论文部分内容阅读
生物酶催化法处理环境水污染物是绿色高效的污染控制方法,逐渐成为未来解决环境水污染问题的发展方向之一。漆酶能够催化酚类、芳香胺类及芳香羧酸类化合物的氧化降解又不产生有毒副产物,使其在木质素降解、印染废水脱色、环境修复等领域有着极大应用潜力,但是漆酶制剂的高成本、低稳定性和难以回收利用等缺点限制了其在废水处理领域的应用。固定化酶技术是提高漆酶稳定性、重复使用性以及降低成本的最有效方法之一,其中载体材料的选择、载体的结构和性质以及与载体适宜的固定化方法是影响固定化酶性能的重要因素。纳米纤维素具有高比表面积、大长径比、表面羟基易修饰、生物相容性好等优点,其作为固定化酶载体的应用成为纳米纤维素研究的热点之一。本论文以纳米纤维素为基质材料,通过功能设计与结构表征制备出磁性纳米纤维素、纳米纤维素/海藻酸钠水凝胶、纳米纤维素/聚丙烯酰胺冷冻凝胶和有序介孔炭4种用于漆酶固定化的载体材料,分别通过物理吸附或共价结合法固定漆酶,对比研究固定漆酶的酶学性质,并探索其在造纸废水处理、双酚A降解、染料脱色和邻苯二酚检测方面的应用。论文的主要研究工作包括以下四个方面:首先,采用静电自组装法制备了磁性纳米纤维素,使用Zeta电位测定、FTIR、SEM、TG和PPMS等测试对磁性纳米纤维素的形成机制、结构、表面形貌和磁性能进行表征。聚乙烯亚胺修饰的Fe3O4纳米粒子与纳米纤维素之间的静电吸附是磁性纳米纤维素形成的主要作用力,磁性粒子分散在纳米纤维素表面,二者的紧密结合显著提高磁性纳米纤维素的热稳定性。磁性纳米纤维素的饱和磁化强度达到30.9 emu·g-1,外置磁铁时可实现与反应溶剂的快速分离。以磁性纳米纤维素为载体物理吸附法固定漆酶,在酶初始浓度为0.8 mg·m L-1,p H 6.0,反应时间2 h的最佳条件下,磁性纳米纤维素固定漆酶的蛋白质负载量为21.5 mg·g-1,酶活力可达332.8 U·g-1。与游离酶相比,固定漆酶表现出更宽的p H适用性,更高的热稳定性和贮存性能。使用磁性纳米纤维素固定漆酶处理造纸废水,对COD的去除率可达20%以上,脱色率在65%以上,对阳离子需求量的降幅达38%,固定漆酶经磁性分离重复使用3次仍能保持较好的处理效果。为了解决酶与纳米纤维素之间物理吸附力弱的问题,通过多巴胺修饰纳米纤维素,引入可与酶分子牢固共价结合的“桥梁”,获得了具有高重复使用性的固定化酶。以EDC、NHS为催化剂,通过酰胺化反应将多巴胺接枝到氧化纳米纤维素表面,再与海藻酸钠复合制备纳米纤维素/海藻酸钠水凝胶。以其为载体,通过多巴胺与漆酶蛋白氨基的共价结合固定漆酶。FTIR、SEM、EDX表征以及酶活力分析证实了漆酶的共价结合法固定。在酶初始浓度为2 mg·m L-1,p H 6.0的条件下,复合凝胶珠的最佳酶载量为7.6mg·g-1,酶活力达到最大值462 U·g-1。与游离漆酶相比,固定漆酶的p H适用性、温度适用性和贮存性能均较大改善。固定化酶的最适p H向酸性方向偏移,在p H 4.0～5.5范围内固定化酶的相对活力高达90%以上;最适温度下降5℃,在40～65℃可保持其最大酶活力的80%以上;贮藏15天后仍保持其初始活力的91.8%;经14次重复使用仍保持其初始活力的79.6%。研究了固定化酶对水中BPA的催化降解,在p H 6.0,50℃,BPA初始浓度为40 mg·L-1,1.0 g纳米纤维素/海藻酸钠凝胶固定漆酶,催化反应12 h对水中BPA的去除率为82.4%。降解动力学分析表明其对BPA催化降解速率约为游离漆酶的1/5,在反应体系加入ABTS后,固定化酶对BPA的催去除率显著提高,12 h内去除率高达98.7%。为了提高纳米纤维素基载体的酶载量,使固定化酶获得更多活性位点,制备了具有大孔网络结构的纳米纤维素/聚丙烯酰胺冷冻凝胶载体。该材料是以纳米纤维素为骨架,丙烯酰胺为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,甲基丙烯酸缩水甘油酯为改性剂,四甲基乙二胺和过硫酸铵为引发剂,采用冷冻聚合法制备。FTIR、SEM等表征表明纳米纤维素与聚丙烯酰胺交联形成复合冻胶,呈三维多孔网络结构,孔径约220μm。冻胶吸水后的溶胀度高达520%,受挤压后能快速还原,具有良好的尺寸稳定性。以纳米纤维素/聚丙烯酰胺冻胶为载体,通过环氧键开环共价结合法固定漆酶,在酶初始浓度为5.0 mg·m L-1,p H 5.0条件下,酶负载量高达51.7 mg·g-1。固定化酶具有突出的热稳定性,存放于60℃、70℃环境7 h,仍能保持其初始活力的36.2%和24.3%。冻胶固定漆酶对刚果红、台盼蓝、日落黄、固绿FCF和氯唑黑五种含氮染料具有良好的脱色效果,但表现出p H依赖性。固定漆酶在p H 4.0条件下对刚果红和氯唑黑的脱色率分别为85.5%和92.4%,在p H 7.0条件下对日落黄、固绿FCF和台盼蓝的脱色率分别为87.4%、93.6%和92.5%,重复使用5次依然保持其60%以上的脱色效果。最后,以纳米纤维素为模板和炭源,正硅酸甲酯为致孔剂,蒸发自组装、高温碳化制备了有序介孔炭载体材料。该介孔炭不仅保持了纳米纤维素模板的手性向列型结构特征,而且赋予了固定化酶导电性。以其为载体固定漆酶制备漆酶电极,实现了漆酶活性中心与电极之间的电子转移。研究漆酶电极对邻苯二酚的直接电化学行为和催化氧化还原性能,成功应用于邻苯二酚的检测。邻苯二酚在漆酶电极表面能进行直接的电化学反应,漆酶电极构成的生物传感器对邻苯二酚具有良好稳定的电流响应,线性检测范围为1.1～22.8μmol·L-1,选择灵敏度为0.016 A/（mol/L）,检测限为0.217μmol·L-1。