通过功能性丙烯酸-镍铁氧体杂化载体制备的可回收、可持续使用的漆酶生物催化剂

《Surfaces and Interfaces》：Sustainable retrievable laccase biocatalyst via functional acrylic–Nickel Ferrite hybrid support

本研究开发了一种新型磁性可回收漆酶生物催化剂（Lac@TAC@NiFe?O?），通过共价固定于氨基甲酸酯修饰的丙烯织物表面涂覆的镍铁氧体纳米颗粒。该催化剂表现出高酶负载量（82%）、优异的酸碱和温度稳定性，重复使用15次后活性保留79%，储存60天活性仍达83%。在染料脱色实验中，对溴酚绿（BCG）的去除率达100%（6 h）。该催化剂为工业废水处理和绿色生物催化提供了高效、环保和可重复利用的平台。

　　本研究开发了一种新型的磁性可回收的漆酶生物催化剂，通过将**Trametes versicolor**的漆酶共价固定在经过氨基氧化修饰的丙烯酸织物上，并在其表面覆盖镍铁氧化物纳米颗粒（Lac@TAC@NiFe?O?）。这种复合支持材料不仅具有增强的磁性特性，还具备较高的酶负载能力（达到82%）和改善的结构稳定性。通过一系列表征手段，研究人员确认了该材料的改性成功、纳米颗粒的沉积以及漆酶的固定效果。实验结果表明，固定后的漆酶在广泛的pH值和温度范围内表现出优异的活性保持能力，并且对有机溶剂具有更高的耐受性。特别是在15次重复使用后，该系统仍能保持超过79%的初始活性；在60天的储存期后，其活性仍维持在83%以上。在使用溴酚蓝（BCG）作为模型污染物的染料脱色实验中，Lac@TAC@NiFe?O?系统能够在6小时内实现高达100%的脱色效率，具体效果取决于染料浓度和催化剂用量。本研究强调了该新型生物催化剂在工业废水处理和绿色生物催化应用中的巨大潜力，展现出可持续性、高效性和可回收性的特点。

在工业和环境领域，合成有机染料，如偶氮染料和三苯甲烷染料，已成为水体中最持久的新兴污染物之一。这些染料广泛应用于纺织、皮革、印刷、化妆品和食品等行业，导致大量含有颜色的废水排放到自然环境中。由于这些染料的化学结构稳定、难以降解，且部分具有毒性，它们在水生态系统中可能导致严重的生态问题，如光穿透率降低、光合作用受阻，以及对海洋生物多样性和人类健康的威胁。其中，溴酚蓝（BCG）作为一种三苯甲烷磺酸酚酞染料，被广泛用作pH指示剂和纺织染料。其阴离子性质和结构稳定性使其对传统处理方法具有较强的抵抗性。已有研究表明，BCG在分解过程中可能生成具有潜在致癌性的芳香胺，并且在环境条件下保持稳定，因此需要更先进、经济且环保的治理策略。

为了应对上述挑战，酶促方法因其高效性、选择性和环境友好性而受到越来越多的关注。酶是生物大分子，以其高催化效率、底物特异性以及能够在温和条件下工作的能力而闻名。这些特性使酶成为多种工业过程中的关键工具，包括生物催化和环境修复。然而，自由酶在这些应用中面临诸多内在限制，如操作稳定性差、对恶劣环境条件敏感，以及回收和重复使用过程中的困难。为了克服这些问题，将酶固定在固体支持材料上可以显著提高其稳定性和可重复使用性，从而实现更高效、更经济的生物催化过程。酶的固定通过多点共价键结合稳定其构象，防止其变性，并在某些情况下增强其对溶剂、pH极端值和温度波动的耐受性。

一个成功固定系统的开发，取决于固定方法的性质和支持材料的特性。目前常用的固定方法包括共价键结合、物理吸附和包埋，每种方法都有其独特的优势和局限性。其中，共价键结合因其强结合力和减少酶泄漏的特性，成为提高催化活性和多轮使用能力的首选方法。此外，材料科学的最新进展引入了多种新型的载体材料，如磁性纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）和多孔聚合物，这些材料具有较大的比表面积、可调节的孔径和丰富的官能团，能够为酶的固定提供更多的结合位点。研究表明，固定在改性丙烯酸支持材料上的酶表现出更好的热稳定性、对有机溶剂和pH波动的更高耐受性，以及更长的重复使用寿命。例如，固定在金纳米颗粒涂层丙烯酸上的辣根过氧化物酶在15次重复使用后仍能保持75%的活性，而固定在银涂层丙烯酸上的β-葡萄糖苷酶在15次重复使用后保持超过76%的活性。

