生物竹炭固定化漆酶对苯酚的吸附降解

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(南京师范大学泰州学院化学与生物工程学院,江苏泰州 225300)

生物竹炭固定化漆酶对苯酚的吸附降解

夏文静,周惠,沈莹,李飞*

(南京师范大学泰州学院化学与生物工程学院,江苏泰州 225300)

为提高漆酶的利用效率,进一步开发其在环境治理中的应用,本实验用生物竹炭固定化漆酶对苯酚进行去除。探究生物竹炭固定化漆酶、吸附降解时间、苯酚浓度、生物炭粒径、pH、固液比对苯酚的去除作用。结果表明,反应时间72 h,苯酚初始浓度为100 mg/L,生物炭粒径为10目,pH为4.5,固液比是1∶10 (g/mL)时,苯酚的去除率可以达到100%。本研究结果为苯酚废水的处理提供了一种有效的方法。

生物竹炭,漆酶,固定化,苯酚,吸附降解

苯酚(Carbolic acid)又名石炭酸,是一种重要的化工原料,随着工业的发展,一些以苯酚或者酚醛为原料的化工厂在生产过程中产生大量的苯酚废水[1]。酚类是我国优先控制的污染物之一,也是美国环保局列出的129种优先控制的污染物之一[2-3]。酚类化合物种类繁多,其中以苯酚污染最为突出。2000年,我国苯酚产量仅24.9万吨,2012年112.2万吨,到2013年底已达到265.2万吨,并且维持11.1%的年平均增长率[4]。苯酚可以通过呼吸道和皮肤进入人体而引起中毒,苯酚是一种高毒性的细胞原浆毒物[5]。低浓度苯酚能与细胞原浆质蛋白结合形成不溶物,使蛋白质变性,细胞失去活力;高浓度苯酚使蛋白质凝固,且还能继续向深部渗透,对细胞产生直接损害,使粘膜、心血管和中枢神经系统受到腐蚀,损害和抑制[4]。大量苯酚不经过严格标准化处理直接排放到环境中,会导致水体和土壤受到严重污染。水体中苯酚浓度>5 mg/L时,会引起鱼类大量死亡[6-7]。农田中的苯酚污染会影响土壤中微生物的数量和分布,并造成土壤污染,降低土壤有效氮、有效钾及有机质等土壤养分含量,抑制土壤中多酚氧化酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和蛋白酶活性[8-9]。

目前含酚废水的处理主要有三种方法:物理法、化学法和生物法。生物法具有对环境友好,无二次污染的优点,在治理酚类物质污染环境的作用日益突显。近年来,有人对苯酚的生物降解进行了研究。一方面集中在对苯酚降解菌的筛选,唐伟[10]从石化厂的废水中分离得到一株能高效降解苯酚的菌株;葛启隆[11]从太原市焦化厂废水活性污泥中分离、筛选出一株苯酚降解细菌。另一方面集中在对漆酶降解菌种的固定化,VeraL等[12]以海藻胶质为载体固定化Trachosporonsp.降解苯酚,研究表明,苯酚在固定化微生物体系中的降解率远高于悬浮微生物体系。第三方面集中在漆酶的发酵制备及其对苯酚的降解。漆酶是一种含铜的多酚氧化酶,可催化多种酚类和非酚类化合物氧化,因其广泛的底物特异性,在环境治理领域具有广阔的应用前景,能显著减少排放到环境中的有毒污染物[13]。但由于漆酶易溶于水,不容易回收反复使用,因此限制了它在实际中的应用。固定化酶不仅保持酶高效催化的特点,提高酶的稳定性,还可以对酶进行多次重复使用,从而提高了酶的使用效率[14]。对漆酶的固定化,其中研究较多的是用海藻酸钠对漆酶进行固定化[15-17]。

竹材是一种多孔性材料,经过热解以后细胞壁炭化,可以形成类似六角形的孔隙[18],孔隙分布丰富,其比较面积大,吸附力强,且因其独有的多孔性能,使得其在水处理方面应用较多。炭质气孔能有效地吸附苯、酚等有害化学物质[19],也可以将菌体或者酶固定在生物竹炭上,去除水体中的污染物[20]。目前用生物竹炭对漆酶进行固定化并降解苯酚的研究较少。本实验利用生物竹炭对漆酶进行固定化,并研究其对苯酚的去除效果,旨在为漆酶在处理含苯酚污染等方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

