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【科研进展】纳滤膜内暗藏双酶 之 “甜蜜的陷阱”

[作者:生化室   来源: 本站原创   发布时间:2019-06-06   ]

水是生命之泉,是人类赖以生存的重要资源。然而,伴随着工业化进程,世界各地水源也遭受着不同程度的污染。工业废水的排放、农药化肥的施放、药品和个人护理品的不恰当处理导致淡水资源污染严重,极大的影响了人类健康。尽管水处理技术不断发展,但水中仍存在一系列微量有机污染物(如双酚A四环素、双氯芬酸和多环芳烃等)难以被去除。即使采用配备了纳滤和反渗透膜的家用终端净水器,由于微污染物易吸附、溶解和扩散并部分透过这类聚酰胺膜,仍然存在一定安全风险。

酶催化由于其温和、高效、环境友好等特点,可用于微污染物的去除。但是酶的活性和稳定性之间存在“trade-off”效应限制了它的实际应用,而对酶所处的微环境进行调控有望打破这一瓶颈。中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室生物膜分离技术与应用课题组提出将两种酶包埋在纳滤膜中,利用纳滤膜的分离功能和酶的催化功能,精确地调控酶所处的微环境,使其能够高效、稳定地去除饮用水中的微污染物。

如下图所示,纳滤膜内的葡萄糖氧化酶可以降解穿透纳滤膜的葡萄糖生成葡萄糖酸和过氧化氢,前者可以降低过氧化物酶的微环境pH值(自来水通常pH为中性,不利于过氧化物酶的活性),后者为过氧化物酶提供底物(氧源)。这种级联反应为精确调控过氧化物酶微环境提供了可能。并且通过简单的共包埋技术(逆向过滤和仿生涂层封装)可以降低两种酶之间的传质阻力,增加其稳定性,制备出新型生物催化纳滤膜。

我们可以利用纳滤膜的分离功能,即时和精确地调控进入级联催化区域的第一个反应底物的浓度(葡萄糖),来控制过氧化物酶的微环境,同时提高其催化活性和稳定性。那么通过在水中加入极低浓度的葡萄糖就能诱发膜内的级联反应,使微污染物如双酚ABPA)落入这个精心设计的甜蜜陷阱。其背后的科学问题是通过调控葡萄糖在过滤时的对流和扩散作用,进而控制膜内催化区域的微环境pH值和过氧化氢浓度,最终实现水中BPA的高效稳定去除。该生物催化膜连续运行10小时或者间歇操作7天后,BPA的单次过滤去除率仍大于80%,这是目前文献报道的酶催化去除BPA最为稳定的结果。 

该研究不仅提出了一种精确控制酶催化反应的新方法,还有望构建了一个自动化智能膜系统,实现水中微污染物的稳定去除。

该研究得到北京自然科学基金(2192053)和中国科学院青年促进创新计划(2017069)的资金支持。相关研究成果《Enzymatic Cascade Catalysis in a Nanofiltration Membrane: Engineering the Microenvironment by Synergism of Separation and Reaction》已在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.9b05371


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