辣根过氧化物酶对磺胺甲醣啶降解的研究

作     者：刘鸿 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘春光

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：辣根过氧化物酶 磺胺甲嘧啶 富里酸 芬顿反应 

摘      要：磺胺类药物是一种人工合成的,应用十分广泛的广谱抗生素,我国的磺胺类药物的生产量和消费量都相当可观,大量的磺胺类药物应用于临床医疗和养殖业等领域。由于磺胺类药物并不能被人体或动物身体完全吸收,相当一部分抗生素会随排泄物排出体外,通过医疗废水,城市生活污水以及养殖业废水最终进入地表水和地下水。一些报道指出磺胺类抗生素会在生物体内富集,自然环境中的磺胺类抗生素达到一定浓度后会对微生物以及其他生物产生不利影响。由于磺胺抗生素的不良环境影响,开展水中抗生素去除的相关研究是十分必要的。目前,应用较多的处理方法主要是包括高级氧化、电化学方法和吸附法在内的物理化学法。利用酶处理水中的抗生素是一种比较新的处理方法,与其他方法相比,酶处理法具有反应高效、对环境友好等特点,具有较大的发展潜力。本研究选择了一种典型的磺胺抗生素作为研究对象。首先研究了辣根过氧化物酶对磺胺甲嘧啶去除的反应过程;其次进一步研究了富里酸和蛋白质类物质对酶去除磺胺这一反应的影响及作用机制;最后,通过向反应体系中加入亚铁盐,形成芬顿反应-酶耦合体系,进一步提高了反应体系对磺胺甲嘧啶的去除效果。具体的研究内容如下:首先,根据不同酸碱度和过氧化氢浓度下的辣根过氧化物酶的活性,确定了辣根过氧化物酶表现最大活性的酸碱度和过氧化氢浓度,在最适条件下研究辣根过氧化物酶对不同初始浓度(20mg/L、17.5mg/L、15mg/L、12.5mg/L)的磺胺甲嘧啶的降解规律。研究发现反应11Omin后磺胺甲嘧啶的去除率高达65%以上,且降解反应遵循一级反应动力学。利用高效液相色谱质谱联用系统分析了反应的可能产物,进一步分析了主要的反应类型,结果表明辣根过氧化物酶对磺胺甲嘧啶的去除主要是通过磺胺键和嘧啶环的断裂实现的。其次,本研究解析了水环境中普遍存在的腐殖酸和蛋白类物质(以富里酸和牛血清蛋白为模型物质)对辣根过氧化酶去除磺胺的影响和作用机制。结果显示富里酸和牛血清蛋白对反应具有抑制作用,而且抑制作用随着富里酸和牛血清蛋白浓度的增加而增强。通过分析富里酸对酶活性、对酶结合过氧化氢能力及其对反应米氏常数的影响,结果显示富里酸对反应的抑制作用属于反竞争性抑制,其作用方式为富里酸与酶-底物中间体结合,阻碍中间体进一步生成产物。分子对接模拟的结果表明蛋白类物质可能与辣根过氧化物酶竞争结合磺胺甲嘧啶分子,导致反应体系对磺胺甲嘧啶的去除能力降低。最后,通过芬顿耦合酶解体系增强了水体中磺胺甲嘧啶的去除并阐明了该体系对磺胺甲嘧啶降解路径和机理。亚铁离子的加入降低了酶活,原因有两个:亚铁离子与酶竞争结合过氧化氢;芬顿反应产生自由基对酶的结构有影响。但是芬顿反应的引入使得复合体系对磺胺甲嘧啶的处理效果有了显著的提升。通过对降解产物的分析,揭示出了不同的反应降解路径。本研究不仅为磺胺类抗生素的去除提供了一种新的降解方案,而且极大地扩展了芬顿反应的应用范围。本研究不仅为水质净化特别是自来水的净化开辟了新的路径,而且为废水的深度处理提供了参考和借鉴。