一种基于生物酶催化-类芬顿反应的复合纳米马达的制备及其在水处理中的应用

本发明属于污水处理，具体涉及一种基于生物酶催化-类芬顿反应的复合纳米马达的制备及其在水处理中的应用。

背景技术：

1、随着工业化进程的加快及水环境质量要求的提高，大量工业废水必须经过严格处理才能达标排放。其中，焦化、石油化工、服装行业、制药及食品等行业均会产生大量含有酚类、偶氮类和油等污染物的废水，而废水中的这些污染物因具有毒性、难生物降解等特性，会对生态环境和人体健康带来潜在危害，因此亟需进行高效处理。然而，常规的物理、化学、生物处理技术(如化学沉淀法、吸附法、化学氧化法、膜分离法、活性污泥法等)存在成本高、能耗高、剩余污泥及化学药剂易引起二次污染、占地面积大等问题，导致当前的处理技术并不理想。而小型化、高效化、低能耗、无二次污染是当前污水处理领域技术研发所追求的目标。

2、纳米技术为解决当前的污水处理困境提供了新的解决途径。其中，纳米马达是一种能够将化学能、光能、热能等其他形式的能量转化为自身推动力而实现特殊任务的微纳米尺度机器，也称为微纳米机器人。微纳米马达具有体积小、比表面积大、能够主动运动、并且能够在复杂环境中进行精细操作等优势，使其在生物医学领域(如药物递送、抗菌剂、治疗神经退化)、生物模拟(如生物传感)和环境修复(如污水处理及水质监测)等方面具有良好的应用前景。目前，国内外学者已经制备了多种不同的微纳米马达用于处理污水中不同的污染物，如有机化合物、微塑料、激素、重金属、石油等，由于微纳米马达的自驱动性及高催化性，提高了这些污染物的去除效率。到目前为止，已经报道了多种用于污水处理的微纳米马达，其中大部分微纳米马达实现对污染物的去除是通过外加底物的化学反应进行驱动或通过外场(如磁场、光场、超声波等)进行驱动的。其中利用外场驱动的马达具有较好的定向运动行为，可以在受限条件下进行运动。但是鉴于外场驱动需要外部机器提供磁场、红外光、声场等条件，对使用环境的要求比较苛刻，限制了其应用范围。而利用化学催化反应驱动的马达主要是依靠化学催化反应产生的气泡或者产物浓度梯度作为动力源实现自驱动的，其具有原位降解污染物的能力，避免了使用过程中对仪器设备或者外界环境的依赖，但也存在马达需要外加燃料进行驱动(如外加h2o2)的问题，因为外加的燃料存在会对环境造成二次污染，制备方法比较复杂，降解污染物的种类单一等重要问题。为了解决目前利用微纳米马达降解污染物需要外加燃料、降解污染种类受限等问题，如果能以水中的污染物作为燃料，利用污染物自身催化降解反应引起的浓度梯度及气泡来驱动微纳米马达，即以污染物分解直接作为微纳米马达的驱动力，则有望克服纳米马达驱动需要外加燃料的问题，实现纳米马达驱动和污染物去除的同步进行，为纳米马达技术在污水处理中的应用提供更有利的条件。

3、生物酶是一种环境友好型的高效催化剂，在催化分解污染物的过程中能够产生能量，且具有专一性、反应条件温和、催化效率高、无毒无害等优点，是驱动纳米马达的良好选择，由此可考虑制备能够直接分解污废水中污染物的生物酶来驱动微纳米马达。同时，可以实现酶的纳米固定化，克服天然游离酶容易失活，稳定性差、重复利用率低等问题，且固定化的酶是以纳米马达的形式存在的，在生物酶催化分解污染物的同时，还可以提供动力使马达运动，从而实现酶与污染物的高效接触，提高污染物的去除效率，使整个马达系统无需提供动力来源，节省能耗。目前，纳米马达负载的生物酶多是单一的酶，或者是不同种类的酶，以去除不同的目标污染物，如采用漆酶和脂肪酶联合来分解双酚a和三乙酸甘油酯。但这会造成纳米马达的驱动力有限，且仅依靠生物酶的催化作用实现污染物的去除，去除效率受限，若能采用载体负载级联酶，利用生物酶与底物，载体与生物酶催化中间产物的联合反应来产生梯级的燃料动力来源，则可使纳米马达的驱动力更强，运动效果更明显，更有利于实现稳定的、高效的污染物降解及增强的纳米马达运动行为。

