专利名称：一种采用聚乳酸纤维膜固定化复合酶技术对富营养化水污染治理的方法
技术领域：
本发明属于水污染控制技术领域，具体为一种用于处理富营养化污染水体的固定化复合酶活性纤维膜制备和使用方法。
背景技术：
水环境保护是我国的一项基本国策。城市河湖水系是城市环境系统的重要组成部分，但近年来，我国的城市水系连年发生不同程度的水华，城市河湖中生长的大量水藻，给城市的生态环境和声誉带来了不良影响。水华预防和治理是保护城乡环境的重要措施，国 家“十一五”计划纲要也明确提出了环境综合治理和富营养化污染水体控制是建设社会主义和谐社会的一项重要议程。在河湖水体污染中，富营养化是最普遍、危害最大的水环境问题之一。据统计，我国目前60%以上的湖泊、水库处于富营养化水平，其中重富营养和超富营养的占20%，因此，富营养化已成为我国河湖水资源保护面临的一个重大水环境问题。引起水体富营养化的原因很大程度上归因于农业面源污染物(如氮、磷等营养型污染物)。据北京城市生态研究表明，近年来北京城市水系，包括城市湖泊和河流中，氮磷污染程度不断加剧。据有关研究分析，导致湖泊和地表水中富营养化的氮、磷主要来自于陆地生态系统的输入。大多数湖泊中氮、磷负荷有50%以上多来自农业的非点源污染，部分来自城市生活系统的输入。由于水体富营养化污染的严重性，其治理方法受到了大量研究机构的重视。虽然已发展了多种水体富营养化治理方法，但受限于成本高、二次污染严重等问题，特别是化学品可能对水环境自我恢复功能造成不可逆的严重破坏，使得能真正用于现场原位修复的方法很少。因此寻找经济、高效、环境友好的控制水体富营养化污染的方法仍然是相关研究领域最热门的课题之一。各种处理方式中，生物修复被认为是安全有效，符合可持续发展的绿色修复方式。近年来，国内外利用生物酶技术处理废水已取得一定的进展。在水体修复方面，酶可邦公司研制的MicroPan Aqua含有脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等生物酶以及多种可用于水处理的微生物，对富营养化水体治理具有较好效果。但该种酶制剂对环境敏感、容易失活，且无法回收，直接限制了其实际使用的经济性。固定化酶的研究和应用是实现酶重复使用和稳定性改善的有效手段。近年对酶的固定化进行了较广泛的研究，采用的固定化载体包括硅胶、活性炭、玻璃珠、壳聚糖等多种材料。酶经固定化后，既可达到生物催化效果，又可以实现酶的重复利用，降低酶纯化的成本，方便酶与反应物的分离。但现有的酶固定化材料在实际使用中还不同程度存在缺陷。如以硅胶、活性炭等无机材料作为固定化载体，存在与水体分离、表面与所固定化的酶键合不紧密等缺陷；而壳聚糖等则存在加工复杂、性质不稳定等缺陷。此外现有的固定化材料制备工艺繁琐、使用方法复杂，须借助一定支撑材料，无法原位应用。高压静电纺丝聚乳酸纤维可用于酶固定化载体。该技术是一种应用高压电场使带电荷的高分子溶液在静电场中流动或变形，然后由于溶剂蒸发或熔体冷却而固化，最终产生直径数十纳米到几十微米的纤维的过程。电纺纤维膜具有比表面积大、孔隙率高和吸附性能强等优点，是一种潜在的酶固定化基质。将其作为固定化酶的载体，有利于酶与底物充分接触，能有效提高酶的催化效率，且容易从反应体系中分离回收。聚乳酸(PLA)是近年来世界上研究最活跃的生物可降解高分子材料之一，在自然界中可逐渐完全降解为二氧化碳和水，作为固定化漆酶载体，具有良好的生物相容性，并不会对环境造成二次污染。以静电纺丝技术制备聚乳酸纳米纤维可以快速高效地获得大面积的可用于酶负载的活性功能材料。以该技术制备所得的载酶纳米纤维膜，具有比表面积大、酶活性高、催化性能稳定、使用寿命长、较少受环境因素干扰等优点，可望用于大规模水体富营养化污染的原位修复。