碳纳米材料对真菌产酶与酶脱色影响研究

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碳纳米材料由于其良好的理化性质而被广泛运用,随之而来的就是其排入环境的量逐年增多,对环境有显著的影响。真菌具有产酶的能力,是目前生物降解污染物的重要研究对象。二者均大量存在于环境中,会发生接触与反应,为明确二者的相互作用和碳纳米材料与酶接触固定后对环境污染物质降解的影响。本文利用枝孢菌Cladosporium sp.KR14,对其产胞外酶培养基进行优化,通过酶活性改变分析碳纳米材料对真菌的影响,并利用3碳纳米材料对3种胞外酶的吸附固定分析其在污染物降解方面的应用,主要结果如下:对枝孢菌Cladosporium sp.KR14进行液体发酵产酶培养,得到其优化产酶条件:选用20 g/L葡萄糖作为碳源,3 g/L(NH42SO4作为氮源为最佳碳氮组分及比例;培养基初始pH为5.4,接种量为10%,发酵温度为26℃为优化后最佳发酵条件,在此情况下可同时得到漆酶、锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶的最大产量。对所产酶的酶学性质作为研究得到:(a)温度影响及稳定性:枝孢菌Cladosporium sp.KR14所产3种胞外酶漆酶、锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶均在40℃下可得到最高酶活,分别为46.2 U/L、574.8 U/L和46.2 U/L且锰过氧化物酶的温度稳定性高于另外两种酶。(b)pH影响及稳定性:漆酶、锰过氧化物酶和木质素过氧化物最佳pH分别为:5、3.5和2.5,且木质素过氧化物酶对较高pH稳定性较低。3种碳纳米材料对枝孢菌Cladosporium sp.KR14产酶具有不同程度的影响;30 mg/L及以下浓度碳纳米材料加入对枝孢菌Cladosporium sp.KR14产酶均具有一定刺激作用,其中单壁碳纳米管效果最佳,当浓度高于30 mg/L后,酶活出现明显降低,对微生物产生毒性。相同浓度下氧化石墨烯对枝孢Cladosporium sp.KR14的毒性最小。对枝孢菌Cladosporium sp.KR14产酶进程进行分析,在14天内可得到酶活最高值。当培养基中存在木质素作为底物时,枝孢菌Cladosporium sp.KR14会对其进行降解,碳纳米材料同样影响降解过程。当存在单壁碳纳米管时出现最高降解率45.9%,较对照增加12.7%,其次为石墨烯和氧化石墨烯。利用电化学研究其机理,得到碳纳米材料的加入可增加枝孢菌Cladosporium sp.KR14与木质素底物之间的电子传递。对经过枝孢菌Cladosporium sp.KR14降解的碳纳米材料进行XPS、FTIR和拉曼分析可知,枝孢菌Cladosporium sp.KR14对碳纳米材料产生由催化引起的大量缺陷、空穴及不对称结构及无序性增加。漆酶、锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶与单壁碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯吸附固定,其中单壁碳纳米管由于其表面结构,对于三种胞外酶的吸附量为3种材料最高,其漆酶吸附量达0.75 mg漆酶/mg单壁碳纳米管。吸附后测定酶活性的变化,发现酶与碳纳米材料结合后其活性均有所上升,其中漆酶-碳纳米材料固定后酶活性变化较大,漆酶活性增加10.4%。利用酶-碳纳米材料结合对染料进行脱色,漆酶对于酸性品红(三苯甲烷类染料)缺乏直接脱色能力,需要ABTS作为介体进行脱色;锰过氧化物酶对于三种染料均需要Mn2+的加入才可进行有利脱色。利用酶-碳纳米材料吸附固定后,除去碳纳米材料吸附外,降解率均提高,漆酶-碳纳米材料结合后基本脱色率可达到90%,且其中单壁碳纳米管为最佳。
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