新型辣根过氧化物酶复合纳米催化剂的合成及其对酚类污染物的降解研究

发布时间：2020-04-08 17:25

【摘要】：辣根过氧化物酶(HRP)是一种活性高、专一性强的天然催化剂,具有很好的生物相容性。近年来,随着酶固定化技术的出现和发展,HRP在食品健康、生物医药、纺织工程、污水处理等行业得到了广泛的应用。但目前酶固定化的技术尚在发展中,依然存在诸如诸如酶活性低、循环能力较差以及实际应用效果不理想等问题,如何解决这些问题目前研究的当务之急。在本论文中,通过使用磁性纳米小球负载目标酶、合成磁性HRP纳米花以及使用g-C_3N_4负载目标酶的方法,制备得到了一系列新型HRP复合纳米催化剂,并将其应用于酚类污染物的催化降解。具体实验内容如下:(1)设计合成了一种新型的功能化磁性纳米微球Fe_3O_4@p(AABOB-co-AIM)-Ni~(2+)并进行了一系列表征。该功能化磁性纳米微球主要通过苯硼酸AABOB与HRP糖基片段上邻二羟基形成稳定的六元环结构,以及磁球表面Ni~(2+)和HRP氨基作用将HRP固定在磁球表面,制备得到功能化磁性HRP催化剂。相对于传统单一种类活性基团固定的方法,AABOB和Ni~(2+)协同作用的固载效果更为优越。该实验中探讨了交联剂的用量、pH及两种配体之间的配比等因素对HRP固定化的影响,得到HRP的固载量为174.75 mg g~(-1)。此外,合成的新型功能化磁性HRP催化剂具有很强的重复利用能力,能在外加磁场30s后达到分离,且在循环5次后酶活依然保持83%。该功能化磁性HRP催化剂的温度稳定性、pH稳定性和贮藏稳定性均有一定程度的提升。该功能化磁性HRP催化剂降解苯酚的效率明显优于游离HRP。(2)设计合成了Fe_3O_4@PMG@IDA-Cu~(2+)磁性纳米微球并将其和HRP的磷酸盐缓冲溶液反应形成一种新型的磁性纳米花,制备得磁性纳米花HRP催化剂。对合成的磁性纳米微球和磁性纳米花HRP催化剂进行了一系列的表征。研究探讨了HRP浓度、pH、合成时间、磷酸盐缓冲溶液浓度对磁性纳米花HRP催化剂酶活和形貌的影响,得到最佳的合成条件为:HRP的浓度为0.5mg/mL、pH为7、合成时间为8小时、磷酸盐缓冲溶液浓度为0.2 mol L~(-1)。磁性纳米花HRP催化剂在循环反应6次后,其酶活仍能达到75%,且在外加磁场下能够快速分离。此外,该磁性纳米花HRP催化剂的温度稳定性、pH稳定性和贮藏稳定性也得到一定的提升。最后将磁性纳米花HRP催化剂用于常见污染物双酚A的降解,发现在30 min内磁性纳米花HRP催化剂能降解超过90%的双酚A,效果明显优于游离HRP。(3)设计合成了一种新型的复合g-C_3N_4/Ni-HRP催化剂,用于进一步提升HRP对酚类污染物的降解能力,并且对g-C_3N_4/Ni-HRP催化剂进行了一系列完整的表征。通过调试g-C_3N_4、Ni及HRP的比例以达到最佳的光催化降解性能,得到的最佳条件为:g-C_3N_4为50 mg、Ni元素为3 mg、和HRP为1 mg。在不加入过氧化氢的条件下,合成的g-C_3N_4/Ni-HRP催化剂能在40 min左右将污水中的双酚A完全降解,其降解能力相较于之前的研究有着显著的提升,同时对其他常见的酚类物质也进行了降解研究。此外还讨论了g-C_3N_4/Ni-HRP催化剂的循环能力,在循环4次后其降解能力没有明显的下降,说明g-C_3N_4/Ni-HRP催化剂的稳定性较好。
【图文】：

图 1.1 固定化酶的方法Fig1.3 The method of immobilized enzyme2.1 吸附法在酶的固定化中，最为常见和简单的方法就是吸附法，该方法主要利用的酶与载体间的一系列相互作用（例如：氢键、离子键和分子间的范德将酶固定在载体表面[20,21]。吸附法和其他方法相比，最为突出的优点就法的简便，而且吸附法制备固定化酶时一般不需要用有机溶剂，故酶的定化时被破坏程度很小。同样的，仅仅依靠吸附形成的固定化酶也存在，一来是材料表面吸附的酶很容易在一次或者多次反应后从载体表面脱污染产物，二来是形成的固定化酶对温度和 pH 耐受性的提升极为有限2.2 共价结合法共价结合法，顾名思义，如图 1.1 中所示，，就是通过共价键将酶结合到上。一般来说，通过这种方法制备固定化酶，酶和载体之间的结合因为

人将镍修饰的二氧化硅磁性纳米微球作为酶的固定基质，所得的固定化酶与游酶相比，催化能力提高了 32.7%。此外酶在基质的保护下，对于 pH 和温度的受性也有着显著的提升。Prakasham 等在控制 pH 5.0，在 30-60 ℃的不同温度围下研究用磁性纳米小球固定化后的淀粉酶的一系列性质，与同温度下的游离相比，固定化后的淀粉酶展现了更好的淀粉水解活性和更强的热稳定性[44]。Kim 等人制备了包覆有二氧化硅层的磁性颗粒（SiMN），并在二氧化硅层面修饰上多齿配体亚氨基二乙酸，通过耦合 Cu2+离子用以固定带有 His 标签的热脂肪芽孢杆菌 L1 脂肪酶，最终制得的样品的平均粒径约为 115 μm（如图）。固定在该材料上的脂肪酶在重复利用 5 次后依然具有 70 %的活性，酶的性保留远高于其他的固定化法[45]。类似的，Konwarh 等人将取自枯草芽孢杆菌角蛋白酶固定在聚乙二醇包覆的 Fe3O4超顺磁性纳米颗粒上，和游离酶相比，各类物理和化学稳定性都有着显著的提升[46]。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1

【参考文献】

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1 Jiangnan Zheng;Zian Lin;Lan Zhang;Huanghao Yang;;Polydopamine-mediated immobilization of phenylboronic acid on magnetic microspheres for selective enrichment of glycoproteins and glycopeptides[J];Science China(Chemistry);2015年06期

2 张姣;周廉淇;田芳;张养军;钱小红;;采用磁性载体制备的固定化酶反应器的载体粒径对蛋白质酶解性能的影响[J];色谱;2013年02期

3 李艳敬;周国伟;邢凡勤;;介孔材料中酶固定化的影响因素[J];应用化工;2008年06期

4 张超;高虹;李冀新;;固定化酶在食品工业中的应用[J];中国食品添加剂;2006年03期

本文编号：2619622