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于处理水体富营养化污染的具有高催化活性、大比表面积、可回收的多酶负载纳米纤维膜的制备方法和使用方法。该纤维膜兼顾酶催化的高效性和纳米纤维的可回收性，故具有更好的实际应用化前景。本发明是通过采用以下的技术方案来实现上述发明目的的本发明提供的多酶固定化纳米纤维膜是以具有疏水表面的高分子量聚乳酸为载体，将包括a-淀粉酶、激素敏感性脂肪酶、木瓜蛋白酶、真菌纤维素酶、真菌漆酶、大豆脲酶在内的多种混合酶通过吸附和交联固定在该载体上。该纤维膜用于水体富营养化修复的实施方法具体包括纺丝溶液的制备与水体修复两部分。为实现污染水体的原位处理，多酶固定化过程与水体修复过程同时进行，具体步骤包括I)将一定量聚乳酸颗粒溶于二氯甲烷中，加入亲水性嵌段共聚体表面活性剂，均匀混合后搅拌获得聚乳酸/嵌段共聚物混合凝胶。2)称取一定量和比例的a-淀粉酶、激素敏感性脂肪酶、木瓜蛋白酶、真菌纤维素酶、真菌漆酶、大豆脲酶溶于PH值为6. 9的磷酸缓冲溶液，剧烈搅拌至完全溶解；3)将步骤I)和步骤2)中所得的二氯甲烷溶液和水溶液混合，剧烈搅拌，充分混合后获得纺丝前驱体悬浊液，置于冰箱内备用；4)高压静电纺丝设备由高压电源、喷丝头组成，电源正极与喷丝头连接，负极与待修复水体用导线连接；将3)中所得纺丝前驱体悬浊液引入到高压静电纺丝装置中；调解电源电压喷丝头与水面间距，获得稳定连续的喷射。5)喷射一定时间后，将水面上漂浮着电纺丝酶膜的待修复水体置于阳光下曝晒，定时采样分析以评估该系统对富营养化污染水体的修复能力。本发明中所述的高分子聚合物聚乳酸为外消旋、粘均分子量约为10万；步骤I)中所述的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物P123，其分子式为PE020-PP070-PE020，分子量为5800克/摩尔，P123的用量为聚乳酸质量的5 %。本发明的方法中，a-淀粉酶、激素敏感性脂肪酶、木瓜蛋白酶、真菌纤维素酶、真菌漆酶、大豆脲酶由上海楷洋生物技术公司提供，均为精制级。本发明的优点在于本发明利用静电纺丝技术将多种具有富营养化污染水体修复能力的酶催化剂直接共固定于电纺纤维膜中，从而解决了游离酶易流失、稳定性差、不能回收利用等问题。而且，将此负载多酶体系的电纺纳米纤维膜应用于富营养化污染水体方面具有闻效、便捷、稳定、无~■次污染的优点。
图I为聚乳酸电纺纤维固定化多酶催化剂的扫描电子显微镜图像；图2为在使用本发明的聚乳酸电纺纤维固定化多酶催化剂修复富营养化污染水体的过程中，其各项水质指标随处理时间的变化。具体实施方法实施例I
称取25克聚乳酸颗粒溶于20毫升二氯甲烷中，加入0. 5克亲水性嵌段共聚体表面活性剂P123，均匀混合后搅拌获得聚乳酸/嵌段共聚物混合凝胶。称取质量比为1.0 : 15 : 7.0 : 4.5 : 0.25 : 8. 8的a -淀粉酶、激素敏感性脂肪酶、木瓜蛋白酶、真菌纤维素酶、真菌漆酶、大豆脲酶，总计500毫克溶于2毫升pH值为6. 9的磷酸缓冲溶液，剧烈搅拌至完全溶解，与聚乳酸/嵌段共聚物混合凝胶相混合，激烈搅拌引入纺丝装置待纺。目标修复水体样采自北京北三环某公园内人工湖泊，采样点位于湖岸3米，水深
