聚多巴胺功能化介孔二氧化硅固定化漆酶的界面生物催化去除双酚A和双酚A双(2-乙基己基)醚

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Interfacial biocatalytic removal of BPA and DBP by polydopamine-functionalized mesoporous silica immobilized laccase

　　

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  SiO₂@PDA-Lac实现了以BPA为主的高效去除，并同步削减DBP。
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  PDA涂层的介孔增强了污染物富集与漆酶锚定。
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  SiO₂@PDA-Lac在5次循环和50天储存后仍保持BPA/DBP去除能力。
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  分子对接与GC-MS揭示了竞争性结合与差异化途径。
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  ECOSAR预测表明酶转化后总体毒性降低。

引言

双酚A（BPA）和二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）广泛用于聚碳酸酯塑料、树脂制造和增塑剂生产等工业过程。由于这些化合物并非始终共价结合在聚合物基体中，它们可通过材料渗出、塑料废物迁移和工业排放释放出来。其进入水环境引发了关于内分泌干扰、生态毒性和长期暴露风险的担忧[1]、[2]、[3]。在塑料生产、树脂加工和增塑剂使用相关的废水中，BPA和邻苯二甲酸酯类常源自相似的生产、使用和处置途径，导致它们同时出现并可能同时暴露。已有研究在再生纸废水和塑料容器浸出物中检测到BPA与多种邻苯二甲酸酯类共存[4]、[5]。它们在污水处理厂出水、城市二级出水、垃圾渗滤液和航运废水中的共存也已被报道。在高污染水体中，邻苯二甲酸酯类（PAEs）和BPA的最高浓度在航运废水中分别达到738和957 μg/L，在垃圾渗滤液中分别达到536和2202 μg/L[6]、[7]、[8]。这些共同的来源和共暴露情景表明，评估BPA和DBP的同时去除比分别评估每种污染物更具现实意义。

目前去除共污染物的策略通常包括物理吸附、高级氧化、光催化和微生物降解[9]、[10]、[11]。然而，吸附常受限于有限的容量和材料的再生，而微生物处理通常需要驯化期且对水质波动敏感[12]、[13]。漆酶是一种以分子氧为电子受体的多铜氧化酶，可在温和条件下氧化广泛的酚类和芳香化合物，因此已被广泛探索用于生物催化去除内分泌干扰物和新兴污染物[14]、[15]。BPA是更合适的漆酶底物，因为其酚羟基可发生单电子氧化形成苯氧基自由基，从而促进氧化偶联、主链断裂或进一步转化[16]、[17]、[18]。相反，DBP是一种非酚类邻苯二甲酸酯类，其转化通常更依赖于酯键水解或介体辅助氧化。已有研究还表明，漆酶介体体系可增强DBP的去除[19]、[20]。因此，在BPA/DBP二元体系中，漆酶预计优先转化BPA，而载体介导的富集和吸附也可能有助于DBP的去除。然而，游离漆酶稳定性有限、回收性差和复用性弱，限制了其在水处理中的持续应用。

