH, os quais são propostos como os principais oxidantes de
baixa massa molar que iniciam a degradação, principalmente dos
polissacarídeos na parede celular vegetal, por fungos causadores de
podridão parda.29,66 No entanto, o ferro presente nesses materiais é
encontrado predominantemente na forma oxidada e insolúvel (Fe3+), o
que gera a demanda por agentes quelantes para solubilizá-lo e reduzi-
lo. O ácido oxálico é um excelente quelante de Fe3+, mas necessita de
luz para reduzi-lo.29,38 Alguns fungos e também bactérias produzem
outros compostos de baixa massa molar quelantes de íons metálicos
denominados de sideróforos.68
Alguns trabalhos têm mostrado que fungos causadores de po-
dridão parda do gênero Gloeophyllum, principalmente a espécie
Gloeophyllum trabeum, produzem compostos do tipo catecol com
atividade redutora de Fe3+. Esses compostos exibem atividade pró-
oxidante (devido à maior formação de radicais OH entre o metal e
H2O2) por meio da redução de Fe3+ e permitem que o fungo disponha
de um sistema cíclico e extracelular de oxirredução de quinonas apto
a gerar os dois reagentes de Fenton. Isso foi demonstrado a partir da
identificação de 2,5-dimetoxi-hidroquinona e 4,5-dimetoxi-catecol,
ambos produzidos por G. trabeum em meio sintético, inicialmente
livre de quaisquer compostos fenólicos. As respectivas formas oxida-
das das hidroquinonas também foram detectadas nesses cultivos.66,69
Posteriormente, Jensen e colaboradores70 demonstraram que há uma
enzima presente no micélio desse fungo (quinona-redutase) que
pode catalisar a conversão de quinonas em suas respectivas formas
reduzidas, fechando o ciclo de oxirredução, conforme a Figura 6.
Ainda nesses estudos,66 foi observada a formação de H2O2 no próprio
ciclo de oxi-redução, quando um radical semiquinona formado pela
oxidação inicial da hidroquinona reage com O2 e não outro íon Fe3+.
Vários outros compostos com atividade redutora de íons Fe3+
podem ser encontrados naturalmente na madeira (fazendo parte da
fração de extrativos) ou ainda produzidos durante a biodegradação da
lignina. Esses compostos podem atuar de forma similar ao descrito
anteriormente para as hidroquinonas produzidas por G. trabeum e,
com isso, conferir atividade redutora de Fe3+ não somente em cultivos
de fungos causadores de podridão parda, mas também em cultivos
de fungos causadores de podridão branca.48,49,71
Alguns glicopeptídeos de baixa massa molar, produzidos por fun-
gos causadores de podridão branca, parda e branda, também podem
atuar como agentes redutores de Fe3+, conforme descrito por Enoki
e colaboradores.72 Estes autores mostraram que os glicopeptídeos
em questão promovem reações de oxi-redução entre O2 e um doador
de elétrons, como o NADH (nicotinamida-adenina-dinucleotídeo
reduzido), gerando radicais OH via reação de Fenton.
A reação de Fenton, além de gerar radicais OH aptos a despoli-
merizar os polissacarídeos, também pode funcionar como um pro-
cesso iniciador das reações de peroxidação de lipídeos já discutidas
no tópico sobre a ação de MnP. Dessa forma, além da atividade das
enzimas MnP e lacase nos cultivos de fungos decompositores de ma-
deira, também a atividade redutora de íons metálicos e, obviamente,
a atividade geradora de H2O2 são eventos críticos dentro do processo
de peroxidação de lipídeos.
Com base no exposto até o momento, é de se supor que a reação
de Fenton ocorra com frequência em cultivos de basidiomicetos so-
bre madeira. Recentemente, Gutiérrez e colaboradores73 analisaram
cultivos de quatro espécies de basidiomicetos na biodegradação de
eucalipto, incluindo P. radiata, Pleurotus pulmonarius, B. adusta e
C. subvermispora. Foi identificada uma nova classe de lipídeos dicar-
boxílicos de cadeia longa, sendo alguns deles insaturados, os quais
se acumularam principalmente nas culturas de C. subvermispora (24
mg/100 g de madeira). No decorrer dos períodos de biodegradação
estudados (1, 2, 4 e 7 semanas), os ésteres presentes originalmente
na madeira foram hidrolisados e, consequentemente, a concentração
de ácidos linoleico, palmítico, oleico e esteárico na forma livre foi
aumentada. Supõe-se que os fungos efetuaram reações de conden-
sação envolvendo estes ácidos graxos, sintetizando ácidos alquil-
itacônicos, principalmente os ácidos tetradecil, cis-7-hexadecenil- e
hexadecil-itacônico.
