多孔HZIF-8固定化酶及其降解苯酚的性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金()宁夏自然科学基金()大学生创新创业项目()作者简介:罗空亮()男宁夏石嘴山人在读硕士研究生师从刘万毅教授、毕淑娴副教授从事应用复合材料固定酶研究工作电话:.通信作者:毕淑娴()女副教授从事应用复合材料固定酶研究工作 :.多孔 固定化酶及其降解苯酚的性能研究罗空亮郝红英殷勇刚詹海鹃刘万毅毕淑娴(.省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室宁夏大学 化学国家级实验教学示范中心宁夏大学 化学化工学院宁夏 银川.中核北方核燃料元件有限公司内蒙古 包头.江西省知识产权保护中心江西 南昌)摘 要:以水凝胶为模板采用模板乳化法制备锌基 材料 利用包埋法和交联法相结合的方法固定辣根过氧化物酶研究温度、以及苯酚浓度对 固定化酶降解苯酚的影响 结果表明 固定化酶的最适温度为 最适 为 环境耐受力远高于游离酶半衰期为 放置 时相对酶活性仍达./固定化酶最佳降解苯酚条件:重复回收使用 次相对酶活仍达到以上酸根过氧化物酶()与 固定化酶的 值分别为./和./固定化酶对底物的亲和力高于游离酶其催化效率相对游离 有所提升固定化酶的操作稳定性和酶活性也显著增强关键词:材料辣根过氧化物酶固定化酶中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):./.:.()././.:材料的酶有以下优势:较大孔隙率、活性位点整个框架中分布均匀、具有可回收重复利用性、结构多样、孔径高度可调、比表面积较大有利于活性位点周围底物分子的吸附和富集 锌基 材料中以 最具代表性本文采用模板乳化法制备锌基 研究了固定化酶的热稳定性、稳定性、存储稳定性考察温度、苯酚浓度对苯酚除去的影响重复利用对酶活性的影响、酶促反应动力学 实验部分.试剂与仪器硝酸锌、水杨酸、已烷、甲基咪唑、无水乙醇、三聚氰胺、戊二醛、磷酸二氢钠、苯酚、四氨基安替比林、质量分数 的 溶液、铁氰化钾均为分析纯实验用水为超纯水/电子天平 鼓风干燥箱 恒温磁力搅拌器 真空干第 期罗空亮等:多孔 固定化酶及其降解苯酚的性能研究燥箱 医用数控超声波清洗器冰箱 计 台式高速离心机.多孔 固定化酶的制备.的制备./的硝酸锌溶液和./的三聚氰胺在 水中加入水杨酸在 下以/搅拌 己烷中添加 热锌水凝胶水溶液加入.表面活性剂在 下以 /搅拌乳化 然后在冰浴中以 /振荡搅拌 以促进凝胶化 添加 甲基咪唑水溶液在 下连续搅拌 离心收集含 的水凝胶在 水中悬浮 移除水凝胶模板 用乙醇反复离心洗涤 次 真 空 下 干 燥 得到.多孔 固定化酶的制备 称取 加入 的 戊二醛()溶液电磁搅拌 蒸馏水洗去多余的戊二醛调节 烘干 研磨得到壳聚糖 复合材料称量 复合材料.放入 离心管中用 的缓冲液离心清洗 次材料均匀地分布在 对应 的磷酸盐缓冲液中在离心管中加入 的 /游离酶溶液放入摇床中低温振荡 离心取上清液并通过紫外分光光度计测定残余辣根过氧化物酶溶液.苯酚降解实验将 质量分数为 的双氧水移取到 容量瓶中加入蒸馏水稀释至 在 的小烧杯中加入 浓度 /的苯酚溶液一定量的 固定化酶然后缓慢滴加一定体积经稀释后的双氧水低速磁力搅拌混合均匀反应一段时间后取出固定化酶采集的样品立即在转速为 /下离心 并向反应液中加入少量 使反应残余的双氧水分解用带有滤膜(.)