漆酶 双孢菇菌株(Pleurotuseryngii)液态发酵法制备,其粗酶液的酶活力为3.5 U/mL;活性生物竹炭 由浙江农林大学环境与资源学院陆扣萍老师馈赠;甲醇 色谱纯;苯酚、柠檬酸、柠檬酸钠 等试剂均为分析纯。

5810型高速冷冻离心机 德国Eppendorf公司;1260型液相色谱 美国安捷伦科技有限公司;HZQ-X100恒温振荡器 上海天呈科技有限公司;PHS-25型数字pH计 上海大普仪器。

1.2 实验方法

1.2.1 生物竹炭固定化漆酶的制备 将一定粒径的活性生物竹炭和漆酶酶液(3.5 U/mL)按照1∶10 (g/mL)的比例混合均匀,于28 ℃,180 r/min条件下充分吸附24 h,抽滤制得固定化漆酶,贮存于4 ℃冰箱中备用。

1.2.2 固定化漆酶对苯酚的吸附降解 对三种生物材料进行比较,确定合适的吸附降解苯酚的生物材料。比较不同条件对固定化漆酶对苯酚吸附降解率的影响,包括反应时间、苯酚浓度、生物炭粒径、pH、固液比、固定化漆酶的可重复利用次数。

1.2.2.1 不同生物材料对苯酚去除率的影响 分别取相同质量的生物竹炭、生物竹炭固定化漆酶(200 U漆酶/g生物竹炭)和相同活力的漆酶酶液,选择苯酚的浓度为200 mg/L,反应24 h取样,对比分析三者对苯酚的去除率。

1.2.2.2 反应时间对固定化漆酶的苯酚去除率的影响 在苯酚浓度为200 mg/L,pH5.0的条件下,按照固液比1∶40 (g/mL)加入固定化漆酶,于28 ℃,150 r/min恒温振荡,分别在8、16、24、48、72、90、108 h取样测定苯酚的浓度,研究时间对固定化漆酶的苯酚去除率的影响。

1.2.2.3 苯酚浓度对固定化漆酶的苯酚去除率的影响 选择苯酚浓度分别为25、50、100、200、400和800 mg/L,pH5.0的反应体系中,按照固液比1∶40 (g/mL)加入固定化漆酶,于28 ℃,150 r/min恒温振荡,在8、16、24、36、72、108 h取样测定苯酚的浓度,研究苯酚浓度对固定化漆酶的苯酚去除率的影响。

1.2.2.4 生物炭粒径对固定化漆酶的苯酚去除率的影响 将过10、20、30、40、50目筛的生物竹炭,按照1∶10 (g/mL)的比例与漆酶酶液(3.5 U/mL)混合,于28 ℃,180 r/min条件下充分吸附24 h,抽滤制得不同粒径的固定化漆酶。用不同粒径的固定化漆酶,在苯酚浓度100 mg/L,pH5.0,固液比1∶40 (g/mL),28 ℃,150 r/min的条件下吸附降解72 h,利用高效液相色谱法测定苯酚含量,研究生物炭粒径对固定化漆酶的苯酚去除率的影响。

1.2.2.5 pH对固定化漆酶的苯酚去除率的影响 在苯酚浓度为100 mg/L,反应体系的pH分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0的条件下,按照固液比1∶40 (g/mL)加入固定化漆酶,于28 ℃,150 r/min恒温振荡72 h取样测定苯酚的浓度,研究pH对固定化漆酶的苯酚去除率的影响。

1.2.2.6 固液比对固定化漆酶的苯酚去除率的影响 在苯酚浓度为100 mg/L,pH5.0的条件下,按照固液比分别为1∶5、1∶10、1∶20、1∶40、1∶50 (g/mL)加入固定化漆酶,于28 ℃,150 r/min恒温振荡72 h取样测定苯酚的浓度,研究pH对固定化漆酶的苯酚去除率的影响。