Além do ácido cis-7-hexadecenil-itacônico, os ácidos 1-hepta-
deceno-2,3-dicarboxílico e 1-nonadeceno-2,3-dicarboxílico também
foram identificados em cultivos de C. subvermispora por um grupo de
pesquisadores japoneses.74,75 Esse grupo propõe que os ácidos alquil-
itacônicos podem participar na supressão da reação de Fenton por
meio da interação e indisponibilização de íons ferro, além de evitar
também a repolimerização de fenóis derivados de lignina, oxidados
pela ação enzimática.74,76
Figura 6. Mecanismo proposto para redução extracelular de Fe3+ e O2 e
produção de H2O2 pelo fungo G. trabeum. Adaptada da ref. 66
Mecanismos envolvidos na biodegradação de materiais lignocelulósicos 1735
Vol. 34, No. 10
As hipóteses mencionadas anteriormente são corroboradas pela
grande seletividade de algumas espécies de fungos causadores de
podridão branca em degradar lignina, mantendo os polissacarídeos
de certa forma preservados.30,77,78 Isso tem sugerido que algumas
espécies apresentam algum sistema que pode inibir a geração de
radicais hidroxila. Por exemplo, durante a biodegradação de P. taeda
por C. subvermispora, somente uma pequena perda de glicana pôde
ser observada (2%), mesmo em estágios avançados de biodegradação
(90 dias).78 No entanto, parte da celulose residual foi despolimerizada
a partir de 30 dias de cultivo, indicando que ao menos algum nível
de degradação deve ocorrer.79 Essa despolimerização de celulose po-
deria ser induzida tanto por radicais hidroxila oriundos da reação de
Fenton como pela ação de endoglicanases, produzidas pelo fungo.49,80
A baixa capacidade degradativa da celulose poderia ser atribuída à
biossíntese dos ácidos alquil-itacônicos, como postulado pelo grupo
de Watanabe,76,81 ou ainda pela secreção de elevadas quantidades de
ácido oxálico no meio, que também pode quelar e indisponibilizar
Fe3+ para as reações de redução por derivados fenólicos e a posterior
reação de Fenton.49
A ocorrência de ácidos alquil-itacônicos no meio extracelular
dos cultivos de alguns fungos seletivos para degradar lignina certa-
mente previne a degradação de celulose.81 No entanto, do ponto de
vista evolutivo, o fungo não deve ter desenvolvido um sistema que o
limitasse na capacidade de metabolizar fontes de carbono energéticas
como a celulose. O mais provável é que os ácidos alquil-itacônicos
também sejam substratos para processos de peroxidação e consequen-
te geração de radicais peroxila, que teriam como função principal a
degradação de lignina. A elevada capacidade quelante desses ácidos
para íons ferro implicaria, portanto, somente em um efeito secundário
que culmina na supressão das reações de Fenton e a consequente
limitação da degradação de celulose.
