协同作用的Cu-MOF/氧化石墨烯/聚己内酯混合结构用于漆酶固定及双酚A的生物修复

《Biomass and Bioenergy》：Synergistic Cu-MOF/graphene oxide/polycaprolactone hybrid architecture for laccase immobilization and bioremediation of bisphenol A

开发了一种Cu-MOF/GO/PCL三元复合材料作为漆酶共价固定载体，显著提升BPA降解效率至92%，并保持64%的重复使用稳定性。XRD、SEM等表征证实材料结构稳定，pH耐受性和热稳定性优于游离酶。

　　

阿卜杜拉·N·阿洛塔伊比（Abdullah N. Alotaibi）| 拉万·阿尔塔尔希（Rawan Altalhi）| 阿卜杜拉·阿尔-达希尔（Abdullah Al-Dakhil）| 海亚姆·A·阿尔瓦布西（Hayam A. Alwabsi）| 易卜拉欣·O·阿尔托拜蒂（Ibrahim O. Althobaiti）| 雷达·M·埃尔-希什塔维（Reda M. El-Shishtawy）| 哈梅德·阿尔苏菲亚尼（Hamed Alsufyani）| 亚塞尔·Q·阿尔穆莱基（Yaaser Q. Almulaiky）

沙特阿拉伯利雅得，邮政信箱90950，伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University，IMSIU）化学系

摘要

开发了一种新型的Cu-MOF/GO/PCL三元复合材料，作为共价固定漆酶（laccase）的坚固载体，并评估了其在水介质中对双酚A（BPA）的降解性能。该混合载体通过整合基于铜的金属有机框架（Cu-MOF）、氧化石墨烯（GO）和聚己内酯（PCL）制成，随后用戊二醛进行活化以固定酶。所得生物催化剂实现了86%的高固定效率，表明酶的附着非常有效。通过XRD、FTIR、SEM、BET和ζ电位等手段对结构及物理化学性质进行了表征，证实了混合多孔结构的成功形成以及复合体和酶负载后Cu-MOF框架的稳定性。固定过程仅对酶的动力学性能产生了轻微影响：Km从3.24 μM增加到3.50 μM，Vmax从0.022 μmol min?1降低到0.018 μmol min?1；同时与游离漆酶相比，显著提高了pH耐受性、热稳定性和储存稳定性。在BPA降解实验中，固定化的系统在6小时内实现了约92%的去除率，而游离漆酶在同一条件下仅去除64%的BPA。降解过程遵循伪一级动力学，固定化酶的速率常数是游离酶的两倍。此外，该生物催化剂在经过五次重复使用后仍保持了64%的初始降解效率，显示出其在废水处理应用中的良好操作稳定性。

引言

新兴污染物（ECs）的持续积累，特别是像双酚A（BPA）这样的内分泌干扰化学物质以及包括双氯芬酸（Diclofenac，DCF）在内的药物残留物，已成为全球环境问题的主要来源，这归因于它们的持续排放、在生态系统中的长期存在和生物累积行为[1,2]。这些污染物经常在地表水和废水中被检测到，而传统的处理设施往往无法完全将其矿化，导致降解不完全并产生潜在有害的副产物[3,4]。目前的BPA去除策略包括物理吸附[5]、生物或酶促降解[6]以及基于化学氧化的方法，如高级氧化和光催化[7]。尽管吸附方法简单快捷，但它主要将BPA从水相转移到固相；而基于氧化的方法可能面临能耗高、催化剂不稳定以及中间产物生成的问题。因此，在温和条件下开发高效且可持续的BPA降解催化系统仍然非常必要。

在绿色修复方法中，漆酶（EC 1.10.3.2）因其能够利用分子氧作为最终电子受体来氧化多种酚类和非酚类化合物而受到广泛关注[8,9]。然而，游离漆酶的实际应用受到其结构稳定性差、对环境条件敏感、不可回收以及在工业操作中重复使用能力有限的限制[10]。因此，评估BPA降解（生物）催化剂的性能时，不仅应考虑去除效率，还应考虑反应时间、催化剂负载量、动力学行为、重复使用性、储存和操作稳定性、抗酶泄漏能力，以及在可能的情况下，还需考虑副产物的识别和毒性评估[11]。

酶的固定已成为提高催化稳定性和重复使用性的有效策略[12]。在现有的平台上，金属有机框架（MOFs）因其高表面积、有序的孔隙结构和可调的功能性而受到关注，这些特性有助于高效地负载酶[13]。基于铜的MOFs（Cu-MOFs）特别适合用于漆酶的固定，因为Cu2?节点与酶的铜活性位点之间的潜在相互作用可能影响电子转移[14]。然而，原始的MOFs通常表现出水解不稳定性、机械强度有限、酶负载后孔隙堵塞以及在水中可能发生金属离子渗出，从而降低长期催化性能[15,16]。这些挑战需要通过结构强化来保持重复使用过程中的框架完整性。