国际市场：上周，国际尿素供给增加，但多地出现需求，供应仍然偏紧，价格持续小幅上涨。上周，黑海小颗粒尿素离岸价低端价格下跌2美元/吨，高端价格持稳，为250-260美元/吨；波罗的海小颗粒尿素离岸价低端价格上涨5美元/吨，高端价格持稳，为260-265美元/吨；中国小颗粒尿素离岸价低端和高端价格均上涨5美元/吨，为280-285美元/吨。

1.2.2.7 苯酚去除率验证实验 在苯酚浓度为100 mg/L,pH4.5的条件下,按照固液比1∶10 (g/mL)加入过10目筛的固定化漆酶,于28 ℃,150 r/min恒温振荡72 h测定苯酚的浓度,计算苯酚的去除率。

1.2.2.8 固定化漆酶的可重复利用次数 在苯酚浓度为100 mg/L,pH4.5的条件下,按照固液比为1∶10 (g/mL)加入固定化漆酶(过10目筛生物竹炭),于28 ℃,150 r/min恒温振荡72 h取样测定苯酚的浓度。将该固定化漆酶抽滤,用50 mmol/L pH4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液洗涤三次,将固定化漆酶重复使用两次,比较固定化漆酶的重复利用次数对苯酚去除率的影响。

1.2.3 苯酚含量的测定及计算 取样2 mL,12000 r/min离心10 min,上清用0.22 μm微孔滤膜过滤,采用安捷伦1260型液相色谱仪测定苯酚含量。液相色谱仪条件:色谱柱 Agilent HC-C18(4.6 mm×150 mm,5 μm),柱温35 ℃,流动相甲醇∶水=80∶20 (v/v),流速为1 mL/min,检测器波长为280 nm,进样量为20 μL。

苯酚去除率(%)=(ρ0-ρ1)/ρ0×100

残留率(%)=ρ1/ρ0×100

式中,ρ0为反应前苯酚质量浓度(mg/L);ρ1为反应后苯酚质量浓度(mg/L)。

1.3 数据处理

实验中每个处理重复三次,采用 SPASS 17.0进行统计分析,不同处理间差异显著性用单因素方差分析进行比较(p<0.05),并采用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同生物材料对苯酚去除率的影响

图1 不同生物材料对苯酚去除率的影响Fig.1 Effect of different biological materials on removal of phenol注:不同字母表示差异性显著(p<0.05)；图2、图4～图7同。

2.2 反应时间对固定化漆酶的苯酚去除率的影响

如图2所示,在72 h内,固定化漆酶对苯酚的去除率随着反应时间的延长显著增加。反应8、16、24、48、72 h苯酚的去除率分别为4.1%、25.1%、32.2%、56.4%和61.8%,各组之间差异显著(p<0.05)。反应超过72 h后,对苯酚的去除效果增加趋势变缓,反应72 h和90 h苯酚的去除率无显著性差异(p>0.05)。底物浓度是决定酶催化反应的主要因素,在反应初期,苯酚浓度较高,固定化漆酶迅速去除反应体系中的苯酚,随着酶促反应时间的延长,苯酚浓度降低,酶促反应达到动态平衡,苯酚的去除率趋于平稳。本实验确定最佳去除时间为72 h,在此条件下苯酚的去除率为61.8%。

图2 反应时间对固定化漆酶的苯酚去除率的影响Fig.2 Effect of reaction time on removal of phenol by immobilized laccase

2.3 苯酚浓度对固定化漆酶的苯酚去除率的影响

如图3所示,随着苯酚初始浓度的增加,固定化漆酶对苯酚的去除率显著下降,当苯酚初始浓度在25～100 mg/L时,固定化漆酶对苯酚具有较好的去除效果,在反应90 h后,去除率都超过80%。当苯酚初始浓度为200、400 mg/L时,去除率分别达到66.4%、62.9%。而当苯酚初始浓度为800 mg/L时,去除率仅为44.3%。在反应36 h内,固定化漆酶对较高浓度的苯酚(50～100 mg/L)表现出较强的去除效果,可能是苯酚浓度过低,导致生物炭表面漆酶与苯酚的接触量较低,使得漆酶不能对苯酚进行有效降解;而当苯酚浓度过高时,对固定化漆酶产生一定的毒害作用,大部分漆酶在失活之前没有参与催化反应,导致对苯酚的去除率下降。考虑催化降解效率,本实验确定最佳苯酚初始浓度为100 mg/L。

