金属有机骨架固定化辣根过氧化物酶材料的制备及其在环境中的应用研究

作     者：燕凤 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常青

授予年度：2021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）] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0713[理学-生态学] 

主      题：辣根过氧化物酶 金属有机骨架 固定化酶 过氧化氢 酚类化合物 

摘      要：辣根过氧化物酶(HRP)是生物机体产生的一种绿色的生物催化剂,对过氧化氢(HO)的催化具有专一性和高效性,在过氧化氢存在时能快速氧化降解多种有机底物,在环境分析、废水处理、食品检测、化工生产等多个领域具有重要的应用价值。但酶的使用成本较高、稳定性差在不利条件下容易变性失活,并且可溶于水一旦投入使用难以回收利用等,这些缺陷极大地制约了它在工业化生产中的大规模的应用。生物酶的固定化技术被认为是提高酶催化稳定性和重复使用性的最有效方法。因此,开发一种高效的酶负载材料,并将其应用在环境化学分析和环境污染控制等方向成为了环境工程领域的一个研究热点。本文对多孔材料金属有机骨架(MOFs)的合成及天然酶的固定策略进行了一定的探索和研究,在常温常压水溶剂中合成了新型的功能化的铁基金属有机骨架固定化酶复合材料。通过一锅法固定酶,可以在MOFs材料空间拓扑结构构建的过程中,将大分子生物酶同步镶嵌在MOF的多孔结构中。MOFs仍然具有高度规则有序的三维晶体结构,同时使酶保持较高生物催化活性。本文的主要的研究内容如下:(1)以绿色环保来源丰富的铁作为金属源,分别以氨基对苯二甲酸盐、对苯二甲酸盐和均苯三甲酸盐作为多齿有机配体,在温和的条件下(常温、常压、接近中性p H)制备了三种不同配体的铁基金属有机骨架(MOFs)。在过氧化氢存在时,对三种无酶粉末材料的催化活性进行比较:结果显示在相同条件下以均苯三甲酸盐为配体的材料对苯酚几乎无降解作用,其它两个配体HBDC和NH-BDC合成的材料在120 min内降解效率分别可达90%和92%;由实验观察发现,在氢氧化钠溶液中氨基对苯二甲酸比对苯二甲酸更容易去质子化;并且以氨基对苯二甲酸为配体带有两个丰富的官能团(可使苯环活化的氨基和易于与无机金属离子形成配位键的羧基),具有较好的生物相容性,为酶的固定化提供良好的平台。因此,经过对比筛选,确定以氨基对苯二甲酸盐为配体合成的的铁基金属有机骨架NH-MIL-101(Fe)作为固定天然蛋白质分子的载体,一锅法直接将辣根过氧化物酶(HRP)包埋在该MOF中,合成了具有铁基金属有机骨架固定化辣根过氧化物酶复合材料HRP@NH-MIL(Fe)。通过SEM、TEM、XPS、XRD、FTIR表征方式,对制备的NH-MIL(Fe)和HRP@NH-MIL(Fe)进行了表征分析。电镜扫描图显示粉末状的NH-MIL(Fe)和HRP@NH-MIL(Fe)均具有丰富的蜂窝状多孔结构;从SEM图中可以清晰的看到未固定酶的和已固定酶的两种材料都呈现均一的、规则的多面体结构具有较好的结晶度,粒径的尺寸大小约为20 nm,尤其是HRP@NH-MIL(Fe)规则的构型表明酶的固定并未明显影响金属有机骨架的高度有序的空间结构;在NH-MIL(Fe)的XPS全频图谱中,可以检测到碳、氮、氧和铁元素的存在的明显信号;复合材料的红外光谱中同时出现HRP和MOF的特征峰,结合固定化酶对酚的降解具有显著的高效性,这些结果均证明生物酶很好的被固定在金属骨架材料中。(2)过氧化氢浓度的精准测定在医药、食品、环境等领域的检测应用中具有重要意义。本节以HRP@NH-MIL(Fe)为催化剂,N,N-二乙基对苯二胺硫酸盐(DPD)为显色剂。在最佳实验条件下:(a)p H值为6.0;(b)反应时间为20 min;(c)固定化酶中HRP的负载浓度为80μg/L;(d)显色底物DPD浓度为0.8 m M;(e)反应温度为25℃。构建了一个应用比色法测定过氧化氢的方法,在1×10M～1.2×10M范围内,吸光度(A)与HO的浓度之间有良好的线性关系,A=14.29 c+0.101,相关系数为0.9948,检出限为1×10M。本文中建立的分析方法具有较高的特异性和灵敏度,在过氧化氢的检测应用中具有较好的实用参考价值。(3)氯酚类有机污染物带来潜在危险,传统污水处理技术很难将其高效去除,HRP作为优良的环境污染修复剂,在过氧化氢存在时能催化多种芳香类有机污染物的化合物的快速降解。本节以三种氯酚(2,4-二氯苯酚、2-氯苯酚以及4-氯苯酚)作为底物,将HRP@NH-MIL(Fe)应用于催化过氧化氢氧化酚类污染物的氧化降解,通过4-氨基安替比林法测定溶液中剩余酚的含量。实验详细探究了影响三种氯酚的降解效率因素,在溶液初始p H=6.5,固定化酶的浓度为650μg/L,过氧化氢溶液浓度为0.6 m M,降解时间为40 min的条件下,2,4-二氯苯酚、4-氯苯酚、2-氯苯酚降解去除率可以达到94%,79%,54%。通过比较游离酶与固定化酶在不同p H环境和不同的温度中对2,4-二氯苯酚的降解,固定化酶显示出较好稳定性,这在一定的范围内扩大了酶的适用范围。经过离心回收固定化酶,进行循环实验,重复降解3次HRP@NH-MIL(Fe)的活性可以达到