氯过氧化物酶催化降解抗生素的研究

发布时间：2019-11-04 20:43

【摘要】：据报道滥用抗生素目前已经成为困扰中国的巨大难题之一。而滥用抗生素的后果除了医疗费增长,耐药性增强外,其对环境安全带来的潜在威胁也不容忽视。抗生素被人类大量的使用后,大部分以原形或代谢产物的形式进入环境,目前地表水、地下水、河流、土壤等环境体系中都能检测到抗生素的残留,浓度由ng·L-1到μg·L-1不等。由于环境水体中的残留抗生素浓度小,且结构稳定,不易被破坏,一般的物理处理方法基本无能为力,而Fenton试剂氧化等各种化学方法都不同程度地存在着方法复杂及产生二次污染等各种各样的问题。本论文针对抗生素污水处理技术的瓶颈,提出了一个氯过氧化物酶(Chloroperoxidase,简称CPO)催化、H202氧化快速、高效降解抗生素分子的体系,选取三类抗生素,主要包括磺胺类抗生素磺胺甲恶唑、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲基嘧啶、乙酰磺胺,林可酰胺类抗生素林可霉素和喹诺酮类抗生素诺氟沙星等七种底物为研究对象,系统研究了降解条件、降解产物、降解途径和机理,并对降解体系的性能及其安全性通过COD的检测和绿藻的生长抑制率为评价指标进行了评价。取得的主要结果如下：(1)酶促降解的过程优化：反应体系的pH,氧化剂H202浓度,酶用量及反应时间是影响降解过程的主要因素：总体来看,降解体系需要处于酸性环境中,适宜pH应维持在3-5；双氧水浓度应保持在mM级以下(0.1 mmol·L-1～0.12 mmol·L-1);降解反应所需的酶用量极少,处于nM级之间(0.6nmol·L-1～15 nmol·L-1),这是此降解体系的一大优势。在最佳反应条件下,降解率可在10 min-20 min之内基本达到100%,显示出诱人的应用前景。(2)降解产物测定及降解途径推测：以HPLC-MS对CPO酶促降解抗生素的产物进行分析,并依据主要产物对底物降解途径进行了推测。本文所选择的七种抗生素经过CPO-H2O2-Cl-酶促氧化处理后,底物分子经过一系列变化最终均有效断裂成较小的碎片,再与活性淤泥微生物降解过程结合,以COD数值评价的降解效果十分理想。表明经酶法处理后,抗生素的生物可降解性提高。这种CPO酶法前处理+活性淤泥的二级处理方法为环境抗生素残留的深度处理提供了一种有效手段。(3)CPO酶促降解机理：CPO因独特的活性中心而使其具有多种催化活性。本文中的降解反应利用的是CPO最典型的催化活性——氯化氧化活性。首先H202氧化CPO产生一种不稳定的中间体高铁卟啉自由基阳离子[(Fe4+=O)+], Compound I。当体系中引入Cl-时,CompoundI快速氧化Cl-在线产生了氧化性很强的活性小分子,如C12.HClO等,此时底物无需进入酶活性中心即可在溶液本体中被氧化降解,这样就摆脱了CPO分子中底物通道对底物分子的大小的限制。(4)CPO-H2O2-Cl-方法的性能和安全性评估：以COD为评价指标,结果表明经CPO酶法处理后,底物的COD值都有一定程度的下降,尤其是与活性淤泥生物处理联用后,其COD去除率达到42.61%～65.31%。同时还进一步对抗生素底物和降解产物对单细胞绿藻的生长抑制率(EC50)为评价指标进行了毒性评估,结果表明随着降解率的增大,EC50值不断的增大,即绿藻的抑制生长率逐渐减小,说明经酶法降解后得到的降解产物与原药相比毒性减小了。
【图文】：

ｄｉｍｅ比ｙｌｐｙｎｏｌ地ｎｅ－２NBａｒｂｏｘａｍｉｄｅ）。产物ｍ的相对分子量为邋１７６．０７，［２Ｉ＋Ｈ］＋的分逡逑子量为３５３．１４，在质谱图上对应的ｍ／ｚ峰为３５３．２６。林可霉素经ＣＰＯ－Ｈ２化－Ｃｒ逡逑体系降解后的降解产物列于表３－９。林可霉素的降解机理为图３－１３所示。逡逑￣逦—逦＋ＭＳ邋Ｓ，６ｍｉｎ邋＃５１１１逡逑３巧．ｐ６６７逦章逡逑＂逦Ｉ逡逑０．８逦Ｉ逦＾逦＾２逡逑ＣＩ逡逑０．６－逡逑０．４－逦ｊ逡逑０，２逦３０１．１４１２逦Ｉ逡逑。。＾Ｉ逦Ｉ邋，，邋Ｉ逦１．１邋ｉ邋Ｌ邋您严泌侣畔０１逦椒．

本文编号：2555818