图3 苯酚浓度对固定化漆酶的苯酚去除率的影响Fig.3 Effect of phenol concentration on removal of phenol by immobilized laccase

2.4 生物竹炭粒径对固定化漆酶的苯酚去除率的影响

由图4可知,生物竹炭在10～40目的范围内,随着生物竹炭粒径的减小,固定化漆酶对苯酚去除率的影响无显著性差异(p>0.05)。当生物竹炭粒径继续减小,虽然其比表面积增大,相同质量生物竹炭的吸附能力增强,但是酶分子之间产生凝结作用的机会增多,易形成多层包被或皱褶结构,此结构形成的空间位阻,阻碍了苯酚与酶的接触,同时也阻碍了反应产物的扩散,使得去除率下降,因此选择最佳的生物竹炭粒径为过10目筛,此时苯酚的去除率为78.1%。

图4 生物竹炭粒径对固定化漆酶的苯酚去除率的影响Fig.4 Effect of bamboo biochar particle size on removal of phenol by immobilized laccase

2.5 pH对固定化漆酶的苯酚去除率的影响

对双孢菇漆酶的最适pH及pH稳定性研究表明,该漆酶在偏酸性条件下(pH3.0～5.0)具有较好的酶活力及稳定性(酶学性质将另有报道)。此外,工业含酚废水通常呈偏酸性,因此在pH3～5范围内,研究pH对固定化漆酶的苯酚去除率的影响。如图5所示,在pH3～5范围内,固定化酶对苯酚的去除率随着pH的增加而增加。当pH为3.0、3.5、4.0、4.5时,固定化漆酶对苯酚的去除率有显著性差异(p<0.05)。当反应pH为4.5时,对苯酚的去除率是79.1%,与pH5.0时苯酚的去除率81.5%无显著性差异(p>0.05)。本实验确定最佳pH为4.5,该条件下苯酚的去除率为79.1%。

图5 pH对固定化漆酶的苯酚去除率的影响Fig.5 Effect of pH on removal of phenol by immobilized laccase

2.6 固液比对固定化漆酶的苯酚去除率的影响

如图6所示,当固液比为1∶5和1∶10时,已检测不出苯酚的残留,此时固定化漆酶对苯酚的去除率为100%。固液比为1∶20、1∶40和1∶80时,苯酚的去除率下降,各条件下的苯酚的去除率有显著性差异(p<0.05)。固液比大,单位体积内固定化生物炭含量高,有利于缩短有效吸附降解时间,提高固定化漆酶对苯酚的去除,但投入生产成本会显著提高;固液比小,苯酚的去除率低,但是相同质量的固定化漆酶可以处理更多的苯酚。综合考虑,本实验确定最佳固液比为1∶10,此时苯酚的去除率为100%。

图6 固液比对固定化漆酶的苯酚去除率的影响Fig.6 Effect of solid/solution ratio on removal of phenol by immobilized laccase

2.7 苯酚去除率验证实验

在确定的最佳条件下进行苯酚去除率验证实验,重复三次,苯酚的去除率都为100%。表明此优化的苯酚去除条件有利于苯酚的高效去除。

2.8 固定化漆酶的可重复利用性

由图7可知,经过生物竹炭固定化的漆酶第一次对苯酚的去除率为100%,第二次利用时,对苯酚的去除率为82.4%,第三次利用时,苯酚的去除率仅为43.7%。表明固定化漆酶经多次重复利用后,稳定性下降。可能是在反复利用过程中,漆酶部分失活;此外,部分漆酶从生物竹炭中脱落,导致对苯酚的去除率下降。

图7 固定化漆酶的重复利用次数对苯酚去除率的影响Fig.7 Effect of reutilization cycles on removal of phenol by immobilized laccase