0.5米处，采样体积5升，其水质指标为总氮3. 8毫克/升；总磷0. 20毫克/升；C0D42. 69毫克/升；叶绿素66. 57微克/升；溶解氧5. 28毫克/升；透明度23厘米。将上述水样置于模拟湖泊环境的实验室水池(30厘米X30厘米X30厘米)中。将电纺装置置于水池上方，调解高压电源电压为15千伏，喷丝头和水面间距10厘米，获得稳定连续的喷射流。10分钟后待纤维膜达到一定厚度，停止纺丝。该样品纺丝产品在氮气吸附脱附比表面积孔分布测定仪上(SSA-4000系列全自动孔隙及比表面分析仪，北京彼奥德电子技术有限公司)进行比表面积测定，其比表面积为46. 2平方米/克。在(JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜，日本电子公司)扫描电子显微镜下进行纤维形貌表征，其纤维平均直径50 220纳米，纤维直径分布均匀，表面光滑。经投加水质修复固定化酶膜后，将模拟水池置于强烈日照下，以实现富营养化污染物的光照分解和低沸点有机物的挥发，并提高水温促进酶催化效果。处理一定时间后，水质逐渐好转。5小时后，水质中总氮、总磷、COD和溶解氧的浓度分别变化至2. 98,0. 15、40. 15,6. 17毫克/升；10小时后，上述四项指标变化为2. 54,0. 02,36. 26,6. 66毫克/升；24小时后，最终水质指标为总氣I. 95晕克/升；总憐0. 04晕克/升；C0D 15. 19晕克/升；叶绿素8. 89微克/升；溶解氧8. 12毫克/升；透明度53厘米。
权利要求
1.一种以多酶体系负载电纺丝纳米纤维膜修复富营养化污染水体的方法，其特征在于负载多酶体系的电纺丝纤维膜及其使用过程为称取25克聚乳酸颗粒溶于20毫升二氯甲烷中，加入0. 5克亲水性嵌段共聚体表面活性剂P123，搅拌均匀混合后获得聚乳酸/嵌段共聚物混合凝胶，称取总质量为500毫克的a -淀粉酶、激素敏感性脂肪酶、木瓜蛋白酶、真菌纤维素酶、真菌漆酶、大豆脲酶，溶于2毫升pH值为6. 9的磷酸缓冲溶液，剧烈搅拌至完全溶解，与聚乳酸/嵌段共聚物混合凝胶相混合，激烈搅拌引入纺丝装置待纺，采取污染水样置于模拟湖泊环境的实验室水池(30厘米X30厘米X30厘米)中，将电纺装置置于水池上方，调解高压电源电压为15千伏，喷丝头和水面间距10厘米，获得稳定连续的喷射流，10分钟后待纤维膜达到一定厚度，停止纺丝，开始在日光照射下进行富营养化污染水体修复工作。
2.如权利要求I中所述的方法，其特征在于其中载体的合成步骤中所述的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物为P123，其分子式为PE020-PP070-PE020，分子量为5800克/摩尔。
3.如权利要求I中所述的方法，其特征在于P123的用量为聚乳酸质量的2%。
4.如权利要求I中所述的方法，其特征在于固定化所用的多酶体系中，各种酶的质量比例为a-淀粉酶激素敏感性脂肪酶木瓜蛋白酶真菌纤维素酶真菌漆酶大豆脲酶=1.0 : 15 : 7. 0 : 4. 5 : 0. 25 : 8. 8。
全文摘要
本发明涉及一种用于治理富营养化污染水体的多酶固定化电纺纤维膜。利用静电纺丝技术可以将具有分解造成水体富营养化污染的多种有机物分解的多酶体系，包括α-淀粉酶、激素敏感性脂肪酶、木瓜蛋白酶、真菌纤维素酶、真菌漆酶、大豆脲酶等固定于聚乳酸电纺纤维膜中，并直接覆盖于受富营养化污染的水体表面，催化降解多种含氨氮有机物，以达到降低水体中富营养化污染之目的。该负载多酶体系的电纺纤维膜能够迅速、便捷、及时地的清除水体中典型的富营养化污染物，快速恢复水质。相比其它的富营养化污染防治技术，多酶固定化电纺纤维膜效率高、性能好，可望用于城市中度或重度富营养化污染水体的修复工作或水产养殖领域。
文档编号B01D71/74GK102716684SQ20121023304
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者丁士元, 代云容, 包月平, 殷立峰, 沈珍瑶, 牛军峰 申请人:北京师范大学