基于上述进展，本研究提出了一种新型生物支持系统，通过将磁性纳米颗粒——镍铁氧化物（NiFe?O?）——涂覆在经过氨基氧化修饰的丙烯酸织物上，以提高漆酶的固定效率。镍铁氧化物纳米颗粒是一种具有反尖晶石结构的磁性材料，表现出优异的理化特性和功能特性。其铁磁性和p型半导体特性使其成为磁性分离、可重复使用和酶稳定化应用的理想候选材料。将这些磁性纳米颗粒涂覆在化学修饰的丙烯酸织物上，不仅为酶的固定提供了功能结合位点，还使生物催化剂可以通过外部磁场轻松回收。这种将镍铁氧化物与柔性、功能化的纺织基质相结合的设计，旨在提高酶的负载能力、稳定性以及可重复使用性，从而为工业和环境应用提供一种高效、环保且可扩展的固定平台。

镍铁氧化物（NiFe?O?）被选为固定基质，相较于常用的四氧化三铁（Fe?O?），其在物理和化学特性方面具有更显著的优势。NiFe?O?表现出更高的热和化学稳定性，更强的磁滞特性，以及反尖晶石结构带来的更大比表面积，这些特性共同促进了更牢固的酶结合和更长的使用寿命。在以往的研究中，基于Fe?O?的系统在10次重复使用后仅能保持55%的过氧化物酶（HRP）活性，而在15次重复使用后，β-葡萄糖苷酶的活性仅维持在72%左右。相比之下，本研究中基于NiFe?O?的系统在15次重复使用后仍能保持超过79%的活性，突显了其更优越的可重复使用性。这些改进进一步验证了使用NiFe?O?作为高性能支持材料在生物催化应用中的价值。

近年来，基于漆酶固定的技术因其环保和选择性而在降解合成染料和酚类污染物方面受到广泛关注。许多研究探讨了磁性纳米颗粒与聚合物支持材料的协同作用，以增强酶在废水环境中的可重复使用性和操作稳定性。例如，Yang等人（2023）使用了双金属Cu/Zn ZIFs复合材料进行染料脱色，取得了良好的可回收性；El-Shora等人（2022）报道了基于Fe?O?纳米颗粒的漆酶载体提高了纺织染料脱色的效率。此外，近期研究还表明，混合MOF-纳米纤维素系统在可见光条件下表现出对工业污染物的高效降解能力。这些研究共同强调了开发新型、可磁性回收和化学稳定的生物催化剂平台的必要性，而本研究正是通过一种NiFe?O?-功能丙纶复合系统，直接回应了这一需求。

在实验方法方面，本研究采用了一系列标准的化学修饰和固定技术。首先，通过使用盐酸羟胺对丙烯酸织物进行氨基氧化处理，成功引入了极性氨基氧化基团，形成了改性丙烯酸（TAC）。这些基团增强了织物的结合亲和力，为后续酶的固定提供了良好的基础。随后，使用戊二醛作为交联剂，引入了反应性的醛基，从而实现了漆酶的共价固定。这种固定方法不仅确保了酶与支持材料之间的强结合力，还有效减少了酶在使用过程中的流失。在磁性纳米颗粒的制备过程中，采用水热法合成镍铁氧化物纳米颗粒，并通过物理吸附的方式将其均匀涂覆在TAC表面。这种复合材料不仅具备良好的磁性响应，还通过纳米颗粒的表面修饰增强了酶的结合能力。

在结果分析中，研究人员通过多种表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD），验证了材料的改性成功、纳米颗粒的沉积以及漆酶的固定效果。SEM图像显示，镍铁氧化物纳米颗粒成功地覆盖在TAC表面，形成了均匀的纳米结构。FTIR分析进一步证实了氨基氧化基团和醛基的成功引入，以及漆酶与支持材料之间的化学结合。XRD结果则表明，镍铁氧化物纳米颗粒保持了其反尖晶石结构，且与TAC之间没有发生明显的晶格畸变。这些结果共同证明了复合支持材料的结构稳定性和功能完整性。

