染料废水因其具有色度高、产量大、毒性强、生物降解困难等特点,成为工业废水处理的难点。目前,染料废水的处理方法有物理(吸附法、膜分离法等)、化学(氧化法、电化学法等)及生物方法(藻类降解、活性污泥法等),然而这些方法普遍存在成本高、能耗大、反应条件严苛及可能产生二次污染等问题。利用生物酶降解技术处理染料废水具有脱色率高、能耗低、产物无毒等优点,展现出良好的应用前景。
漆酶(苯二醇:氧化还原酶,EC1.10.3.2)是一种含铜的多酚氧化酶,存在于细菌、真菌、昆虫和植物中。按来源分为植物漆酶、动物漆酶和微生物漆酶,微生物漆酶又分为真菌漆酶和细菌漆酶。漆酶因具有催化底物范围广、效率高、无有害副产物等特点,使其在染料脱色、酚类物质降解及生物传感器等领域得到广泛应用。在染料废水处理方面,漆酶对300多种常用染料的试验表明,近70%的染料可被其氧化。但在处理过程中存在稳定性差、对pH和温度变化敏感且难以回收重复使用等问题,加之提取与纯化成本较高,限制了其实际的应用。固定化技术作为解决这些问题的有效手段,通过吸附、包埋或共价结合等方法将漆酶固定于载体,且固定化后对污染物的降解效率也得到提高。
根据结合力的不同,吸附法分为物理吸附法和离子吸附法。物理吸附法是依靠氢键、疏水作用和范德华力等相互作用使酶吸附到不溶于水的载体表面,不会破坏酶的天然构象,具有工艺简单、适用范围广、条件温和、对酶结构影响小等优点。常用载体包括高岭石、硅藻土、活性炭、纤维素及多孔玻璃等。XiaofengWEN等将高岭石作为载体固定化漆酶,漆酶负载量为12.25mg/g,酶活性达到839.01U/g。漆酶固定化后其重复利用性也会提高。例如,利用改性ZSM-5分子筛固定化漆酶,循环使用10次后仍保持初始酶活性的69.2%。
离子吸附法是依靠漆酶与具有离子交换基团的非水溶性载体之间的静电作用实现固定化。常用载体主要是阴阳离子交换剂。例如,T.BRUGNARI等将漆酶固定在单氨基乙基-n-氨基乙基-琼脂糖上,在pH为8.0条件下可显著提升漆酶的稳定性,储存40d后仍可保留约80%的活性。还有研究者将漆酶固定在铜(Ⅱ)或锰(Ⅱ)离子螯合磁性Fe3O4@CTS微球上,漆酶负载量约为100mg/g,在55℃、储存14d或重复使用5次后,均能保留约60%的酶活性,表现出优良的稳定性和重复使用性能。然而由于吸附法主要依赖物理或静电作用固定酶分子,导致结合力较弱,易出现酶脱落现象,固定化效率随使用次数逐渐下降。
金属纳米材料作为纳米材料的一个重要分支,运用较多的金属粒子有Au、Cu、Zn及Ti等。相较于传统载体,金属纳米粒子更易与酶分子发生界面相互作用,在提升酶活性与环境适应性方面表现出显著优势。SijieGUO等将漆酶固定在Au纳米粒子表面,使其活性相比游离态漆酶提高91.2%。然而Au纳米粒子的局部表面等离子体共振效应易引发构象变化,从而影响长期催化效率。相比之下,铜纳米粒子因其良好的导电性和生物相容性,显示出更大的应用潜力。将纳米铜掺入聚丙烯腈/聚偏氟乙烯电纺丝纤维膜中固定化漆酶,不仅拓宽了酶的pH与温度适应范围,还显著提升了对染料污染物的去除效果。
与传统染料废水处理方法相比,固定化漆酶技术具有反应条件温和、脱色效率高和环境友好等优势。相较于游离态漆酶,其在热稳定性、pH耐受性和重复使用等性能方面具有明显提升,显著增强了在复杂染料废水环境中的适应性与处理效果,并在一定程度上降低了酶的使用成本。然而,该技术在实际应用中仍面临一些挑战,未来研究应从以下几方面着手:
1)漆酶产量受限于提取与纯化过程,未来可通过筛选高产漆酶菌株、优化培养条件及适当添加诱导剂来提高漆酶产量与活性;同时改进漆酶的纯化技术,如采用透析、超滤、电泳、等电点沉淀等方法,提升纯化效率,从而有效降低总体成本。
2)漆酶固定化过程中,由于载体的存在使得底物扩散受阻,可能导致酶活性降低。未来应优化载体材料及固定化工艺,以最大限度保持或提升酶的活性。同时,也可通过基因工程技术,如定点突变或基因重组,从酶本身出发对其结构进行优化,提升其在固定化状态下的活性与稳定性。
3)固定化漆酶在碱性环境中活性受限,制约其在碱性染料废水处理中的应用。对此,可引入碱性稳定性强的酶源、开发适应碱性环境的载体系统或联合介体体系以促进电子传递效率,从而提升其在碱性环境中的催化性能和处理效果。