为了解决这些问题，开发了基于MOF的复合结构以改善结构稳定性和功能多样性。氧化石墨烯（GO）具有较高的机械强度和丰富的含氧功能基团（如羟基、羧基、环氧基），可作为增强界面相互作用、促进酶的共价附着、改善结构分散性和减少混合框架内聚集的理想增强基质[15,17]。类似地，可生物降解的聚合物如聚己内酯（PCL）可作为稳定剂，提高机械柔韧性、疏水平衡和生物相容性[18,19]。虽然像MOF/GO或MOF/聚合物这样的二元系统在某些性能上有所改进，但它们通常需要在结构稳定性、孔隙保持性、底物扩散性和长期催化可及性之间进行权衡。因此，像合理设计的Cu-MOF/GO/PCL三元复合结构这样的多组分混合载体越来越受到关注，因为它们将Cu-MOF的多孔支架（具有高表面积和酶锚定的配位位点）、GO的机械增强和功能化（以改善附着）以及PCL在提高结构凝聚力和调节酶微环境方面的互补优势整合到了一个平台上。与二元MOF基系统相比，这种三元组合在酶负载能力、结构耐久性、底物可及性和催化稳定性方面提供了更优的平衡，为污染物降解提供了更高效的生物催化平台。

尽管取得了这些进展，但在设计能够提供层次结构稳定性同时保持底物扩散性和催化效率的多组分固定化平台方面仍存在关键差距，尤其是在降解顽固污染物（如BPA和DCF）时[12],[13],[14],[15],[16]。大多数报道的系统侧重于稳定性的提升，但对传质限制、酶-载体相互作用以及固定化后的动力学性能保持关注较少。特别是，Cu-MOF/GO/PCL三元配置对酶-载体相互作用、催化微环境调节和污染物降解性能的协同效应尚未进行系统研究[18],[19],[20]。这一限制继续阻碍了高性能、面向应用的生物催化系统的发展。

本策略的科学依据在于各组分的互补作用。多孔Cu-MOF为酶负载提供了高表面积的支架，并可能通过协调作用辅助稳定[9,10]。GO提供了机械增强和反应性表面基团，用于共价功能化，从而减少酶的泄漏并提高结构凝聚力[15,18]。PCL改善了机械完整性并调节了局部微环境，有助于在操作压力下保持酶的构象[19]。此外，戊二醛活化使酶的氨基与载体表面的功能基团发生共价交联，从而提高固定稳定性和重复使用性[12]。总体而言，这种集成设计有望减少扩散限制，增强酶的保留，并在工作条件下保持催化耐久性。

在这项工作中，我们报道了一种新型Cu-MOF/GO/PCL三元复合材料的合理设计和制备，用于漆酶的共价固定，这是首次系统性地研究这种三组分结构在BPA降解中的应用。据我们所知，此前没有研究探索过这三种材料在单一生物催化平台中的协同整合所带来的综合结构增强、微环境调节和催化性能提升。因此，本研究的目的是通过控制分散和热处理过程合成这种三元复合材料，全面表征其结构和纹理特性，评估其固定效率，并在新兴污染物降解中评估其催化性能、稳定性和重复使用性。研究结果旨在建立一个结构耐用且环境可持续的生物催化系统，适用于先进的废水处理应用。

材料与方法

二甲基甲酰胺（DMF，≥99.8%，无水）、硝酸铜三水合物（Cu(NO?)?·3H?O，≥99%）、均苯三酸（TMA，1,3,5-苯三甲酸，99%）、戊二醛溶液（50% w/v in H?O）、2,2-偶氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS，≥98%）、4-氨基安替比林（4-AAP，≥98%）、双酚A（BPA，≥99%）、来自Trametes versicolor的漆酶（粉末，浅棕色，≥0.5 U mg?1，CAS编号80498-15-3）、三甲胺（无水，≥99%）、硫酸（H?SO?，95–98%）、磷酸（H?PO?）

结果与讨论

固定实验表明，Cu-MOF/GO/PCL复合材料的固定效率达到了86%，表明漆酶在混合载体上的附着非常有效。这一数值高于之前报道的多个固定系统。例如，在最佳酶负载条件下，固定在功能化氧化石墨烯（fGO）上的漆酶的最大固定效率为64.6%，而更高的酶浓度会导致空间位阻增加，从而降低固定效率

结论

成功制备并应用了一种新型Cu-MOF/GO/PCL混合载体，用于漆酶的共价固定，从而开发出一种高效的BPA降解生物催化剂。该复合材料为酶的负载提供了有利的微环境，实现了86%的高固定效率，同时保持了Cu-MOF框架的结构完整性。物理化学分析证实了载体组分的成功整合和酶的有效附着。

CRediT作者贡献声明

阿卜杜拉·N·阿洛塔伊比（Abdullah N. Alotaibi）：概念设计、数据管理、正式分析、资金获取。 拉万·阿尔塔尔希（Rawan Altalhi）：正式分析、研究、方法学。 阿卜杜拉·阿尔-达希尔（Abdullah Al-Dakhil）：项目管理、资源协调、软件支持。 海亚姆·A·阿尔瓦布西（Hayam A. Alwabsi）：正式分析、验证、初稿撰写。 易卜拉欣·O·阿尔托拜蒂（Ibrahim O. Althobaiti）：概念设计、软件使用、初稿撰写。 雷达·M·埃尔-希什塔维（Reda M. El-Shishtawy）：研究、方法学、验证、初稿撰写。 哈梅德·阿尔苏菲亚尼（Hamed Alsufyani）：数据管理、正式流程协调。

致谢

本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究院的支持和资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2602）。