经过磁性卤氧铝矿改性的碳酸酐酶纳米生物催化剂，具有优异的稳定性和可持续的二氧化碳捕获能力

《Journal of Environmental Management》：Magnetic halloysite-functionalized carbonic anhydrase nanobiocatalyst for superior stability and sustainable CO 2 sequestration

磁性碳ic酸酐酶纳米生物催化剂通过海泡石纳米管功能化与交联实现高效稳定催化，具有显著的环境耐受性和循环稳定性，为工业级CO2捕获提供新方案。

　　

德文德拉·西卢（Devendra Sillu）| 瓦雷尼亚姆·阿查尔（Varenyam Achal）

环境科学与工程系，广东工业大学-以色列理工学院，中国汕头

摘要

生物CO₂通过转化为惰性固体碳酸盐的方式进行固定和储存是一种利用碳酸酐酶（carbonic anhydrase）的很有前景的方法。在本研究中，我们报道了一种以水铝石纳米管（halloysite nanotubes，简称HNTs）为骨架的磁性碳酸酐酶纳米生物催化剂的合成方法。首先，水铝石纳米管被多巴胺（polydopamine，简称PDA）和聚乙烯亚胺（polyethylenimine，简称PEI）功能化，然后通过戊二醛交联实现酶的共价固定。该纳米生物催化剂达到了58.37%的酶负载量，并保持了63.58%的活性。全面的表征证实了酶分子在水铝石纳米管表面的有效锚定。与游离的碳酸酐酶相比，该纳米生物催化剂在不同pH值和温度条件下的稳定性更佳。即使储存10周后，其活性仍保持在65.2%，并且可以重复使用17次，显示出优异的操作稳定性。此外，该纳米生物催化剂还表现出更高的催化效率以及仿生式的CO₂固定能力，并具有可重复使用的潜力。这种方法通过提供更好的稳定性、可重复使用性和催化性能，显著优于传统的酶固定技术。使用磁性水铝石纳米管作为载体，使得这种纳米生物催化剂非常适合用于工业上的碳捕获和储存应用。凭借其卓越的稳定性和性能，该系统为可持续碳管理和绿色技术的未来发展提供了有希望的策略。

引言

大气中二氧化碳（CO₂）水平的迅速上升是气候变化的重要驱动因素，对全球生态系统和人类健康产生了负面影响（Anwar等人，2020年）。作为21世纪最紧迫的环境挑战之一，通过捕获和固定多余的CO₂来减少其排放已成为实现可持续未来的关键目标。传统的碳捕获方法，如化学吸收和吸附，虽然有效，但通常伴随着高昂的能量成本以及由于使用有毒溶剂和材料而带来的潜在环境风险（Dubey和Aroora，2022年）。相比之下，基于生物催化的方法，例如使用碳酸酐酶，提供了一种环保且节能的CO₂固定方案（Sharma等人，2020年；Shi等人，2015年）。

碳酸酐酶是一种含有锌的金属酶，在自然界的CO₂固定过程中起着关键作用，它能够催化CO₂可逆地水解为碳酸氢根离子（HCO₃^?）和质子（H⁺）（Boone等人，2014年；Ozensoy Guler等人，2016年）。这一反应发生得非常迅速，使得碳酸酐酶成为工业规模CO₂捕获和转化过程的高效候选者（De Oliveira Maciel等人，2022年）。然而，由于碳酸酐酶对极端pH值、高温以及长时间暴露于工艺流中的敏感性，其在工业环境中的实际应用受到严重限制（Rasouli等人，2022年；Shao等人，2024年）。此外，酶的生产成本高昂以及难以回收和重复使用也阻碍了其工业应用。

为了解决这些问题，将酶固定到固体载体上已成为一种提高酶在工业应用中稳定性、可重复使用性和整体性能的有前景的策略（Sillu和Achal，2024年）。固定不仅可以保护酶免于变性，还有助于其回收和再利用，从而降低了大规模操作的成本（Iliuta和Iliuta，2024年）。已经探索了多种用于酶固定的载体材料，包括聚合物材料、无机载体和纳米材料（Asadi等人，2023年；Heo等人，2023年；Mwandira等人，2023年；Nagata等人，2023年）。最近，由于金属有机框架（MOFs）具有可调的孔结构，它们被广泛用于碳酸酐酶的固定（Malankowska等人，2024年；Khan等人，2025年）。然而，对其功能化处理至关重要，以确保提供酶的锚定位点同时保持传质和活性。另外，各种合成膜也在被研究之中，这些膜通过吸附和交联方式将碳酸酐酶附着在其上（Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Li等人，2025年）。在这种情况下，天然存在的材料提供了一个有吸引力的替代方案，它们具有天然的生物相容性、更简单的功能化途径，并且在成本上比化学合成的材料具有显著优势。其中，天然存在的纳米结构材料如水铝石纳米管（HNTs）因其独特的性质（包括高表面积、机械强度、化学稳定性和低价格）而受到了广泛关注。