的 注射器过滤按照国家标准水质挥发酚的测定 氨基安替比林分光光度法()测定溶液中苯酚浓度计算苯酚去除率 重复 次取平均结果 ()式中 酚类去除效率 处理后苯酚残留浓度/处理前苯酚浓度/结果与讨论.多孔 的表征.图 是 的傅里叶变换红外光谱图()图 的 图.由图 可知与传统 的光谱相匹配 和 处双峰归因于氨基的伸缩振动 和 属于芳香族和脂肪族 咪唑基团的拉伸 对应于醛基的证明戊二醛成功地交联 材料上 归因于整个环的拉伸振动 为环平面内弯曲 以下的峰为平面外弯曲 值得注意的是以 为中心的特征峰属于 拉伸表明 的成功形成 特征峰位于 和 归因于蛋白质中 的伸缩振动和肽键的 的弯曲振动 的 图证明辣根过氧化物酶较好地固定在 材料上形成较为稳定的固定化酶.图 为 、放大倍数下 的 图 的 图.应用化工第 卷 由图 可知 有着较大的孔径结构表面结构明显且聚集更松散不规则块状结构的微粒堆积产生较大的比表面积 图、为 不同放大倍数下 的 由图 可知 呈现较大的孔径结构且交联后表面更粗糙表面交联戊二醛能更高效地固定化酶.孔径分布 图 是 的孔径分布图图 的孔径分布曲线.由图 可知 中存在介孔和大孔结构平均孔径为.证明 是多孔材料这与 结果相一致去乳化后形成多孔结构.多孔 固定化酶酶活性的研究.固定化酶的热稳定性温度对酶活性的影响见图 图 温度对酶活性的影响.由图 可知游离辣根过氧化物酶的最适温度为 固定化酶的最适温度提高到 表明固定化后提高了酶的耐热性 可能的原因是:利用孔道固定化酶更好地保护酶不受外界条件的影响热稳定性更好.固定化酶的 稳定性 值可以改变底物的带电状态进而影响其与酶的结合 图 为 对酶活性的影响 由图 可知辣根过氧化物酶的最佳 为 当 时酶活随 增加而下降 而 时固定化酶的酶活大于游离酶的酶活可知 是酶固定化的一个重要影响因素图 对酶活性的影响.固定化酶的存储稳定性固定化酶的存储稳定性见图 图 固定化酶的存储稳定性.由图 可知 固定化酶的半衰期为 当固定化酶放置 时相对酶活仍然达到 固定化酶稳定性显著提高酶的固定化打破游离酶的局限性提高了化学稳定性和环境耐受性.多孔 固定化酶降解苯酚的性能研究.温度对苯酚除去率的影响在一定的条件下(./苯酚溶液./过氧化氢 .的磷酸盐缓冲溶液)整个反应体系为 在 条件下分别反应 探究温度对苯酚除去率的影响结果见图 图 温度对苯酚除去率的影响.由图 可知游离酶和固定化酶对苯酚的除去率都随着温度的升高而增大当温度 游离酶的除去率开始快速下降 这是因为温度较高时第 期罗空亮等:多孔 固定化酶及其降解苯酚的性能研究游离酶的活性会随着温度的升高而降低 而 固定化酶最适的降解温度则是 苯酚的降解速率比相应的温度下游离酶的降解速率高表明固定化后的固定化酶具有很强的耐热性在较高的温度下仍能维持良好的催化活性.对苯酚除去率的影响 在一定的条件下(、./苯酚溶液、./过氧化氢、.的磷酸盐缓冲溶液)整个反应体系为 分别在 条件下反应 考察 对苯酚除去率的影响结果见图 图 对苯酚除去率的影响.由图 可知随着 的增加降解速率逐渐增加 时游离酶、固定化酶都对苯酚的降解率最高 当 时降解速率逐渐降低 然而 固定化酶的降解速率总体上受到 值的影响要小于游离酶.苯酚浓度对苯酚除去率的影响废水中含酚废水浓度不同需考察 在不同苯酚初始浓度对苯酚的催化效果 分别加入 浓度为./的苯酚溶液、./过氧化氢再加入 .