固定化漆酶催化降解水中BPA的特性研究

王亞麗，劉夢婷，梁 瑞

(寧夏師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 固原 756000)

含酚廢水已成為水體污染的主要來源之一，具有危害性大、污染范圍廣等特點(diǎn)[1]。雙酚A，簡稱BPA，常被用來合成聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂等材料制造的塑料瓶、玻璃涂料、食品包裝和奶粉罐內(nèi)涂層[2]。雙酚A的危害極大，會導(dǎo)致人體內(nèi)分泌失調(diào)，從而影響著胎兒和兒童的身體發(fā)育。目前，在人的唾液、血液、尿液中也測出了雙酚A[3]。因此如何有效的降解BPA 是我們面臨的一個重大問題。

研究者開發(fā)了各種處理手段，目前主要的處理方法主要有Fenton 催化法、光催化降解法、微生物處理法、電化學(xué)處理法等[4-6]，但這些方法在降解過程中仍存在一定問題，不能達(dá)到理想的效果，有的甚至?xí)斐啥挝廴?。近年來，漆酶因催化效率高、易獲取、操作簡單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水中酚類污染物的催化降解處理[7-8]。但是存在的問題是游離漆酶具有易失活、不可重復(fù)性等特點(diǎn)，致使其使用成本高，難以用于工業(yè)生產(chǎn)。漆酶的固定化技術(shù)可以克服游離漆酶的不足，極大地提高漆酶穩(wěn)定性，降低使用成本[9]。固定化漆酶的方法有很多，如吸附法、包埋法、共價結(jié)合和交聯(lián)等，研究表明，通過固定化后的漆酶可以保持較好的活性和穩(wěn)定性。本文利用溶膠凝膠法制備磁性Fe3O4/SiO2復(fù)合材料，將其作為載體用于固定化漆酶，并研究了固定化漆酶對雙酚A的去除效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑儀器

雙酚A、漆酶、30%的H2O2、磷酸緩沖液、三氯甲烷、氯化亞鐵、氯化鐵、聚乙二醇、甲苯、丙酮、四甲氧基硅烷(TMOS)、鹽酸(36%-38%)、乙醇(95%)、戊二醛(50%)(AR，國藥化學(xué)試劑有限公司)。

紫外可見分光光度計(UV-1700型，島津國際貿(mào)易上海有限公司)；數(shù)顯 pH酸度計(實(shí)驗(yàn)室pH計(FE20)，梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6700F，日本)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 漆酶的固定化

先利用溶膠凝膠法制備Fe3O4/SiO2復(fù)合粒子，后取該復(fù)合粒子0.2g加入磷酸鹽緩沖溶液(10 mL)和戊二醛(9%(W/V))(10 mL)的混合液中，25℃恒溫水浴反應(yīng)6 h，得產(chǎn)物后用蒸餾水洗滌5次，真空冷凍干燥，得實(shí)驗(yàn)所需的磁性載體。稱取25mg該Fe3O4/SiO2復(fù)合粒子，加入一定量pH為6.0的磷酸鹽緩沖溶液，再加入一定濃度的漆酶溶液，在25 ℃下恒溫水浴反應(yīng)4 h，得固定化的漆酶，用pH 6.0的磷酸鹽緩沖溶液洗滌三次后，4 ℃下保存。

1.2.2 確定BPA的特征吸收波長并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

配置一定量的BPA溶液，以磷酸緩沖溶液為參比，利用紫外分光光度計，在170 nm～330 nm波長范圍內(nèi)掃譜。結(jié)果如圖1所示，確定270 nm為BPA的特征波長。

圖1 BPA的吸收波長

繪制BPA的標(biāo)準(zhǔn)曲線：配置如圖2所示的7個不同濃度的雙酚A溶液，在10.0 mL的反應(yīng)管中采用移液槍分別加pH值為6的磷酸緩沖溶液4000 μL，雙酚A溶液400 μL。25 ℃恒溫5 min后，將一定量的不同濃度溶液加入比色皿在UV測定其在270 nm處的吸光度值。以吸光度—濃度作圖，得出圖2標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖2 BPA的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.2.3 固定化漆酶催化降解雙酚A的條件測定

在10.0 mL反應(yīng)管中加入4000μL不同pH的磷酸緩沖溶液，400μL不同濃度的BPA溶液和一定量的固定化漆酶溶液，最后再加入200μL 2.0 mmol·L-1的H2O2溶液，在25℃下反應(yīng)20 min，用UV測定其吸光度值，計算BPA的降解率[10]：η=(A0-At)/A0×100%

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 磁性Fe3O4/SiO2復(fù)合粒子及固定化漆酶后的結(jié)構(gòu)