酶固定化是增强游离酶操作稳定性和复用性的有效策略。合适的载体可减少酶泄漏和构象失活，同时通过其孔隙结构和表面功能基团促进底物富集以及酶-底物接触[21]、[22]、[23]。例如，Ba-藻酸盐固定化漆酶在50 分钟内实现了84.34%的BPA降解[16]，而固定化在多巴胺功能化纤维素纳米纤维/藻酸盐水凝胶上的漆酶可去除超过82%的BPA，并在14次循环后保留79.6%的初始活性[18]。然而，这些体系主要将BPA作为单一目标污染物。目前关于DBP去除的研究主要集中于可溶性漆酶介体体系，在24 小时内去除效率高达98.9%[19]，而对于同时处理BPA和DBP的可重复使用固定化漆酶体系仍研究不足。在可用的载体材料中，介孔SiO₂因其高比表面积、可调孔隙结构、化学稳定性和易于表面改性，是酶固定化颇具前景的无机载体[24]、[25]、[26]。近期研究进一步表明，磁性或功能化介孔二氧化硅可作为漆酶固定化的可回收载体，提高了酶的负载量、稳定性和复用潜力[27]、[28]。Lee等人报道的受贻贝启发的聚多巴胺（PDA）涂层可在多种无机和有机材料上形成均匀稳定的粘附层。其丰富的儿茶酚、醌、胺和芳香结构可通过共价反应、静电吸附、氢键和π-π相互作用参与后续功能化[29]、[30]。在酶固定化中，含PDA或PDA涂层的载体已被用于水凝胶和多糖基生物催化体系，并已被证明通过界面吸附、共价偶联和物理限域影响酶的负载量、活性保留和复用性[31]、[32]。因此，SiO₂@PDA结构有望在微观尺度上构建一个整合了刚性无机多孔骨架、多功能有机涂层和活性酶分子的催化界面。这样的界面可能有助于维持漆酶活性，同时通过局部界面富集促进传质和目标污染物去除。

基于上述考虑，我们开发了一种聚多巴胺功能化介孔二氧化硅固定化漆酶体系（SiO?@PDA-Lac），用于BPA主导的去除以及同步的DBP削减。具体而言，本研究（1）通过平衡初始酶活性和循环稳定性优化固定化条件；（2）表征所得生物催化剂的形貌、孔隙结构和界面化学性质；（3）评估其在单一和二元模型体系中的去除性能、基质耐受性、动力学行为、复用性及储存稳定性；（4）整合分子对接、分子动力学模拟、MM/GBSA分析、GC-MS产物鉴定和ECOSAR毒性预测，研究底物相互作用和可能的转化途径。总体而言，本研究系统评估了SiO?@PDA-Lac在受控模型条件下的性能。

分节摘要

化学试剂

多巴胺、2,2'-偶氮二(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)（ABTS）和淀粉购自Sigma-Aldrich。双酚A（BPA）和二丁基邻苯二甲酸酯（DBP，纯度> 98%）购自Aladdin。漆酶（EC 1.10.3.2，来自Trametes versicolor）购自远叶生物技术公司，使用前于-20 °C储存。其他试剂均为分析纯。

固定化优化界定SiO₂@PDA-Lac的活性-稳定性平衡

固定化条件显著影响SiO₂@PDA-Lac的漆酶活性和稳定性平衡。鉴于固定化时间同时决定活性保留和重复使用过程中对活性损失的抗性，首先通过单因素实验考察之。随着固定化时间从2增加到6 h，SiO₂@PDA-Lac的表观漆酶活性逐渐降低，而循环稳定性则显著提高（图1a、b）。这表明较短的

结论

本研究在受控二元体系条件下开发了一种可重复使用的SiO?@PDA-Lac生物催化体系，用于BPA主导去除和同步DBP削减。基于初始活性和循环稳定性之间的权衡，选择了6 h的固定化时间。在此时间固定后，响应面法（RSM）确定了pH 4.0、25 °C和80 mg/mL漆酶浓度作为最大化相对酶活性的条件。结构表征证实了SiO₂@PDA-Lac的分级组装结构，其中

CRediT作者贡献声明

Ying Zhang：指导、经费获取、构思。Ting Liu：资源。Yunhe Cui：原稿撰写、调查研究、形式分析、构思。Hudong Fan：调查研究、形式分析。Yue Tao：审阅与编辑、调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（42530716）、黑龙江省黑土与水资源研究重点实验室（BSWRH202403）、黑龙江省博士后基金（LBH-Z21040）以及黑龙江省自然科学基金研究团队基金（JJ2025TD0019）的支持。作者还感谢黑龙江省土壤保护与修复重点实验室对本研究提供的资助。

Yunhe Cui|Yue Tao|Hudong Fan|Ting Liu|Ying Zhang