DEGRADAÇÃO DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS
POR ENZIMAS, SISTEMAS BIOMIMÉTICOS E SUAS
APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS
A aplicação direta dos fungos decompositores de madeira em
processo biotecnológicos tem encontrado alguma restrição devido
à morosidade da ação biológica dentro de um contexto industrial de
elevada produtividade e turnos reacionais cada vez mais curtos e efi-
cientes. Mesmo assim, o processo de biopolpação, que se caracteriza
por um pré-tratamento de cavacos de madeira com fungos causadores
de podridão branca, já foi testado em escala industrial e demonstrou
resultados promissores quando combinado com os processos de
polpação mecânica. Nesse contexto, o pré-tratamento biológico de
cavacos de madeira permitiu a redução de até 40% no consumo de
energia nos processos de desfibramento e refino mecânico destinados
à produção de polpas celulósicas usadas na fabricação de cartões e
papéis absorventes (para uma revisão ver ref. 2). Os processos de
biorremediação de solos contaminados utilizando a inoculação direta
de fungos decompositores de materiais lignocelulósicos também têm
obtido sucesso, visto que o tempo prolongado de tratamento não
chega a ser um problema, pois nessa situação o objetivo exclusivo é
a remedição e recuperação dos solos em questão e não a preparação
de um produto de interesse comercial.3
Ao utilizar fungos ligninolíticos no pré-tratamento de materiais
lignocelulósicos, a recuperação de açúcares fermentescíveis para
produção de bioprodutos pode ser incrementada. De acordo com
Hatakka,82 35% de palha de trigo foi convertida em açúcares redutores
ao serem tratadas por P. ostreatus por 5 semanas. Taniguchi e cola-
boradores83 observaram rendimento similar em palha de arroz com
o mesmo fungo por 60 dias. Keller e colaboradores84 observaram um
acréscimo de 3 a 5 vezes na digestibilidade enzimática de celulose em
sabugo de milho biotratado pelo fungo Cyathus stercoreus por 29 dias,
enquanto Zhang e colaboradores85 mostraram que o biotratamento de
resíduos de bambu por C. versicolor também aumentou o rendimento
de açúcares redutores. O biotratamento emprega condições brandas
(temperatura ambiente, dependendo do micro-organismo), evita o
uso de reagentes químicos tóxicos e corrosivos, pode proporcionar
maior rendimento do produto, menor ocorrência de reações laterais,
menor demanda de energia e menores resistências do reator quanto
à pressão e à corrosão.86 Dessa forma, a deslignificação fúngica
aparenta ser uma tecnologia promissora para a produção de etanol e
outros bioprodutos. Alguns trabalhos na literatura já têm aplicado pré-
tratamento biológico para aumentar o rendimento de açúcares durante
a hidrólise de biomassa vegetal e a subsequente produção de etanol.5
Embora alguns processos que empregam os fungos diretamente
tenham avançado para aplicações industriais, a utilização de metabóli-
tos fúngicos extracelulares, principalmente as enzimas, tem permitido
avanços mais significativos dentro dos processos tecnológicos.87 A
indústria de celulose e papel tem se valido da aplicação de enzimas
hidrolíticas em seus processos. As xilanases, por exemplo, têm sido
aplicadas como agentes auxiliares aos processos de branqueamento
convencional de polpas celulósicas. Em geral, a aplicação da enzima
sobre as pastas celulósicas não branqueadas permite uma remoção
parcial das hemiceluloses redepositadas sobre as fibras, facilitando
a ação posterior de agentes de branqueamento tradicionais, como
dióxido de cloro. Essa aplicação não requer grandes modificações no
processo industrial, pois a enzima é adicionada nos próprios reatores
normalmente utilizados. Adicionalmente, a polpa branqueada obti-
da não apresenta diminuição significativa de resistência mecânica.
Uma dificuldade para a passagem da escala de laboratório para a
industrial foi a temperatura e o pH ideais de ação dessas enzimas. As
xilanases inicialmente comercializadas não atuavam em temperaturas
superiores a 55 oC e pH superior a 7, o que limitava sua aplicação.
Atualmente as empresas produtoras de enzimas já comercializam
produtos estáveis em elevados valores de pH e elevadas temperaturas,
tornando-as compatíveis com as condições de aplicação industrial.8
As celulases têm encontrado aplicação como auxiliares do proces-
so de refino da pasta celulósica permitindo a economia de energia no
processo ou, ainda, nos processos de reciclagem de papéis que contêm
pigmentos. Nesse caso, as enzimas atuam hidrolisando parcialmente
a celulose, diminuindo a interação dos pigmentos com a matriz ce-
lulósica, o que facilita consideravelmente a flotação dos pigmentos
na etapa de destintamento. Uma vantagem adicional da aplicação
de celulases e hemicelulases na reciclagem de papel é o aumento na
velocidade de drenagem da suspensão de polpa reciclada, permitindo
uma maior velocidade de operação da máquina formadora de folhas.88
Dentre as enzimas oxidativas, as lacases têm se aproximado
rapidamente da aplicação comercial nos processos de biobranque-
amento de pastas celulósicas, enquanto as MnPs ainda apresentam
restrições devido à limitada capacidade de se produzir a enzima em
escala comercial a preços baixos.9,89-91
O biobranqueamento com lacases está baseado na habilidade
dessa enzima em oxidar alguns mediadores que, por sua vez, atuam
como agentes oxidantes da lignina residual presente nas polpas
celulósicas. A lignina oxidada é então removida por um processo
de extração alcalina. Call e Mucke9 revisaram a vasta literatura
disponível até aquela data sobre o biobranqueamento com lacases
e mostraram uma série de resultados referentes à otimização do
processo, utilizando HBT como mediador da enzima. Em síntese,
pode-se verificar que o sistema lacase/HBT proporciona remoções
de até 57% da lignina inicialmente contida na polpa, dependendo das
condições operacionais e, principalmente, do tipo de polpa em estudo.