以 Fe3O4為磁核包覆SiO2后得到 Fe3O4/SiO2，然后將漆酶固定于Fe3O4/SiO2上，圖3(a)為磁性Fe3O4/SiO2復(fù)合粒子的 SEM圖，圖3(b)為磁性復(fù)合粒子固定漆酶后的SEM圖。由圖看出，磁性Fe3O4/SiO2復(fù)合粒子呈現(xiàn)球形分布，部分粒子有團(tuán)聚的現(xiàn)象。

圖3 (a)Fe3O4/SiO2納米粒子的SEM圖(b)固定漆酶后的Fe3O4/SiO2納米粒子的SEM圖

2.2 溫度對BPA降解率的影響

在7支10.0mL反應(yīng)管中分別加入 pH值為7的緩沖溶液4000μL、1.0 mmol·L-1的BPA溶液400μL和 5 mg·mL-1固定化的漆酶溶液200μL，在不同的溫度下，加3 mmol·L-1的H2O2入400μL，實(shí)驗(yàn)持續(xù)30 min，考察溫度對BPA降解的影響。結(jié)果如圖4所示，溫度為25 ℃時，降解率為45.2%，溫度對降解率的影響較大。

圖4 溫度對BPA降解率的影響

2.3 pH對BPA降解率的影響

同上在7支10.0 mL反應(yīng)管中分別加入相同量不同 pH值緩沖溶液、BPA溶液和固定化的漆酶溶液，在25 ℃下加入相同量的H2O2，30 min后停止反應(yīng)，計算pH對降解率的影響。結(jié)果如圖5，反應(yīng)液pH為5時，降解效果最佳，達(dá)52.4%，從圖中可以看出，在酸性環(huán)境中BPA更易被降解。

圖5 pH值對BPA降解率的影響

2.4 H2O2濃度對BPA降解率的影響

在8支10.0 mL反應(yīng)管中分別加入相同的4000 μL的pH值為5的磷酸緩沖溶液、400 μL濃度為1.0 mmol·L-1的BPA溶液和200μL 5 mg·mL-1固定化的漆酶溶液，定溫25℃下將相同量不同濃度的H2O2分別加入反應(yīng)管中，30 min后停止反應(yīng)，計算H2O2濃度對降解率的影響。將結(jié)果繪圖。從圖6可以看出，H2O2濃度對降解率的影響很大，該實(shí)驗(yàn)在H2O2為4 mmol·L-1時，降解率為61.3%，效果最佳。

圖6 H2O2濃度對降解率的影響

2.5 時間對BPA降解率的影響

在其它條件不變情況下考察反應(yīng)時間對降解率的影響，反應(yīng)條件如上，在確定H2O2濃度為4mmol·L-1下，時間不定進(jìn)行反應(yīng)?？疾鞎r間點(diǎn)如圖7所示，從圖中可以得出，開始反應(yīng)的前20 min，反應(yīng)較快，在20 min時降解率達(dá)到最大值65.8%，之后隨著反應(yīng)時間的延續(xù)，降解率下降。

圖7 時間對降解率的影響

2.6 BPA濃度對降解率的影響

同樣在7支10.0mL反應(yīng)管中分別加入pH值為5緩沖溶液4000 μL，后分別加入不同濃度的BPA溶液400 μL和 5 mg·mL-1固定化的漆酶溶液200μL，25 ℃下恒溫，加入4 mmol·L-1的H2O2溶液400μL，反應(yīng)進(jìn)行20 min后停止，計算BPA濃度對降解率的影響。結(jié)果繪圖，從圖8中可以看出，在BPA濃度為2.0 mmol·L-1時，降解率最大為68.0%。

圖8 BPA濃度對降解率的影響

2.7 加入表面活性劑對BPA降解的影響

有文獻(xiàn)指出加入表面活性劑能有效提高酶催化對酚類物質(zhì)的降解率。本實(shí)驗(yàn)采用聚乙二醇為表面活性劑，考察加入聚乙二醇對BPA降解率的影響。在7支10.0 mL反應(yīng)管中分別加入 pH為5的緩沖液4000 μL，然后依次加入不同量的聚乙二醇，25 ℃下反應(yīng)，加入4 mmol·L-1的H2O2400μL，反應(yīng)進(jìn)行20 min停止，考察BPA的降解情況。從圖9可以看出當(dāng)加入聚乙二醇的量為1.5 mg時，降解率最好為73%。

圖9 表面活性劑用量對降解率的影響

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)確定在一定條件下，固定化漆酶能夠有效地催化降解水中的雙酚A。當(dāng)反應(yīng)溫度為25 ℃，pH值為5時，在BPA、H2O2濃度分別為2.0 mmol·L-1、4 mmol·L-1，加入1.5 mg聚乙二醇，固定化酶用量1.0 μg的條件下反應(yīng)20 min，BPA降解率可以達(dá)到73%。