INTERAÇÃO DA BLENDA DE PCL/PHB COM UV E MICRORGANISMOS

Guilherme D. Avansi1, Sandra M. Martins-Franchetti2*, José A. M. Agnelli3, Adriana de Campos2 1Depto de Física do IGCE da Unesp de Rio Claro – guiavansi@yahoo.com.br; 2*Depto de Bioquímica e Microbiologia da UNESP de Rio Claro –AV.24 A 1515, Bela Vista,13506-900, Rio Claro/SP -

samaramf@rc.unesp.br; acampos@rc.unesp.br; 3Depto de Engenharia de Materiais da UFSCar, Caixa Postal 676, 13560-905, São Carlos/SP

agnelli@power.ufscar.br

Interaction of the blend PCL/PHB with UV and microorganisms

The biodegradable polymers films of poly(caprolactone) (PCL) , poly(hydroxibutyrate) (PHB) and blends have been recognized its importance in recent years because their wide applications in environmental and clinical medicine.

The purpose of this study is to verify the UV and microorganisms action on these polymers and its blend. These films prepared from chlorobenzene casting, were photoirradiated with UV lamp (400 W) during 20 h and afterwards biotreated with a suspension of Phanerochaete chrysosporium in Sabouraud-Malt liquid medium at 28 0C during two months to verify the action of the light and microorganisms on these polymers.

UV-Vis, FTIR and MEV measurements show us that PCL is more susceptible to the microbial action and PHB to the UV irradiation. PHB/PCL is less sensitive to the UV irradiation and UV/microbial treatments than PCL. It seems that the two polymers have intermolecular interactions in the blend avoiding the photo and biodegradation in both polymers. Introdução

O consumo de plásticos é muito grande no mundo todo e isto gera um volume significativo

de resíduos descartados no meio ambiente. O lixo plástico constitui cerca de 5-8 %, em massa, do

lixo sólido municipal e cerca de 20-30 % em volume [1,2]. Tem sido de relevante importância o

emprego de polímeros biodegradáveis, para minimizar o dano causado pelo acúmulo de resíduo

plástico no meio [3, 4]. Sendo assim estes se tornam uma solução parcial, em potencial, para esses

problemas, reduzindo a percentagem de plásticos não renováveis, que estão sendo desenvolvidos

durante a última década [5]. Dentre estes dois poliésteres alifáticos têm se destacado: a

poli(caprolactona) (PCL) e o poli(hidroxibutirato) (PHB). O PCL é um polímero sintético,

semicristalino, muito empregado na área biomédica e de embalagens, apesar de seu alto custo [6].

Blendas de polímeros biodegradáveis são importantes para a produção de materiais com

propriedades mecânicas modificadas e com custo mais baixo [7]. O PHB é um polímero bacteriano,

semicristalino, produzido por certas bactérias em meio de açúcares e é semelhante ao polipropileno

em propriedades físicas e mecânicas, empregado como biomaterial e embalagens [8]. A

biodegradação destes polímeros é útil para o setor de embalagens, visando a redução do tempo útil

destas no solo [9]. O comportamento destes polímeros sob a ação de luz e microrganismos, visando

sua degradação, é ainda um campo vasto em possibilidades. Neste sentido, tem-se empregado o

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

fungo Phanerochaete chrysosporium, denominado de fungo da podridão branca, que apresenta

grande habilidade de degradar uma variedade de poluentes persistentes no meio ambiente [10; 11].

PCL e PHB foram investigados, na forma de pó e pellets moído, respectivamente, quanto à

biodegradação aeróbia (método de Sturm), em solo compostado, por 27 a 40 dias, sendo que o PHB

apresentou uma maior velocidade de degradação que o PCL [12].