No entanto, esse mediador ainda é incompatível com os custos de
produção de polpas celulósicas e tem havido um empenho expressivo
Aguiar e Ferraz1736 Quim. Nova
de vários pesquisadores na busca por mediadores menos custosos.
Trabalhos mais recentes têm apontado que a aceto-siringona (metil,
3,5-dimetoxi-4-hidroxi-fenil-cetona) se apresenta como um mediador
de baixo custo, porém de menor eficiência que o HBT.89,92
O biobranqueamento com MnP tem sido menos explorado até o
momento, principalmente devido à maior dificuldade de produção
dessa enzima, que é secretada durante o metabolismo secundário dos
fungos cultivados em meio líquido. Por outro lado, lacases podem
ser secretadas durante o crescimento microbiano. Isso implica em
grandes diferenças de produtividade da enzima, que pode ser até
1000 vezes maior para as lacases.20 No entanto, o sequenciamento
recente do genoma de P. chrysosporium65 e os estudos de clonagem
dos genes responsáveis pela produção de MnP em outros organismos
têm alterado rapidamente esse cenário.91,93,94 Em condições otimizadas
de reação, a ação de MnP sobre uma polpa celulósica não branqueada
proporcionou 35% de remoção da lignina inicialmente contida no
material.95 O sistema reacional envolvido é do tipo multicomponente
onde, além da enzima, é demandada a presença de íons Mn2+, um
ácido dicarboxílico, H2O2 em pequenas quantidades e uma fonte de
um ácido graxo insaturado como o surfactante Tween 80, a fim de
permitir a ocorrência de reações de peroxidação, conforme já dis-
cutido. Quando o Tween 80 foi substituído por ácidos graxos puros
com 1, 2 ou 3 insaturações (ácidos oleico, linoleico e linolênico,
respectivamente) a deslignificação foi ainda mais efetiva.96 Trabalhos
recentes têm buscado a otimização das condições de reação, além da
procura por variáveis do processo industrial que poderiam afetar a
eficiência do sistema enzimático baseado na MnP.97
Dois trabalhos recentes exploraram, pela primeira vez, o uso de
MnP recombinante no branqueamento de pastas celulósicas.91,93 Os
tratamentos foram conduzidos com 30 UI (Unidades Internacionais)
de MnP/g de polpa e a adição de H2O2 foi feita de forma pulsada por
30 s a cada 10 min de reação, durante as 24 h totais de tratamento
conduzido à temperatura ambiente. Os dados obtidos mostraram
grande capacidade deslignificante do sistema MnP/extração alcalina.
Como exemplo, um tratamento sequencial em 3 etapas empregando
o sistema MnP intercalado com extrações alcalinas proporcionou
a remoção de 61% da lignina inicialmente contida na polpa não
branqueada.91
Vários estudos têm explorado o uso de sistemas biomiméticos
relacionados à reação de Fenton para a degradação de compostos xe-
nobióticos.98-101 Recentemente, foi publicada uma revisão abordando
as aplicações do sistema Fenton mediado por compostos fenólicos.102
Na maioria dos casos, esses trabalhos têm avaliado o uso de Fe3+
(ou Fe2+) e H2O2 na presença de catecol e/ou seus derivados como
reagentes que permitem gerar radicais hidroxila via reação de Fenton
de forma contínua e mais intensa, maximizando assim a eficiência
do sistema degradativo.98,103 Um exemplo de sucesso dessa aborda-
gem foi o uso do sistema ácido 3-hidroxi-antranílico/Fe3+/H2O2, que
proporcionou 80% de degradação do corante Azure B após 10 min
de reação à temperatura ambiente.101
Além de explorar sistemas biomiméticos, algumas abordagens
experimentais têm demonstrado que compostos xenobióticos podem
ser degradados por filtrados de culturas ou mesmo durante cultivos
de fungos causadores de podridão parda por reação de Fenton.