4、鉴于此，有必要开发一种无需外加燃料，且具有良好生物相容性和高催化活性的多级酶自驱动纳米马达来解决上述问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明通过将木质素过氧化物酶、葡萄糖氧化酶和葡萄糖淀粉酶共固定在以磁性fe3o4为核、介孔二氧化硅为壳且经过氨基化改性的纳米粒子上，制得一种三酶级联纳米马达。该纳米马达中的葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木质素过氧化物酶这三种生物酶能产生级联反应，葡萄糖淀粉酶催化淀粉产生葡萄糖、葡萄糖氧化酶利用葡萄糖产生h2o2，木质素过氧化物酶能利用h2o2催化分解污染物，同时内核fe3o4可与h2o2发生类芬顿反应产生羟基自由基实现污染物的分解，两者的联合作用可实现污染物，如偶氮染料等的高效分解去除，同时分解污染物所产生的浓度梯度及气泡可实现该纳米马达的自驱动。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种三酶级联纳米马达的制备方法，即先制备fe3o4纳米粒子并将其改性制成fe3o4@sio2-nh2纳米粒子，然后将葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木质素过氧化物酶这三种级联反应酶负载于fe3o4@sio2-nh2纳米粒子上，得到三酶级联自驱动纳米马达。

4、优选地，将三种级联反应酶负载于fe3o4@sio2-nh2纳米粒子上的方法具体为：先将fe3o4@sio2-nh2纳米粒子分散在溶剂中，再加入戊二醛，室温震荡反应并洗涤和干燥后，再分散在pbs缓冲溶液中，之后加入葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶和木质素过氧化物酶，再经震荡反应后制得得到三酶级联纳米马达。

5、优选地，采用水热法合成fe3o4纳米粒子，并通过四乙氧基硅烷(teos)/3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)对fe3o4纳米粒子进行改性制成fe3o4@sio2-nh2纳米粒子。

6、更优选地，所述葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木质素过氧化物酶的有效活性单位分别为2u/mg、250u/mg、0.1u/mg；所述葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木质素过氧化物酶在震荡反应中的终浓度分别为8-12u/ml、1-2u/ml和0.4-0.6u/ml。

7、更优选地，所述室温震荡反应的时间为5-7h，第二次震荡反应的温度为4℃，时间为10-15h。

8、更优选地，按体积百分数计，所述戊二醛的添加量为4-6％。

9、更优选地，所述fe3o4@sio2-nh2纳米粒子在溶剂中的浓度为0.5-0.7mg/1ml。

10、更优选地，所述溶剂包括(但不限于)乙醇。

11、本发明第二方面提供了采用第一方面所述的制备方法制得的三酶级联纳米马达。

12、本发明通过将木质素过氧化物酶、葡萄糖氧化酶和葡萄糖淀粉酶共固定在以磁性fe3o4为核、介孔二氧化硅为壳且经过氨基化改性的纳米粒子上，借助葡萄糖淀粉酶可将废水中的淀粉转化为葡萄糖，葡萄糖随后被葡萄糖氧化酶催化分解为h2o2，而后木质素过氧化物酶利用h2o2将废水中的偶氮染料进行分解并产生氧气。同时h2o2可与核心fe3o4产生类芬顿反应，在整个反应过程中，h2o2反应产生的氧气以及淀粉、染料降解产生的浓度梯度均可起到驱动力的作用，使得负载酶的纳米材料运动，从而实现了酶级联自驱动磁性纳米马达的成功构建以及污染物的高效去除。

13、本发明第三方面提供了第二方面所述的三酶级联纳米马达在废水处理中的应用，所述废水中含有淀粉，包括(但不限于)含有淀粉的印染废水和制药废水。

14、优选地，所述废水中还含有偶氮染料。

15、优选地，所述偶氮染料包括(但不限于)刚果红。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明通过将葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木质素过氧化物酶这三种级联反应酶负载于以磁性fe3o4为核、介孔二氧化硅为壳且经过氨基化改性的纳米粒子上，构建得到一种三酶级联纳米马达，该纳米马达可通过酶的催化作用及类芬顿反应实现对水中污染物的分解去除，并可利用分解污染物所产生的浓度梯度及气泡实现自驱动，而无需依靠无外界燃料及刺激(声、光、磁等)，在污水处理领域具有重要的应用前景。总体而言，本发明具有以下优点：

18、(1)葡萄糖淀粉酶、葡萄糖氧化酶和木质素过氧化物酶能产生级联反应，其中葡萄糖淀粉酶可催化污水中的淀粉产生葡萄糖，葡萄糖进一步可被葡萄糖氧化酶催化产生h2o2，然后木质素过氧化物酶会利用h2o2并分解污水中的污染物，如偶氮染料等。

19、(2)载体中的fe3o4会和葡萄糖氧化酶催化葡萄糖所产生的h2o2发生类芬顿反应，所产生的羟基自由基可分解矿化水中的污染物。

20、(3)木质素过氧化物酶的生物酶催化和类芬顿反应的化学氧化协同作用可实现对水中污染物的高效去除，相较于单一的生物酶催化或类芬顿反应，该体系的协同作用对污染物的去除效率更高。

21、(4)反应过程中可利用污水中的污染物淀粉分解所产生的h2o2为木质素过氧化物酶和类芬顿反应提供底物h2o2，而不需要人为添加h2o2，可降低成本。

22、(5)驱动纳米马达运动的动力来自于生物酶催化和类芬顿反应分解污染物产生的浓度梯度，以及木质素过氧化物酶利用h2o2时产生的氧气气泡，而不需要外加燃料和外环境刺激。