Biosíntesis y soporte de nanopartículas metálicas catalíticas en una matriz PHB/celulosa microcristalina para la eliminación de colorantes industriales

Abstract

En este estudio, se utilizaron 7 diferentes levaduras para biosíntesis de nanopartículas de plata (AgNPs) donde se evaluó la importancia que tienen factores como la concentración de células de levadura, la concentración de la sal precursora (AgNO3), la temperatura y el pH en las propiedades de las AgNPs. Posteriormente las AgNPs se inmovilizaron en microesferas de PHB y celulosa microcristalina (Cmc) para evaluar su actividad catalítica en la degradación del compuesto 4-NP. Las mejores levaduras en la síntesis fueron las correspondientes a L2 y L6 con las que se obtuvieron AgNPs de tamaños de 49 a 134 nm. La mejor concentración celular para la producción de AgNPs fue obtenida a las 48 horas de crecimiento y posteriormente ajustada a una densidad óptica 1 (D.O 600nm =1). La síntesis fue monitoreada durante 72 horas mediante espectrofotometría UV-Vis a 420nm. Las concentraciones de AgNO3 que mostraron mejor resultado en la producción de AgNPs fueron a 3 mM para L2 y 2 mM para L6 obtenidas a las 72 horas para ambas cepas. Al evaluar la temperatura, se observó que en 40 y 50 °C se obtiene mayor cantidad de AgNPs; sin embargo, estas resultan de tamaños superiores a los 300 nm, por lo cual la temperatura óptima fue a 30 °C para ambas cepas logrando tamaños de 49 a 133 nm. En el caso del pH, el óptimo encontrado fue el pH 7 para L2 y pH 9 para la L6. Mediante una curva de calibración con nanopartículas comerciales, se estimó las cantidades de AgNPs sintetizadas alcanzando valores de 38 y 37 ppm para las cepas L2 y L6 respectivamente. El análisis por SEM mostró nanopartículas polidispersas de tamaños de 54 a 134 nm para L2 y de 49 a 133 nm para la L6 de formas esféricas para ambos casos. El análisis EDS confirmó la presencia de AgNPs en las microesferas equivalente al 0.1 % del peso total en ambas AgNPs inmovilizadas. Esto fue confirmado mediante microscopía de absorción atómica donde se encontró la presencia 0.21 mg Ag+/mg Microesferas y un valor para las AgNPs biosintetizadas libres de 0.71 mgAg+/mgAgNPs. Al verificar si los materiales de las microesferas (PHB y Cmc) presentaban adsorción sobre el 4-NP, el PHB presentó una adsorción de 13 ppm sobre dicho colorante siendo casi tres veces el obtenido con la celulosa microcristalina. Al evaluar su actividad catalítica, se observó que las AgNPs biosintetizadas libres presentan una degradación del 91.5 % el colorante 4-NP (1 mM) en presencia de NaBH4 a 100 mM en 25 min, mientras que ambos tipos de AgNPs inmovilizadas degradaron el colorante un 95.6 y 95.8 % para la L2 y L6 respectivamente a los 90 min de catálisis. Al ajustar los resultados experimentales al modelo Gompertz, las AgNPs biosintetizadas libres presentaron velocidades de degradación (k) y de velocidad máxima (Dmax) k = 0.3184 min-1 y 15.9 mg 4-NP/L*min, respectivamente en concentración 100 mM de NaBH4 siendo el doble de lo presentado a concentración 50 mM de NaBH4. Mientras que las AgNPs biosintetizadas e inmovilizadas mostraron una velocidad de degradación (k = 0.1375 min-1) y de degradación máxima (Dmax) (6.7 mg 4-NP/L*min) donde existe un leve incremento al aumentar la concentración de NaBH4 pero resulta ser 5 veces menor en ambas AgNPs inmovilizadas al compararse con las AgNPs libres. El uso de levaduras para la biosíntesis de AgNPs resulta una opción sustentable y de bajo costo el cual puede ser escalado para mayor producción y medioambientalmente más amigable que otros procesos. De igual forma, inmovilizar las AgNPs en diferentes soportes permite mantener sus propiedades catalíticas y recuperarlas de forma más sencilla en medios acuosos lo que permite reutilizarlas con mayor facilidad.