3 结论与讨论

漆酶对逆境因素、变性等具有高度的敏感性,从而限制了漆酶的有效应用和重复利用。固定化处理保持了酶的催化活性,增强了酶的稳定性,实现了酶的重复连续使用。对漆酶进行固定化拓宽了漆酶在废水处理中的应用[21]。冯俊[16]用海藻酸钠固定化菌体JY04,该固定化菌体降解苯酚的最适合pH为7.0,在该条件下固定化菌体培养42 h对苯酚的去除率为97.3%。本文的最适pH4.5与其有所不同,原因可能是菌体JY04可能是细菌,而本文所用的漆酶是由白腐菌双孢菇发酵产生的,不同菌所产的漆酶的酶学性质不同。张陈成[22]采用活性炭纤维(ACF)固定化漆酶处理模拟废水中的苯酚,该固定化漆酶在pH4～7范围内对苯酚具有较好的去除效果,其最适pH为 4.0,本文的最适合pH与其研究结果基本一致,在该pH条件下对苯酚的去除率为100%。尹艳娥[23]用竹炭对活菌体(红球菌ad049)进行吸附固定化,第三次使用时对苯酚的去除率为93.35%,重复利用20次以后,对苯酚的去除率在98%以上,而本文用生物竹炭固定化的漆酶第三次使用对苯酚的去除率只有53.7%。这是由于尹艳娥是对微生物进行固定化,利用微生物在生长代谢过程中对苯酚去除,微生物在生长过程中会不断的产漆酶,并且经过20次的培养,微生物经过不断的驯化,对苯酚的耐受性提高,因此重复利用20次能保持较高的苯酚去除率,而本实验是对漆酶进行固定化,漆酶量是固定的,在使用过程中会有失活也会从活性炭上脱落,因此固定化漆酶的重复利用次数不如固定化菌体的重复利用次数。

本实验研究了生物竹炭固定化漆酶对苯酚的吸附降解作用结果表明:经生物竹炭固定化的漆酶对苯酚的吸附降解效果比游离的漆酶以及单独活使用性炭效果要好。苯酚初始浓度为100 mg/L,生物炭粒径为10目,pH=4.5,固液比是1∶10 (g/mL)时,反应72 h,对苯酚的去除率可以达到100%。本研究结果为含苯酚废水的处理提供了一种有效的方法。但生物竹炭固定化的漆酶回收之后,在相同条件下,第二次和第三次使用对苯酚的去除率下降,去除率分别为84.1%和53.7%,可能的原因是生物竹炭对漆酶的固定效果不是很好,需要通过进一步的研究来改善固定效果以提高其重复利用次数。

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Phenolremovalusingimmobilizedbiologicallaccasewithbamboocharcoal

XIAWen-jing,ZHOUHui,SHENYing,LIFei*

(School of Chemistry and Biological Engineering,Nanjing Normal University Taizhou College,Taizhou 225300,China)

In order to improve the efficiency of laccase utilization and further develop its application of environmental governance,biological immobilization of laccase on bamboo charcoal for phenol removal was performed in this experiment. The effects of laccase immobilization,treatment time,concentration of phenol,carbon particle size,pH and solid/liquid ratio on the degradation of phenol were evaluated. The reaction time of 72 h,initial phenol concentration of 100 mg/L,biological carbon particle size of 10 mesh,pH of 4.5 and solid/liquid ratio of 1∶10 g/mL were optimal,which exhibited degradation ratio of phenol up to 100%.This study indicated an effective method for the treatment of phenol-containing pollution.

biochar;laccase;immobilization;phenol;removal

2017-06-20

夏文静(1982-)，女，硕士，讲师，研究方向：酶的发酵、纯化以及改性研究，E-mail：xiawenjing1234@163.com。

*通讯作者:李飞(1986-)，男，博士，讲师，研究方向：天然产物的开发、酶工程、基因工程，E-mail：kasber-lee@163.com。

江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB220004)；泰州市社会发展项目(TS201516)；南京师范大学泰州学院第二批精品课程《酶工程》。

TS201.1

A

1002-0306(2017)23-0053-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.012