[发明专利]一种咔唑降解催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明属于生物催化技术领域，公开了一种咔唑降解催化剂、制备方法及应用，在过硫酸钾引发下，将天然多糖海藻酸钠[(C₆H₇NaO₆)_n]接枝聚合甲基丙烯酸缩水甘油酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯形成复合物溶胶，复合物溶胶分散氧化还原介体在质量百分浓度为4％～10％CaCl₂水溶液中进行交联，获得直径约为3mm的微球。在温和条件下包埋介体的复合材料微球上的活性环氧基团与漆酶分子产生共价结合使其固定化获得微球催化剂。本发明提供的微球生物催化剂对咔唑具有很强的降解活性，且可回收重复使用。催化剂制备的原料为工业品，价廉易得，工艺过程简捷，因而具有较高应用及市场价值。

技术领域

本发明属于生物催化技术领域，尤其涉及一种咔唑降解催化剂、制备方法及应用。

背景技术

目前，煤化工、造纸、印染、农药等行业的工业废水中含有大量的难降解有机物，如氮杂环有机物、酚类化合物以及多环芳香烃等，自然界固有的微生物很难甚至无法将其分解矿化，造成在水体、土壤等自然介质中长期存留和积累。这些难降解有机物通过食物链进入生物体后逐渐富集，对生物体细胞产生不可逆的改变，诱导产生致癌、致畸、致突变，导致一系列环境问题的产生，对环境、生态系统和人体健康构成了严重的威胁。工业废水产生量大、成份复杂、毒害性大，是我国水环境的主要污染源之一。因此难降解有机物去除一直受到许多研究者的关注。咔唑含有吡咯环，分子本身结构稳定，是三元非碱性氮杂环芳烃化合物，微溶于水，溶于乙醇、乙醚等多种有机溶剂，是一种常见的有毒污染物。目前报道去除咔唑的电催化氧化和物理吸附法，投入成本高、操作条件苛刻、能耗大、处理容量低，在工业上难以得到应用。生物处理技术成本低、二次污染轻、环境相容性好，适宜于工业化应用。然而，传统生物水处理技术以自然生物活性污泥微生物对氮杂环芳烃化合物进行好氧及厌氧处理，降解效率低下。因此，设计开发高效去除氮杂环芳烃化合物的固定化酶催化剂具有现实意义。

漆酶(EC 1.10.3.2)是一种氧化还原酶，属于蓝多铜氧化酶家族，其以单体糖蛋白的形式广泛存在于真菌和植物及昆虫中。由于漆酶在催化氧化底物过程中水中的氧分子作为氧化剂，氧分子接受电子被还原为水分子，过程中不产生其它有害物，从本质上讲，因此是一种绿色环保的生物催化剂。漆酶作为催化剂，用于酚类化合物催化聚合、生物传感器检测、木质素降解、土壤中污染物(如除草剂、杀虫剂等)清理、染料脱色以及废水中有机物降解等过程，均呈现出独特的优势。然而，由于漆酶的氧化还原电势较低(≤0.8V)，不能直接氧化大多数非酚类底物，因此，需要加入氧化还原介体协同漆酶完成催化反应。介体是低分子量、低氧化还原电势的有机化合物，如2,2-联氨-(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)(ASTS)、1-羟基苯并三唑(HBT)和2,2,6,6-四甲基呱啶氧化物(TEMPO)等，介体分子在漆酶的作用下形成活性高的自由基中间体而使底物氧化。目前研究开发的漆酶-氧化还原介体催化体系，大多数是直接使用游离态漆酶和溶解状态的介体，导致在实际应用中存在严重的缺陷和不足。一方面游离态漆酶水溶性强、稳定性差且难以回收再利用，造成使用成本高，严重制约了其推广应用；另一方面，漆酶-氧化还原介体催化体系中常用的ABTS和HBT等介体，价格高、毒性大，溶解状态的介体无法回收和重复使用，进一步增加了应用成本和对环境的危害性。因此，迫切需要研究开发漆酶-介体共固定化技术和经济、高效和安全的固体生物催化剂，应用于水处理中使毒性强的咔唑氮杂环芳烃得到有效降解。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有的去除咔唑的电催化氧化和物理吸附法，投入成本高、操作条件苛刻、能耗大、处理容量低，在工业上难以得到应用。

(2)传统的生物处理技术以自然生物活性污泥微生物对氮杂环芳烃化合物进行好氧及厌氧处理，降解效率低下。

(3)现有的漆酶-氧化还原介体催化体系中，大多数是直接使用游离态漆酶和溶解状态的介体，但是游离态漆酶水溶性强、稳定性差且难以回收再利用，造成使用成本高，严重制约了其推广应用。