Este trabalho visa investigar os filmes de blendas de PCL/PHB 2:1, polímeros

biodegradáveis, quanto a sua fotodegradação por UV de alta potência e biodegradação subseqüente,

com um tipo específico de fungo, através de espectroscopia de absorção no UV-Visível (UV-Vis),

no Infravermelho (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Experimental

Material

Polímeros:

PCL - Poli(caprolactona) – (da Solvay – CAPA- 6800) - Mw: 85.000 g/mol, Tg: -710C, Tm:

600C (pó branco, doado pelo Prof. Dr. J. Agnelli, DEMA – UFSCar – S. Carlos).

PHB - Poli(hidroxibutirato) – (da PHB do Brasil) – grânulos brancos, doados pelo Prof. Dr. J.

Agnelli, DEMA – UFSCar – S. Carlos, sem especificações.

PCL/PHB -1:1 – na forma de pellets amarelos, obtidos por fusão, de mesma procedência, sem

especificações.

Solvente: clorobenzeno, PA, da ERBA.

Microrganismo: CCB478 – Phanerochaete chrysosporium Burds, da seção de Micologia e

Liquenologia do Instituto de Botânica – SP.

Meio de cultura: Sabouraud (SD) e Malte – líquido: 10 g/L peptona (Difco), 40 g/L glicose e

0 g/L malte.

Estufa B.O.D.: com temperatura controlada.

Fonte UV: lâmpada de mercúrio comum, 400 W, sem a ampola de vidro.

Métodos

Preparo dos filmes

Os filmes poliméricos de PCL, PHB e blenda PCL/PHB 2:1 foram obtidos pela dissolução

dos polímeros em clorobenzeno, à temperatura de 60 ºC com agitação manual. Depois, foram

colocadas em placas Petri de vidro planas, à temperatura ambiente (aproximadamente 25 ºC) e

deixadas durante 2 dias, para a total evaporação do solvente e secagem do filme. Logo após esse

procedimento, as amostras foram deixadas no dessecador a vácuo por mais 48 horas. Os pellets da

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

blenda 1:1 foram dissolvidos em clorobenzeno e nesta solução adicionou-se PCL dissolvido,

obtendo um filme da blenda PCL/PHB 2:1.

Fototratamento

Os filmes de PCL, PHB e PCL/PHB foram fototratados por irradiação de UV com lâmpada

de mercúrio de 400 W por um período de 20 horas. Os filmes foram encaixados em aros de PVC e

colocados a 30 cm da fonte, localizada numa caixa de madeira fechada, com sistema de ventilação e

exaustão ligado durante a exposição.

Preparo da Suspensão dos Fungos

O fungo Phanerochaete chrysosporium foi repicado e semeado em tubos de ensaio

inclinados, a temperatura ambiente, para crescimento. Uma suspensão de fungos foi obtida

adicionando-se 9,0 mL da solução salina 0,85% (m/v) nos tubos contendo o fungo e em seguida a

solução foi filtrada com auxílio de um funil com lã de vidro. O filtrado obtido, contendo esporos do

fungo, foi utilizado como inoculo.

Tratamento Microbiano em Meio Líquido

O meio de cultura com Sabouraud e Malte líquido foi colocado em erlenmeyers de 50 mL,

que foram esterilizados. Em seguida, foi adicionado o inoculo do fungo em suspensão, que cresceu

durante 7 dias, em uma estufa a 28 ºC. Depois, as amostras em duplicatas dos polímeros descritos,

foram adicionadas neste meio de cultura, contendo suspensão do fungo previamente crescido,

formando um biofilme microbiano. Manteve-se um filme em meio líquido sem fungo, como

controle e um erlenmeyer com suspensão do fungo sem o filme, também como controle.

As amostras foram mantidas a 28 ºC, durante 2 meses. Após esse tratamento, os filmes foram

retirados, lavados rigorosamente com água destilada, secos em papel de filtro e em seguida

colocados em dessecador a vácuo por 24 horas.

