磁可分固定化漆酶降解甲基橙反應條件的考察

馬玉冰，王紅霞，徐璐璐

（哈爾濱師范大學 功能材料的設計合成與綠色催化黑龍江省高校重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025）

目前，隨著科技的不斷發(fā)展，人工合成的染料已達數(shù)千種，結構各異[1]。為了滿足生產(chǎn)和使用要求，則需要眾多染料具有耐光、耐熱、抵御生物降解等特性[2]。然而許多染料都具有毒害性，有的甚至會引起癌變，一旦將其引入到環(huán)境中，會對人類身體健康，動植物的生長等造成很大的危害[3]。因此，印染廢水的凈化已成為當今的研究熱點之一。

漆酶是一種多銅過氧化酶,利用較強的氧化能力,可以氧化降解酚類、芳香胺類、多環(huán)芳烴及對應的衍生物等多種難降解的有機污染物[4-7]，而且漆酶是一種綠色、無毒的生物蛋白酶，在降解過程不會導致二次污染，因此，漆酶在染料廢水的治理方面具有重要應用價值。如果把漆酶進行固定化，固定化的漆酶在酶的回收、重復利用和穩(wěn)定性的改善方面占有很大優(yōu)勢。因此，本文選擇具有磁可分性能的固定化漆酶作為催化劑，以甲基橙的降解為探針反應，考察磁可分固定化漆酶對染料的降解性能和重復使用性能。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

乙酸鈉（CH3COONa 天津市天達凈化材料精細化工廠）；甲基橙（C14H14N3NaO3天津市精細化工開發(fā)中心）；冰醋酸（CH3COOH 天津市耀華化學試劑有限責任公司）；2,2′-連氮-雙（3-乙基并噻-6- 磺酸）（ABTS，Sigma）；漆酶（Sigma-Aldrich）；3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES，Aldrich）；戊二醛；FeCl2·4H2O（天津市科密歐化學試劑有限公司）；FeCl3·6H2O（天津市福晨化學試劑廠）；正硅酸乙酯（TEOS，Aldrich）；異丙醇、氨水（天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠）；無水乙醇（天津市凱通化學試劑有限公司）。

UV-2000紫外可見分光光度計。

1.2 實驗過程

固定化漆酶的制備：取100mgFe3O4/SiO2分散于50mL乙醇中,超聲使其均勻分散，再加入5mL去離子水和0.2mL APTES,在室溫下攪拌12h，反應結束后用蒸餾水洗滌、磁分，得到氨基修飾的Fe3O4/SiO2載體，向氨基修飾的Fe3O4/SiO2載體中加入適量濃度的戊二醛，在室溫下緩慢攪拌3h，洗滌、磁分，得到的戊二醛活化的載體粒子分散在磷酸緩沖液(pH=5)中備用。取適量的漆酶溶解在pH=7的磷酸緩沖液中，加入到上述溶液中，室溫下攪拌一定時間，反應結束后對固定化漆酶洗滌、磁分，最后將固定化漆酶在緩沖液中(pH=5)于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

固定化漆酶降解甲基橙：取50mg固定化漆酶與5mg·L-1的甲基橙溶液15mL混合，考察溫度、pH值和ABTS的添加量、作用時間對漆酶降解甲基橙溶液的影響，通過紫外-可見分光光度計在464nm測定降解后的甲基橙溶液的吸光度確定脫色率。

2 結果與討論

2.1 pH值的影響

將甲基橙與固定化漆酶的懸浮液置于不同的緩沖溶液(pH值為 3.0～7.0)中，同時加入 750μL ABTS，進行2h脫色反應，考察脫色反應的最適pH值，結果見圖1所示。

圖1 pH值對甲基橙溶液脫色率的影響Fig.1 The effect of pH value on the degradation of methyl orange solution

