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          納濾膜包埋雙酶為去除飲用水微污染物構建智能膜系統

          發表日期:2019-06-13 15:51文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

           據膜科學與工程微信公眾平臺2019年6月6日訊 水是生命之泉,是人類賴以生存的重要資源。然而,伴隨著工業化進程,世界各地水源也遭受著不同程度的污染。工業廢水的排放、農藥化肥的施放、藥品和個人護理品的不恰當處理等導致淡水資源污染嚴重,極大的影響了人類健康。盡管水處理技術不斷發展,但水中仍存在一些微量有機污染物(如雙酚A、四環素、雙氯芬酸和多環芳烴等)難以被去除。即使采用納濾或反滲透凈水器,由于微污染物易吸附、溶解和擴散并部分透過聚酰胺納濾或反滲透膜,仍然存在一定安全風險。
            酶催化由于其溫和、高效、環境友好等特點,可用于微污染物的去除。但是酶的活性和穩定性之間存在“trade-off”效應限制了它的實際應用,而對酶所處的微環境進行調控有望打破這一瓶頸。中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室生物膜分離技術與應用課題組提出將兩種酶包埋在納濾膜中,利用納濾膜的分離功能和酶的催化功能,精確地調控酶所處的微環境,使其能夠高效、穩定地去除飲用水中的微污染物。

           

          納濾膜包埋雙酶為去除飲用水微污染物構建智能膜系統


            如上圖所示,納濾膜內的葡萄糖氧化酶可以降解穿透納濾膜的葡萄糖生成葡萄糖酸和過氧化氫,前者可以降低過氧化物酶的微環境pH值(自來水通常pH為中性,不利于過氧化物酶的活性),后者為過氧化物酶提供底物(氧源)。這種級聯反應為精確調控過氧化物酶微環境提供了可能。并且通過簡單的共包埋技術(逆向過濾和仿生涂層封裝)可以降低兩種酶之間的傳質阻力,增加其穩定性,從而制備出新型生物催化納濾膜。
            我們可以利用納濾膜的分離功能,即時和精確地調控進入級聯催化區域的第一個反應底物的濃度(葡萄糖),來控制過氧化物酶的微環境,同時提高其催化活性和穩定性。那么通過在水中加入極低濃度的葡萄糖就能誘發膜內的級聯反應,使微污染物如雙酚A(BPA)落入這個精心設計的“甜蜜陷阱”。其背后的科學問題是通過調控葡萄糖在過濾時的對流和擴散作用,進而控制膜內催化區域的微環境pH值和過氧化氫濃度,最終實現水中BPA的高效穩定去除。該生物催化膜連續運行10小時或者間歇操作7天后,BPA的單次過濾去除率仍大于80%,這是目前文獻報道的酶催化去除BPA最為穩定的結果。
            該研究不僅提出了一種精確控制酶催化反應的新方法,還有望構建一個自動化智能膜系統,實現水中微污染物的穩定去除。

           

          納濾膜包埋雙酶為去除飲用水微污染物構建智能膜系統


            該研究得到北京自然科學基金(2192053)和中國科學院青年促進創新計劃(2017069)的資金支持。相關研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/ acsami. 9b05371。

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