Espectroscopia de Absorção no Ultravioleta-Visível – UV-Vis

Os filmes obtidos foram medidos por absorção em espectrofotômetro UV-Visível, antes e

depois do tratamento, da marca Shimadzu,, modelo UV-3401PC, na faixa de 200-800 nm.

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

Espectroscopia de Absorção no infravermelho (FTIR)

Os filmes originais, fototratados, biotratados e foto/biotratados foram medidos por FTIR, em

espectrofotômetro IR com Transformada de Fourier, marca Shimadzu, modelo FTIR – 830, com

resolução 4 cm-1.

Foram traçados espectros dos filmes sobrepostos para melhor visualização das diferenças

qualitativas entres os filmes originais e tratados.

Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

Para análise por MEV, os filmes foram recortados pequenos pedaços e acoplados sobre

suportes de alumínio e recobertos com ouro, em câmara de vácuo, utilizando o metalizador MED

010, Marca Balzers, com “sputtering”. Foram medidos num microscópio eletrônico de varredura

(MEV) Zeiss DSM 940-A, à 5KV (Esalq-USP-Piracicaba, SP).

Resultados e Discussão Os filmes de PCL obtidos por casting de clorobenzeno apresentaram-se opacos e flexíveis.

Os de PHB, opacos e quebradiços. Ambos com espessura de 80 �m. A blenda apresentou-se opaca

e flexível, mas com espessura de 40 �m.

Fototratamento

Os filmes não mudaram de aspecto aparente sob a fotoirradiação de 20 h.

Biotratamento

O PHB apresentou-se mais opaco, escuro e menos espesso que o original, após o

biotratamento. Após o foto/biotratamento ficou mais opaco, com pouca mudança na espessura. O

PCL após o biotratamento ficou mais amarelado e menos espesso. Após o foto/biotratamento, ficou

mais opaco e menos espesso. A blenda de PCL/PHB 2:1, após o biotratamento e o

foto/biotratamento ficou mais opaca e menos espessa.

UV-Vis

O PHB foto/biotratado sofreu mudanças estruturais, evidenciadas pelo deslocamento da

banda de carbonila (280-300 nm). (Fig. 1). O PCL biotratado mostrou mudanças na faixa da

carbonila, e não sofreu alterações espectrais quando fototratado (Fig. 2). As mudanças mais

evidentes estão marcadas por flechas (Figs. 1,2 e 4)

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

200 300 400 500 600 700 800

ABS

λ (nm)

PHB - original PHB - bio PHB - UV 20h + bio

200 300 400 500 600 700 800

ABS

λ (nm)

PCL - original PCL - bio PCL - UV 20h + bio

A blenda fototratada não apresentou alterações espectrais (Fig 3). Os filmes biotratado e

foto/biotratado mostraram alterações no Uv-Vis, com aparecimento de uma banda bem definida a

260 nm e outras bandas largas a 300 nm (ambas atribuídas a absorção de C=O, em diferentes

posições da cadeia) (Fig. 4).

200 300 400 500 600 700 800

ABS

λ (nm)

PCL/PHB 2:1 - original PCL/PHB 2:1 - UV 20h

200 300 400 500 600 700 800

ABS

λ (nm)

PCL/PHB 2:1 - original PCL/PHB 2:1 - bio PCL/PHB 2:1 - UV 20h + bio

Figura 3: UV-Vis do PCL/PHB 2:1 fototratado Figura 4: UV-Vis do PCL/PHB 2:1 foto/biotratado

Figura 2. UV-Vis do PCL fotobiotratado Figura 1: UV-Vis do PHB foto/biotratado

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

FTIR

PCL fototratado – não houve mudança espectral. PCL bio e foto/biotratado – presença de

uma banda a 1620 cm-1, atribuída à vibração de grupos C=O de ácido, indicando degradação do

polímero (Fig. 5). PHB não houve mudanças espectrais significativas, nos casos de bio e foto/

biotratamentos (Fig. 6). No caso da blenda PCL/PHB 2:1 foto/biotratada (Fig. 7), houve

aparecimento de uma banda a 1620 cm-1, menos intensa que no caso do PCL foto/biotratado. As

mudanças mis evidentes estão marcadas por flechas (Figs. 5 e 7)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 5000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