從圖1中可以看出，除了固定化漆酶對甲基橙的降解作用，磁性載體本身對染料也有一定的吸附作用，在pH值為3和7時，染料的脫色率分別為95.6%和89.1%，當pH值等于3時，固定化漆酶對該染料的降解率達到90.9%，因此，將固定化漆酶降解甲基橙溶液的適宜pH值定為3。

2.2 溫度的影響

圖2是在pH值為3時，ABTS的量為750μL，不同溫度(10～70℃)下，固定化漆酶對甲基橙的降解結果。

圖2 溫度對PR溶液脫色率的影響Fig.2 The effect of decoloration for degradation of methyl orange at different temperature

從圖2中看出，10～30℃之間,固定化漆酶對甲基橙溶液的降解較好，20℃時降解率達到最大，隨著反應溫度的繼續(xù)升高，降解率和吸附率快速降低，表明固定化漆酶對甲基橙溶液的降解對溫度的依賴性較大。

2.3 介體ABTS的投加量的影響

由于漆酶的氧化還原電勢較低，可以通過一些介體的引入提高漆酶的催化氧化能力[8]。圖3是在最適溫度和pH值條件下，考察ABTS投加量對固定化漆酶降解甲基橙溶液的影響結果。

圖3 介體ABTS的投加量對甲基橙溶液脫色率的影響Fig.3 The effect of the amount of ABTS on decoloration of methyl orange solution

圖3結果表明，在未引入介體ABTS的條件下，甲基橙溶液脫色率幾乎為0，而隨著介體ABTS的引入，明顯發(fā)現(xiàn)該介體甲基橙溶液的降解有促進作用，而且隨著ABTS投加量的增加，脫色率逐漸提高，當加入750μL ABTS時，脫色率達到95.6%，反應時間為120min。

2.4 反應時間對降解效果的影響

圖4是在pH值為3時，溫度在20℃下，加入750μL ABTS測得的甲基橙的降解結果。

圖4 作用時間對甲基橙溶液降解效果的影響Fig.4 The effect of reaction time on decoloration of methyl orange solution

從圖4中看出,隨著作用時間的不斷增加，甲基橙溶液的脫色率明顯呈上升趨勢，在120min時甲基橙的脫色率達到95.6%，隨著反應時間的繼續(xù)升高，甲基橙溶液的脫色率已不再增加，表明120min后，固定化漆酶對甲基橙溶液的降解比較充分。

2.5 固定化漆酶磁響應行為及操作穩(wěn)定性

利用外磁場對固定化漆酶進行回收，考察了固定化漆酶降解甲基橙溶液的循環(huán)使用性能，結果見圖5。

圖5（a）顯示了利用外磁場可將固定化漆酶與反應液有效分離，說明固定化漆酶具有良好的磁可分性能；圖5（b）是固定化漆酶降解甲基橙溶液的10次反應結果。圖5（b）顯示，在連續(xù)使用該催化劑的過程中，甲基橙溶液的脫色率有下降的趨勢，但是催化劑使用10次以后甲基橙溶液的脫色率仍保持在70%以上，由此說明該磁可分的固定化漆酶具有較好的操作穩(wěn)定性，適于重復使用。

圖5 固定化漆酶降解甲基橙溶液Fig.5 Immobilized laccase degradated methyl orange solution

3 結論

本文采用Fe3O4/SiO2為載體固載的漆酶進行甲基橙溶液的降解研究，對理想的降解條件和漆酶的穩(wěn)定性進行了考察。結果表明：（1）添加介體ABTS后，可以有效促進固定化漆酶對甲基橙溶液的降解，當甲基橙初始溶液的pH值為3、反應溫度20℃、加入750μL介體ABTS、作用時間為120min時可以實現(xiàn)固定化漆酶對甲基橙溶液的有效降解，脫色率在95%以上；（2）以Fe3O4/SiO2為載體固載的漆酶可以利用外磁場進行分離，在連續(xù)使用10次以后，甲基橙的脫色率仍能達到70%以上，說明該催化劑具有很好的磁可分性能和較穩(wěn)定的降解性能，在降解染料方面展現(xiàn)了廣闊的應用前景。

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