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介孔载体固定化氯过氧化物酶及其在染料脱色降解中的应用

介孔载体固定化氯过氧化物酶及其在染料脱色降解中的应用

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作者：焦瑞娟陕西师范大学

学位级别：硕士

氯过氧化物酶（Chloroperoxidase, CPO）活性中心结构独特,催化活性多种多样,兼具过氧化物酶和细胞色素P-450的催化活性,具有广泛的底物适应性,可催化饱和烃的氯化、烯烃的环氧化、羟基化、氧化及磺化氧化等多种类型的反应,并且在催化... 详细信息

氯过氧化物酶（Chloroperoxidase, CPO）活性中心结构独特,催化活性多种多样,兼具过氧化物酶和细胞色素P-450的催化活性,具有广泛的底物适应性,可催化饱和烃的氯化、烯烃的环氧化、羟基化、氧化及磺化氧化等多种类型的反应,并且在催化过程中不存在需辅酶及再生的问题,近年来在有机合成、药物制备及环境毒物的生物降解等领域获得了越来越多的应用,已引起了广泛关注。本课题组近年来系列报道了CPO在水溶性合成染料脱色降解中的出色表现,有望应用于印染行业的污水处理。但实际废水温度高、酸碱性强,存在大量有机溶剂,在这样的极端反应环境中酶极易失活,同时水溶性的CPO不易从反应体系中分离,因而不能重复使用。酶的固定化技术是实现酶重复连续使用及提高其稳定性的有效措施,当前可采用的固定化技术较多,然而普遍存在的一个问题即固定化过程中酶的聚集现象,它无疑是以牺牲酶的活性换取其操作稳定性的提高。针对这一弊端,本论文尝试通过控制多孔材料的孔径,选择与酶分子大小相匹配的介孔材料作为固定载体,以期尽可能避免酶的聚集现象。获得的主要结果如下： 1.制备了三种不同孔径范围的多孔材料,分别为无机介孔硅氧材料FDU-12-140、3D-SBA-15和复合杂化材料CaC03/香菇多糖。通过N2物理吸附表征,测得这三种材料的孔径分布依次为12～17nm、约8nm、约30nm。依据载体与CPO分子间的静电引力,利用这三种载体材料对CPO进行固定,根据对酶固载量的多少来评价固定效果的好坏,并以CPO催化氧化偶氮染料藏花橙G作为模型反应,以脱色率为评价指标来评估固定化CPO的催化性能。其中介孔硅氧材料FDU-12-140对CPO的固定化效果最佳。其孔径稍大于CPO分子的直径,不仅可以容纳CPO分子进入,而且还为CPO分子的翻转保留了一定的空间,以最大限度的保留酶的活性。经过对影响固定化过程的条件优化后,固载量最高可达7.0mg/g;材料3D-SBA-15次之,其对CPO的最大固载量为6.0mg/g。酶动力学研究结果表明材料FDU-12-140固定化CPO （FDU-12-140-CPO）的米氏常数Km仅是游离CPO的1/2,3D-SBA-15固定化的CPO （3D-SBA-15-CPO）的Km值与游离酶几乎相同,说明经材料FDU-12-140固定化后的CPO较游离酶而言对底物的亲和性得到了提高;但两种材料固定酶的最大反应速率Vm分别是游离酶的5和2.5倍,Kcat/Km（FDU-12-140-CPO）相比于游离CPO提高了17倍Kcat/Km（3D-SBA-15）也提高了5倍之多,表明固定化CPO提高了对底物的专一性。 2.材料FDU-12-140固定化的CPO的催化性能考察表明固定化酶对温度和有机溶剂的耐受性均有明显的提高。在80℃条件下温浴1小时后,FDU-12-140-CPO还能保持原活性的42%,而游离态的CPO还不及原活性的10%。另一方面,经体积分数为1%的甲醇溶液处理后,FDU-12-140-CPO对染料的降解率可保持71%,而游离CPO对染料的降解率只有15%;同样条件下,1%的乙腈溶液处理后,FDU-12-140-CPO对染料的降解率为53%,此时游离CPO仅有5%;N,N-二甲基甲酰胺的亲水性最强,经同样体积分数的N,N-二甲基甲酰胺处理后的游离CPO已经没有活性,而此时固定化CPO对染料的降解率仍可保持在35%。不仅如此,还获得了令人满意的重复使用率,在重复使用22次以后,FDU-12-140-CPO的活性依然可以保持第一次使用活性的80%,即使是在体积分数为1%的甲醇溶液中,FDU-12-140-CPO依然可以重复使用12次之久,此时FDU-12-140-CPO的活性为第一次的50%。 3.本文还进一步考察了复合材料CaC03/香菇多糖对染料结晶紫氧化脱色的光催化性能。结果表明：与不加材料CaC03/香菇多糖相比,加入材料的体系对染料的脱色率在5个小时内可以达到100%,而不加载体材料的情况下结晶紫的脱色率非常低,在接近5个小时的时候才只有30%。经分析使染料脱色的原因主要有两种,其一,Ca2+的3d和4s轨道都未填充电子,所以染料脱色的原因可能是由于染料中某种离子或原子的电子跃迁到Ca2+的3d或4s轨道上,从而达到氧化降解染料的结果;另一种原因可能是由于材料对染料分子的吸附作用而使染料脱色。该方法操作简单且效果可观,将为后续制备酶催化-光催化双功能生物反应器提供依据。

关键词：氯过氧化物酶介孔硅氧材料固定化染料脱色

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