的磷酸盐缓冲溶液使得整个反应体系为 在 下降解反应 苯酚初始浓度对苯酚去除率的影响见图 图 苯酚浓度对苯酚除去率的影响.由图 可知在较低的苯酚浓度下游离酶和固定化酶对苯酚的去除都有一定的催化效果在苯酚浓度较低时游离酶和固定化酶对苯酚的催化率为 随着苯酚浓度增加固定化酶对苯酚的催化去除逐渐降低 与游离酶相比固定化酶受苯酚浓度的影响更小固定化酶催化降解苯酚的效率更好 可见固定化酶增加了游离酶的环境耐受性.重复利用对酶活的影响由图 可知固定化酶重复 次以后相对酶活依然保持在 以上 当固定化酶重复使用一定次数后酶活会迅速降低 有可能是因为载体离心分离洗涤过程中载体损失、有不同程度的脱落现象也可能是因为部分酶失活图 重复利用对酶活的影响.酶促反应动力学酶促反应速率与酶底物复合物结构之间的关系已被广泛讨论 在其他条件都相同的情况下只对苯酚浓度做出改变利用测定在不同的苯酚浓度下的体系的吸光度变化数值并换算成酶促反应速率其横坐标代表苯酚浓度的倒数纵坐标代表反应速率的倒数并作图求 值 再通过 双倒数图求游离辣根过氧化物酶 常数 参考公式如下()式中:为反应最大速度一半时的底物浓度称为米氏常数是底物浓度是最大反应速率 游离酶和 固定化酶的 曲线见图 图 曲线.与 固定化酶的 值分别为./表明 固定化酶对底物的亲和应用化工第 卷力高于游离酶证明其催化效率相对游离 有所提升表 游离酶与固定化酶动力学参数 酶/()/().固定化酶 .结论()模板乳化法制备锌基 材料 利用包埋法和交联法相结合固定化酶、表明材料孔径较大分布比较均匀()游离辣根过氧化物酶的最适温度为 固定化酶的最适温度为 固定化酶与游离酶的最适 均为 但 固定化酶的环境耐受力高于游离酶的 固定化酶的半衰期为 放置 时相对酶活性仍然达到./重复回收使用 次酶活仍达到 以上 与 固定化酶的 值分别为./表明 固定化酶对底物的亲和力高于游离酶证明其催化效率相对游离 有所提升 是较好的固酶载体()固 定 化 酶 最 佳 降 解 苯 酚 条 件:在苯酚浓度较低时游离酶和固定化酶对苯酚的催化率为 固定化酶对苯酚的去除会随着苯酚浓度的增大而下降固定化酶适合处理较低浓度的苯酚废水而对较高浓度的苯酚废水则需要进一步的预处理参考文献:.():.():.:.():.刘雅祺申延明樊丽辉等.聚苯乙烯微孔膜固载辣根过氧化物酶降解苯酚.沈阳化工大学学报():.张锋.微波促进辣根过氧化物酶降解酚类废水研究.化学工程():.肖海军贺筱蓉.固定化酶及其应用研究进展.生物学通报():.:.():.():.赵思媛郝丽莹郭冀峰.铁基磁性金属有机框架材料的合成及其在水处理领域应用.应用化工():.张锋.辣根过氧化物酶降解苯酚废水催化特性研究.应用化工():.:.:.刘菲刘启龙黄蓓等.超声协同高铁酸钾降解苯酚废水研究.应用化工():.许雅洁张怡洋刘阳等.微生物降解苯酚污染的研究进展.中南农业科技():.:.():.(上接第 页)陈昊毕凯琳张军等.非常规油气开采压裂用减阻剂研究进展.油田化学():.():.孟磊王力力刘晓瑞等.疏水缔合聚丙烯酰胺作为滑溜水压裂液减阻剂的应用性能研究.应用化工():.马国艳沈一丁李楷等.滑溜水压裂液用聚合物减阻剂性能.精细化工():.():.李东城李隆伟唐萍等.长侧链聚 烯烃减阻剂的合成及性能.精细化工():.杨霖梁兵.长链端基疏水缔合减阻剂的制备与性能评价.油田化学():.