Como exemplo, a degradação de pentacloro-fenol por íons ferro
(Fe2+ ou Fe3+) e H2O2 aumentou em 30% na presença de metabólitos
extracelulares do fungo G. trabeum.29 Kramer e colaboradores104
estudaram a degradação de 2-flúor-fenol dependente de Fe2+ ou Fe3+
em culturas líquidas do fungo Gloeophyllum striatum e observaram
a degradação completa do organo-fluorado após 5 dias de cultivo.
Em culturas líquidas de G. trabeum e Laetiporus sulphureus, mais
de 70% de tribromofenol adicionado inicialmente nos cultivos foram
degradados após 15 dias de tratamento.100
Além da vasta literatura demonstrando a aplicabilidade dos siste-
mas baseados na reação de Fenton para a degradação de compostos
xenobióticos, a capacidade de metabótitos produzidos por fungos
decompositores de madeira para reduzir Fe3+ também tem sido ex-
plorada para viabilizar a degradação de lignina via peroxidação de
lipídeos. Recentemente foi demonstrado que a simples redução de Fe3+
a Fe2+ induzida por metabólitos recuperados durante a biodegradação
de madeira por C. subvermispora foi capaz de iniciar as reações de
peroxidação de ácido linoleico.105 A reação se deve essencialmente à
formação de radicais hidroperoxila durante a reoxidação do Fe2+ gerado
no sistema reacional. Esses radicais atuam como iniciadores da pero-
xidação de ácido linoleico, da mesma forma descrita para as reações
iniciadas por MnP. Quando essa reação foi realizada na presença de um
substrato lignocelulósico (madeira moída), parte da lignina contida no
material inicial foi solubilizada. Essa fração solubilizada correspondeu
a fragmentos de lignina de massa molar da ordem de 200 g/mol.105 Por
outro lado, reações similares iniciadas por MnP também solubilizaram
quantidades expressivas de lignina.60 A comparação dos sistemas en-
zimático (baseado na MnP) e biomiméticos (baseados na redução de
Fe3+) mostrou que as enzimas foram cerca de 10 vezes mais eficientes
para degradar lignina, sugerindo que os sistemas biomiméticos desti-
nados à degradação de lignina ainda demandam aprimoramentos para
atingir eficiência compatível com a aplicação industrial, por exemplo,
no branqueamento de polpas celulósicas.
CONCLUSÕES
O estudo da biodegradação de materiais lignocelulósicos é re-
levante por permitir entender o processo de podridão que ocorre na
natureza, que é responsável por parte importante do reciclo de carbo-
no. Além disso, o processo, quando conduzido de forma induzida e
controlada, pode ser usado como pré-tratamento para desestruturação
da parede celular vegetal e como auxiliar nos processos de polpação
e branqueamento de pastas celulósicas. O entendimento dos mecanis-
mos envolvidos no processo de biodegradação dos lignocelulósicos
tem permitido ainda propor sistemas baseados na ação das enzimas
isoladas ou em sistemas biomiméticos que já encontram aplicação
industrial, como é o caso do uso de xilanases, no branqueamento de
polpas e de celulases na conversão enzimática de celulose, quer para
processos de reciclagem de papel, quer para a hidrólise total visando
produzir açúcares fermentescíveis. É importante enfatizar que os
mecanismos apresentados e discutidos se referem aos fungos até
agora identificados (cultiváveis em laboratório). Todavia, muito ainda
resta por ser avaliado, visto que da diversidade total de organismos
decompositores de materiais lignocelulósicos, somente uma pequena
parte tem sido descrita e caracterizada.
AGRADECIMENTOS
Aos auxílios financeiros recebidos da FAPESP, CAPES e do
CNPq.
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