基于功能化介孔二氧化硅载体酶的固定化及其催化芳烃降解研究

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酶法催化降解废水中有机污染物具有效率高,不产生二次污染等优点。酶进行固定化以后,其热稳定性和结构稳定性均有所提高,且易于从反应体系中分离,可重复利用。氨基改性的介孔二氧化硅孔径可调、比表面积大且稳定,在酶固定化领域具有应用潜力。本研究以三嵌段共聚物P123为模板,采用水热法直接合成氨基改性二氧化硅载体。利用上述合成的载体,通过交联结合法对漆酶和纤维素酶进行固定化研究。探讨了先交联后固定(以下简称两步法)和交联固定同步进行(以下简称一步法)的两种固定化方法,并进行对比分析,进而优化了固定化条件。考察了固定化酶与游离酶的酶学性质差异。研究了固定化漆酶降解2,4-二氯酚的影响因素。实验结果表明:(1)采用水热法直接合成氨基改性介孔二氧化硅载体。由对载体表征可知,介孔二氧化硅表面已经成功接入了氨基基团,其比表面积和孔径分别为33.14m2/g和4.13nm。(2)固定化方法对比实验研究。对于漆酶,两种方法的时间和pH大致相同,但两步法的戊二醛浓度和酶浓度远大于一步法。一步法反应体系中漆酶和戊二醛共存,戊二醛对漆酶抑制作用显著,因此两步法固定化漆酶的酶活远大于一步法:一步法固定化漆酶的酶活仅为239.5U/g,两步法的酶活可达2977.5U/g。对于纤维素酶,两种方法的时间、pH和戊二醛浓度大致相同,戊二醛对纤维素酶的抑制作用大于漆酶,纤维素酶的浓度仍然是两步法远大于一步法。同样,两步法固定化纤维素酶的酶活远大于一步法:一步法的酶活仅为384.1μmol?min-1?g-1,两步法的酶活可达2123.7μmol?min-1?g-1。根据两种酶的固定化酶酶活可以得出:两步法固定化酶的效果更好。(3)固定化酶的酶学性质实验研究。与游离酶相比,两步法固定化漆酶和固定化纤维素酶的最适温度都有所提高,一步法则没有变化。同时酶固定化后,对高温的适应性都有大幅度的提高。固定化酶的最适pH均向酸性方向偏移,这是因为固定化载体上的氨基在溶液中显弱碱性。固定化酶在重复操作5次后,仍然保持较高的操作稳定性,剩余酶活均为原来的50%左右。游离酶、两步法和一步法固定化酶的米氏常数Km依次增加,说明酶固定化后,对底物的亲和力下降,且两步法固定化酶对底物的催化效果优于一步法。(4)固定化漆酶降解2,4-二氯酚实验研究。溶液的pH向碱性偏移时,有利于2,4-二氯酚降解。固定化漆酶对2,4-二氯酚去除及降解的最适温度为40℃。2,4-二氯酚的去除率、吸附率和降解率都随初始浓度的增加而逐渐减小。当浓度较大时,其某些反应产物对漆酶活性有抑制作用,从而导致2,4-二氯酚的降解率迅速下降。2,4-二氯酚初始浓度升高时,溶液中过多的分子无法与载体的活性位点结合,从而导致吸附率下降。
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