活化过硫酸盐催化氧化和固定化漆酶生物降解双酚A

【摘要】：本文系统研究了一种新型化学和酶处理方法对双酚A的有效降解性能。近年来，过硫酸盐（PMS）由于其对分解的高稳定性以及能够高效释放·OH和SO_4~（·-）自由基而被广泛用作高级氧化物（AOP）来降解有机污染物。与化学催化剂相比，生物催化剂具有催化性能好、毒性低、降解性好、特异性高、反应条件温和等特点，有效地促进了绿色产业的生产和发展。漆酶是一种多铜氧化酶，能够利用分子氧作为共底物，氧化芳香胺、单二酚、多酚、甲氧基酚和抗坏血酸等多种化合物。目前，漆酶的生物技术应用包括：生物燃料生产中的生物制浆、漂白和修复；果汁、生物传感器、纺织品、饲料和纸张的稳定化生产；以及纺织染料废水等有机污染物的降解。本研究主要目的是利用生化方法降解水中双酚A（BPA），探究各试验参数对BPA生化降解的影响，确定BPA生化降解的中间体，分析BPA的生化降解途径。本文的主要研究内容与结果如下：（1）选取BPA为试验有机污染物，Fe（Ⅲ）/PMS活化体系可作为一种高效的高级氧化工艺降解有机废水，在pH 7.0下，1.5 g/L Fe（Ⅲ）和0.50 mmol/L PMS体系作用30 min，可有效去除水中92.18%的BPA（20 mg/L）。

在中性pH条件下，BPA的降解效果较好；在强酸和强碱条件下，BPA的降解受到抑制。有机和无机离子对Fe（Ⅲ）/PMS活化体系降解效率的影响及其相互作用有待进一步深入研究。在上述Fe（Ⅲ）/PMS活化体系条件下加入10 mmol/L柠檬酸后，BPA的降解率由92.18%降至66.08%。自由基清除实验表明，SO_4~（·-）自由基是Fe（Ⅲ）/PMS体系中重要的活性氧化物。采用液相色谱-质谱法（LC-MS）和大肠杆菌（coli）生长抑制实验对BPA降解过程中的中间体进行分析并进行急性毒性评价。BPA降解过程中共产生了5种中间体，降解途径包括桥连断裂和羟基化过程。研究表明，利用铁矿石去除废水中的有机污染物具有良好的经济效益。（2）本研究试验了一种非过渡金属法，即CO_3~（2-）活化的PMS法降解BPA。碳酸盐活化过硫酸盐（CO_3~（2-）/PMS）体系具有良好的催化活性，40 min内可降解水中100％的BPA。CO_3~（2-）/PMS体系降解BPA属拟一级动力学过程，反应速率常数（k）为0.0918 min~（-1）。研究了初始CO_3~（2-）、PMS、BPA、pH以及无机阴离子如硝酸根（NO_3~-）、硫酸根（SO_4~（2-））、氯离子（Cl~-）、磷酸根（PO_4~-）、腐殖酸（HA）对CO_3~（2-）/PMS体系降解BPA的影响。结果表明:体系中加入NO_3~-、SO_4~（2-）和PO_4~-离子会降低体系对BPA的降解,而加入高浓度Cl~-和HA则会促进体系对BPA的降解。

电子顺磁共振和自由基清除测试表明,CO_3~（2-）/PMS体系能产生SO_4~（2-）和·OH自由基;LC-MS分析结果和大肠杆菌生长抑制测试解释了BPA可能的降解途径,并表明BPA代谢产物无毒无害。研究表明,CO_3~（2-）/PMS体系能绿色、高效地降解水中的BPA。（3）海藻酸铜固定化漆酶对BPA的降解测试表明,在pH 5.0、30℃、150 rpm条件下,反应1 h后,0.5 g海藻酸铜固定化漆酶对10 mg/L BPA的降解率为96.12%;与游离漆酶相比,海藻酸铜固定化漆酶具有更高的稳定性。结果表明，海藻酸铜固定化漆酶降解BPA所得降解产物无毒无害。采用响应面法（RSM）考察了固定化参数（海藻酸钠浓度、浓度、固化时间）对海藻酸铜固定化漆酶活性的影响。结果表明，当3%（W/V）海藻酸钠与0./L DMSO共存90 min时，海藻酸钠酶活最高，为4.77 U/mL。采用液相色谱-质谱法和大肠杆菌生长抑制试验对BPA降解过程中的中间体进行分析，并进行急性毒性评价。研究表明，海藻酸铜固定化漆酶可用于降解水中的BPA，漆酶是一种有效的去除水中BPA的候选酶。 (4)本研究以不同的固定化材料(海藻酸钡)为研究对象,采用响应面法优化降解双酚A的条件。

利用FTIR分析进一步研究了生物转化过程。海藻酸钡固定化漆酶对BPA的降解结果表明与游离漆酶相比，海藻酸钡固定化漆酶具有更高的稳定性和动力学特性（K_m和V_（max）），具有更高的重复使用性和抗金属性。采用RSM研究了固定化漆酶对BPA的去除效果，结果表明在40℃、50 min时对BPA（2 mg/L）的去除率最高，为84.34%。采用气相色谱-质谱（GC-MS）对BPA的降解产物进行检测。结果表明海藻酸铜和海藻酸钡固定化漆酶在BPA的降解中具有很大的应用潜力，为漆酶的固定化研究提供了理论支持。