ABS

1/cm

PCL - original PCL - bio PCL - UV 20h + bio

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 5000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

ABS

1/cm

PHB - original PHB - bio PHB - UV 20h + bio

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 5000

1

2

3

4

5

ABS

1/cm

PCL/PHB 2:1 - original PCL/PHB 2:1 - bio PCL/PHB 2:1 - UV 20h + bio

Figura 7: FTIR de filme de PCL/PHB 2:1 foto/biotratado.

MEV

As micrografias eletrônicas mostram alterações da superfície dos filmes de PCL

foto/biotratados (Fig. 8), PHB foto e fotobiotratado apresentam diferenças em relação ao filme

original (Fig. 9). Da blenda PCL/PHB 2:1 foto/biotratada as alterações não foram significativas

(Fig. 10), como as observadas nas micrografias dos homopolímeros.

Figura 5: FTIR do PCL foto/biotratado. Figura 6: FTIR do PHB foto/biotratado.

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

Figura 8: MEV de filmes de PCL: A-original, B-fototratado e C-foto/biotratado.

Figura 9: MEV de filmes de PHB: A-original, B-fototratado e C-foto/biotratado.

Figura 10: MEV de filmes de PHB/PCL: A-original, B-fototratado e C-foto/biotratado

Conclusão

PCL e PHB sofrem diferentemente a ação da luz e microrganismos, sob as condições do

experimento. Em meio líquido PCL é mais suscetível ao ataque microbiano e PHB à irradiação UV

e UV/fungo. A blenda é menos suscetível ao ataque microbiano que o PCL, mas é suscetível à ação

conjunta UV/fungo, em menor extensão que os polímeros isolados. Os resultados obtidos indicaram

que a fotodegradação associada à biodegradação é mais eficiente no caso dos polímeros isolados.

No caso da blenda, as modificações estruturais e morfológicas da matriz polimérica são mínimas

A B C

A B C

A B C

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

em relação aos homopolímeros. Isto sugere uma possível interação entre as cadeias dos dois

poliésteres.

Agradecimentos: FAPESP processo n. 05/51231-6.

Referências

1. Huang, S. J. J.M.S. – Pure Appl. Chem., 1995, A32, 4, 593. 2. M.-N. Kim; A.-R. Lee; J.-S. Yoon; I.-J. Chin Eur. Polym. J., 2000, 36, 1677.

3. F.P La Mantia,.in: J. Pospisil Polym. Degrad. Stabil., 1999, 65, 405.

4. D.M Abou-Zeid; R.J Müller; W.D.Deckwer J. Biotechnol., 2001, 86, .113.

5. Y. W. Cho; S. S. Han; S. W Ko Polymer, 2000, 41, 2033.

6. Z.Gan; D Yu; Z Zhong; Q.Liang; X.Jing Enzymatic Polymer, 1999,40, 2859.

7. L.Savenkova; Z.Gercberga; V.Nikolaeve; A.Dzene; I. Bibers; M. Kalnin Process Biochem.,

2000, 35, 573.

8. R.Chandra; R.Rustgi Progr. Polym. Sci., 1998, 23, 1273.

9. W Amass; A. Amass; B.Tighe Polym. Internat., 1998, 47, 89-144.

10. M.A.M Martins; I.C. Ferreira; I.M. Santos; M.J. Queiroz; N. Lima J. Biotechnol. 2001, 89, 91.

11. A. Campos; S. M. Martins-Franchetti Braz. Arch. Biol. Technol. 2005, 48, 2, 235.

12. D. S. Rosa, Q. S. H. Chui; R Pantano Filho; J. A. M. Agnelli Polímeros 2002,12 ,1.