仿生合成纳米MnO₂及其固定化酶降解毒死蜱特性的研究

作　者: 金成
导　师: 陶玉贵
学　校: 安徽工程大学
专　业: 微生物学
关键词: 仿生合成纳米MnO2 固定化有机磷降解酶降解
分类号: O614.711
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

固定化酶较之游离酶更加稳定、可重复利用、且更加易从反应体系中分离出来,因此被广泛用于生物催化、食品工业、环境修复等领域。通过酶的固定化提高酶的使用效率,降低成本；从而实现降解酶的学位论文">有机磷降解酶的重复使用和提高酶的稳定性。同时MnO2作为一种重要的两性氧化物,因其所具备的特殊纳米尺寸效应和良好的氧化还原特性,在催化和电极材料等领域中已得到广泛的应用,特别是在环境修复方面有较强的应用前景,其做为催化剂对农药降解有显著作用。本文以甘氨酸为模板,利用水热法仿生合成纳米级的二氧化锰,以其为载体固定化有机磷降解酶,并研究了固定化酶对毒死蜱等有机磷农药的降解特性。利用高锰酸钾作为唯一锰源,在硝酸体系中以甘氨酸为模板剂通过水热法仿生合成纳米二氧化锰。通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)判定样品晶貌、N吸附比表面积孔径仪分析样品孔径大小、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析样品成键以及X-射线衍射仪(XRD)判定样品晶型变化。表征结果显示：在模板剂甘氨酸及锰源KMnO4作用下90℃水浴反应1h制得二氧化锰样品；SEM表征结果显示MnO2微观形貌呈纳米棒团聚体；XRD表征结果表明MnO2以α-MnO2为主；氮气吸附表征结果显示Mn02具二维圆柱形孔道介孔结构。依据表征结果,对纳米二氧化锰的形成机理进行了进一步探讨。以纳米二氧化锰为载体固定化有机磷降解酶。由FT-IR表征可知有机磷降解酶固载于二氧化锰的二维圆柱形孔道介孔内。分别考察了缓冲液pH、温度、加酶量、戊二醛浓度、搅拌速率以及吸附固定时间对固定化效果的影响。并采用响应面实验设计方法对酶固定化过程中影响因素进行优化,确定三个主要影响因素为戊二醛浓度、缓冲液pH以及加酶量。结果表明,最佳固定化条件为戊二醛浓度15%、缓冲液pH为7.6和加酶量为10mg,在此条件下相对酶活提高了6.4%。研究了固定化酶基本的酶学性质以及对有机磷农药的降解性。游离酶经二氧化锰固定化后其热稳定性、pH稳定性、牢固度以及连续反应能力等均有改善。固定化酶对毒死蜱等有机磷农药有良好的降解作用,采用生物酶解/光催化联合降解的方法来处理毒死蜱水溶液,反应体系中温度保持40℃,溶液pH为8.5的时候可以使联合降解的效率达到最高；同时可降解毒死蜱水溶液的初始浓度也由单纯光催化可处理的20mg/L增大到50mg/L；并且在经过54h后就可以将初始浓度为20mg/L的毒死蜱水溶液降至安全限定0.2mg/L以内；并推断毒死蜱的降解就是P-O键的断裂。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-23
  1.1 有机磷农药—毒死蜱  13-16
    1.1.1 毒死蜱简介  13-14
    1.1.2 毒死蜱危害  14-15
    1.1.3 毒死蜱降解  15-16
  1.2 降解酶处理—酶固定化  16-17
    1.2.1 固定化酶简介  16-17
    1.2.2 固定化载体的选择  17
  1.3 固定化载体—纳米MnO_2  17-21
    1.3.1 纳米材料简介  17-18
    1.3.2 纳米MnO_2的合成  18-19
    1.3.3 纳米MnO_2的表征  19-20
    1.3.4 纳米MnO_2的应用  20-21
  1.4 本课题的选题背景、研究意义及主要内容  21-23
第2章氨基酸模板仿生合成载体及其形貌调控  23-33
  2.1 实验材料  23-24
    2.1.1 主要仪器  23-24
    2.1.2 主要试剂  24
  2.2 试验方法  24-25
    2.2.1 二氧化锰微球的仿生合成  24-25
    2.2.2 甘氨酸模板下样品合成条件  25
    2.2.3 产物的表征  25
  2.3 结果与讨论  25-31
    2.3.1 氨基酸模板剂选择  25-26
    2.3.2 二氧化锰微球制备及晶貌变化  26-29
    2.3.3 二氧化锰晶型转化规律  29-30
    2.3.4 二氧化锰微球比表面积及孔径分析  30-31
  2.4 本章小结  31-33
第3章二氧化锰固定有机磷降解酶的研究  33-47
  3.1 实验材料  33-34
    3.1.1 主要仪器  33-34
    3.1.2 主要试剂  34
  3.2 试验方法  34-35
    3.2.1 载体的预处理及初始酶液制备  34
    3.2.2 固定化有机磷降解酶的制备  34
    3.2.3 固定化酶的表征  34-35
    3.2.4 有机磷降解酶活性的测定  35
    3.2.5 蛋白负载量的测定  35
    3.2.6 MnO_2载体微球固定化有机磷降解酶的影响因素  35
  3.3 结果与讨论  35-46
    3.3.1 固定化酶界面表征  35-37
    3.3.2 有机磷降解酶酶活测定标准曲线  37
    3.3.3 仿生合成MnO_2载体固定化有机磷降解酶的影响因素  37-41
    3.3.4 响应面法优化有机磷降解酶固定化条件  41-46
  3.4 本章小结  46-47
第4章光催化降解毒死蜱的研究  47-55
  4.1 实验材料  47-48
    4.1.1 主要仪器  47
    4.1.2 主要试剂  47-48
    4.1.3 试验装置  48
  4.2 实验方法  48-50
    4.2.1 毒死蜱标准母液的配置  48
    4.2.2 分析方法  48
    4.2.3 毒死蜱降解影响因素研究  48-49
    4.2.4 降解动力学模型建立  49
    4.2.5 降解后成分分析  49-50
  4.3 结果与讨论  50-54
    4.3.1 MnO_2添加量对毒死蜱降解的影响  50
    4.3.2 溶液pH值对毒死蜱降解的影响  50-51
    4.3.3 溶液初始浓度对毒死蜱降解的影响  51-52
    4.3.4 光强对毒死蜱降解的影响  52
    4.3.5 动力学特性研究  52-54
  4.4 本章小结  54-55
第5章固定化酶/光催化联合降解毒死蜱的初步研究  55-61
  5.1 实验材料  55-56
    5.1.1 主要仪器  55
    5.1.2 主要试剂  55-56
    5.1.3 实验装置  56
  5.2 实验方法  56-57
    5.2.1 毒死蜱标准母液配制  56
    5.2.2 分析方法  56
    5.2.3 联合降解性能  56-57
  5.3 结果与讨论  57-60
    5.3.1 温度对联合降解毒死蜱的影响  57
    5.3.2 溶液pH对联合降解毒死蜱的影响  57-58
    5.3.3 溶液初始浓度对联合降解毒死蜱的影响  58
    5.3.4 降解时间对联合降解毒死蜱的影响  58-60
    5.3.5 降解机理探讨  60
  5.4 本章小结  60-61
第6章结论与展望  61-64
  6.1 结论  61-62
  6.2 展望  62-64
参考文献  64-74
论文发表情况  74-75
致谢  75

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