在性能测试中，研究人员评估了Lac@TAC@NiFe?O?系统的催化活性、稳定性以及可重复使用性。实验结果显示，该系统在广泛的pH值和温度范围内表现出优异的催化活性，特别是在pH 4-9和温度20-60°C的条件下，其活性保持率均较高。此外，该系统对有机溶剂的耐受性也显著增强，能够在不同浓度的有机溶剂中保持较高的催化效率。在重复使用实验中，该系统在15次重复使用后仍能保持超过79%的初始活性，显示出良好的可重复使用性。而在储存实验中，该系统在60天的低温（4°C）储存后仍能保持83%的初始活性，进一步验证了其长期稳定性。

在染料脱色实验中，研究人员使用了BCG作为模型污染物，测试了Lac@TAC@NiFe?O?系统的脱色能力。实验结果表明，该系统在6小时内能够实现高达100%的脱色效率，具体效果取决于染料的浓度和催化剂的用量。在低浓度条件下，较小的催化剂用量即可实现高效的脱色效果；而在高浓度条件下，需要增加催化剂的用量以达到最佳的脱色效果。此外，该系统在不同pH值和温度条件下的脱色效率也保持较高水平，显示出良好的环境适应性。这些实验结果进一步证明了Lac@TAC@NiFe?O?系统在实际应用中的可行性。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的磁性可回收生物催化剂，通过将**Trametes versicolor**的漆酶共价固定在经过氨基氧化修饰的丙烯酸织物上，并在其表面覆盖镍铁氧化物纳米颗粒。这种复合支持材料不仅具有良好的磁性响应，还通过化学修饰增强了酶的结合能力和催化效率。实验结果表明，该系统在广泛的pH值和温度范围内表现出优异的催化活性，并且对有机溶剂具有较高的耐受性。在重复使用和储存实验中，该系统显示出卓越的稳定性和可重复使用性，能够保持较高的初始活性。在使用BCG作为模型污染物的脱色实验中，该系统在6小时内实现了高达100%的脱色效率，具体效果取决于染料浓度和催化剂用量。这些结果表明，Lac@TAC@NiFe?O?系统在工业废水处理和绿色生物催化应用中具有巨大的潜力，展现出可持续性、高效性和可扩展性的特点。

本研究不仅为解决合成有机染料污染问题提供了新的思路，还为生物催化剂的开发和应用提供了重要的技术支持。通过结合磁性纳米颗粒和化学修饰的丙烯酸织物，研究人员成功构建了一种具有优异性能的复合支持系统，能够有效提高酶的固定效率和催化性能。这种新型的生物催化剂平台不仅适用于工业废水处理，还可能拓展到其他生物催化领域，如制药制造中的氧化反应和环境检测中的生物传感技术。此外，该系统的可磁性回收特性为实际应用提供了便利，减少了传统固定方法在回收和重复使用过程中的困难，提高了整个生物催化过程的经济性和可持续性。

本研究的意义在于，通过创新性的材料设计和酶固定技术，解决了传统生物催化剂在操作稳定性、可重复使用性和环境适应性方面的不足。镍铁氧化物纳米颗粒的引入不仅增强了支持材料的磁性响应，还通过其物理和化学特性提高了酶的结合能力和催化效率。这种复合支持材料的结构稳定性和功能完整性为实际应用提供了坚实的基础。此外，该系统的可重复使用性和长期储存能力使其在工业和环境应用中具有更高的可行性，能够满足实际需求。

未来的研究可以进一步探索该系统的优化方向，例如通过调整纳米颗粒的尺寸和分布，提高酶的负载能力和催化效率；或者通过改变化学修饰的条件，增强支持材料的结合能力和稳定性。此外，该系统还可以与其他生物催化剂结合，形成多酶系统，以提高其在复杂污染物处理中的适用性。在实际应用中，该系统可以通过外部磁场进行高效回收，减少了传统固定方法在回收过程中所需的复杂步骤，提高了整个生物催化过程的便利性和经济性。

总的来说，本研究在生物催化剂的开发和应用方面取得了重要的进展，为解决合成有机染料污染问题提供了新的解决方案。通过将磁性纳米颗粒与化学修饰的丙烯酸织物相结合，研究人员成功构建了一种具有优异性能的复合支持系统，能够有效提高酶的固定效率和催化性能。这种新型的生物催化剂平台不仅适用于工业废水处理，还可能拓展到其他生物催化领域，如制药制造中的氧化反应和环境检测中的生物传感技术。此外，该系统的可磁性回收特性为实际应用提供了便利，减少了传统固定方法在回收和重复使用过程中的困难，提高了整个生物催化过程的经济性和可持续性。