水铝石纳米管是一种天然存在的铝硅酸盐粘土，具有中空的管状结构，为酶固定提供了多功能平台（Tully等人，2016年）。它们的大表面积为酶提供了丰富的结合位点，而其生物相容性确保了最小的毒性，使其非常适合生物应用（Biddeci等人，2022年）。此外，通过各种化学基团对水铝石纳米管进行功能化可以增强其酶结合能力，提高酶的稳定性，甚至引入额外的功能，如磁性，从而便于酶的回收和再利用（Sillu等人，2022年；Sillu和Agnihotri，2020年）。在工业过程中，磁性载体特别有利，因为它们可以通过外部磁场轻松分离出固定的酶，实现连续操作并降低运营成本。

近年来，研究人员专注于开发兼具酶固定优势和其他有益性质（如磁响应性、化学稳定性和环境兼容性）的多功能纳米材料。在这方面，用水铝石纳米管与多巴胺（PDA）和聚乙烯亚胺（PEI）进行功能化已被证明可以显著提高酶的固定效率和稳定性（Chao等人，2013年；Zhu等人，2021年）。PEI是一种阳离子聚合物，提供了多个胺基团用于酶的共价结合，而多巴胺则模仿贻贝足蛋白的粘附特性，在水铝石纳米管上形成稳定的涂层，进一步增强了酶的锚定效果。使用戊二醛作为交联剂可以确保酶与功能化表面的共价键合，从而实现稳定和高效的酶固定。

在这项研究中，我们旨在使用以PEI和多巴胺功能化的磁性水铝石纳米管作为核心载体来合成一种磁性碳酸酐酶纳米生物催化剂。将磁性特性引入纳米生物催化剂中进一步增强了其在工业应用中的实用性，因为它使得酶可以从反应混合物中轻松分离和回收，从而便于连续操作并降低成本。碳酸酐酶通过戊二醛作为交联剂被共价固定在水铝石纳米管上。对纳米生物催化剂进行了彻底的表征，以确认载体的成功功能化以及随后的酶固定。酶催化分析显示，在不同的反应条件下，该催化剂具有较高的稳定性，并且在CO₂固定方面表现出更高的效率、催化活性和可重复使用性。动力学特性进一步证明了在磁性水铝石纳米管上固定后的碳酸酐酶性能得到了提升。这种结合了生物相容性功能化、磁响应性和纳米结构载体优势的创新方法，代表了可持续和可扩展CO₂固定技术发展的重大进步。

材料

水铝石纳米管、盐酸多巴胺、聚乙烯亚胺、来自牛红细胞的碳酸酐酶（EC 4.2.1.1，冻干粉末，3500 U/mg固体）、p-硝基苯乙酸酯（p-NPA）、乙腈、戊二醛和Tris碱均从Sigma-Aldrich购买。研究中使用的其他所有化学品均从Aladdin（中国上海）购买。所有试剂均为分析级，无需额外纯化即可使用。与纳米材料合成相关的所有实验均

纳米生物催化剂的制备

近期的研究显示，磁性水铝石纳米管在酶固定方面具有出色的潜力（Sillu等人，2022年；Sillu和Achal，2024年；Sillu和Agnihotri，2020年）。磁性水铝石纳米管为生物催化剂的有效固定提供了广泛的功能化可能性。在这项工作中，使用了两种单独的成分——盐酸多巴胺和聚乙烯亚胺来进行功能化。

结论

通过使用聚乙烯亚胺和多巴胺对水铝石纳米管进行功能化，成功合成了磁性碳酸酐酶纳米生物催化剂，实现了碳酸酐酶的共价固定。包括FTIR、XRD和SEM分析在内的表征技术证实了酶在水铝石载体上的有效固定。对生物催化活性的评估表明，该纳米生物催化剂表现出更好的稳定性和催化性能

作者贡献声明

德文德拉·西卢（Devendra Sillu）：撰写初稿、进行研究、进行数据分析、概念构思。瓦雷尼亚姆·阿查尔（Varenyam Achal）：撰写修订稿、进行审稿和编辑、提供监督及协助研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了GCII-Seed基金（202402）以及广州工业大学常州创新研究院和广东省教育厅重点学科基金的财政支持。