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我国印染废水排放量占纺织工业废水排放量的80%,已成为污水排放量较大的行业之一[1]。大部分纺织染料具有复杂的化学结构和高化学稳定性,因此其生物可降解性比较低。多数染料(三苯甲烷类、靛蓝类、偶氮类、蒽醌类等)及其中间代谢产物具有毒性和致癌性,对水体和周边生态环境影响巨大,对人类的生命健康产生威胁和隐患[2-3]。传统的物化方法降解效率较低且成本高,易造成二次污染[4-5]。而利用微生物和酶对染料废水进行处理则具有较高的安全性,因此成为染料废水处理技术的研究热点[6]。
漆酶( Laccase, EC 1.10.3.2 )是一种多酚氧化酶。漆酶广泛存在于真菌和植物中[7],一般含4个铜离子,负责传递电子行使催化功能。漆酶一般具有较高的氧化还原能力,能氧化多种底物,如:木质素、胺类化合物、芳香化合物等[8]。漆酶的氧化反应的唯一副产物是水,因此被称为绿色催化剂[9-12]。漆酶有比较宽泛的底物谱、无有毒副产物,这些特点使其在食品、造纸、纺织、合成化学环境修复及纳米生物技术等领域均具有较好的应用前景[13-16]。研究者对多种不同来源的漆酶及其酶学特性进行了比较,并利用漆酶对不同结构的染料进行脱色实验,取得了比较好的脱色效果。COUTO等[17]用Trametes hirsuta漆酶对6种偶氮染料进行脱色实验,其中4种染料在反应4 h后的脱色率达到50%。ZHANG等[18]将Trametes versicolor来源的漆酶Lac进行聚乙烯亚胺修饰获得LacPG酶,具有高稳定性和催化性能。该酶在介体HOBT的协同作用下,对偶氮染料酸性橙7的脱色率比未经修饰的Lac高3倍。CAMARERO等[19]评估了Pycnoporus cinnabarinus来源的漆酶协同44种小分子介体对5类不同分子结构的染料的脱色能力,发现木质素降解衍生物丁香醛和乙酰丁香酮具有与合成介体相当的辅助漆酶染料脱色的能力。余昭琴等[20]采用杂色云芝菌发酵产生漆酶,并试用该漆酶对溴酚蓝染料进行脱色实验,其脱色率在反应4 h可达94.5%。谭小珊等[21]将含有漆酶的刺芹侧耳粗酶液对典型偶氮染料甲基橙进行脱色实验,28 h后的脱色率达到90%。马倩倩等[22]研究了漆酶对中性红、刚果红、碱性品红、甲基橙、孔雀石绿、次甲基蓝、茜素红7种染料进行脱色,该漆酶对其中5种染料脱色率均达到80%以上。
本研究将Moniliophthora roreri来源的漆酶Mrl2用毕赤酵母进行异源表达,检测其活性并对Mrl2的酶学性质进行了研究,考察了该漆酶-介体体系对5类11种广泛应用染料的脱色作用[23-25],以期为漆酶在染料污水处理方面的应用提供参考。
漆酶-介体系统对多种不同结构染料的脱色效果
Decolorization of dyes with different structures by laccase-mediator system
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摘要: 为研究漆酶在染料废水处理方面的潜力,选用毕赤酵母表达的担子菌Moniliophthora roreri来源的漆酶Mrl2,与小分子介体(1-羟基苯并三唑、藜芦醇、对香豆酸、N-羟基邻苯二甲酰亚胺) 协同,用于对5类不同结构和类型的染料(偶氮类、三苯甲烷类、蒽醌类、靛蓝类、吩噻嗪类)的脱色效果研究。结果表明:在小分子介体1-羟基苯并三唑(HOBT)的帮助下,漆酶对属于偶氮类、三苯甲烷类、蒽醌类、靛蓝类的9种染料脱色率均能达到95%以上;对结构更复杂的杂环吩噻嗪类染料天青I的脱色效率均较低,在最佳介体对香豆酸辅助下可达40%的脱色率。进一步对天青I染料脱色体系优化发现,在pH为6.0、对香豆酸浓度为2 mmol·L−1、漆酶浓度为125 U·L−1时,Mrl2对天青I的脱色率可达到81%。以上结果表明该重组漆酶在染料废水处理和环境保护等方面具有较好的应用价值和前景。Abstract: For studying the potential of laccase in dye wastewater treatment, laccase Mrl2 from Moniliophthora roreri expressed by Pichia pastoris cooperating with different small molecule mediators (HOBT, resveratrol, p-coumaric acid, NOP) was employed to decolorize five different types of dyes (azo, triphenylmethane, anthraquinone, indigo, phenothiazine) in this study. The results showed that with the help of small molecule mediator HOBT, Mrl2 could achieve more than 95% decolorization rate for nine dyes respectively belonging to azo, triphenylmethane, anthraquinone and indigo. For the more complex heterocyclic phenothiazine dye azure I, the decolorization efficiency was low, the highest decolorization rate was only up to 40% with the aid of the best mediator of p-coumaric acid. Through further optimization of the reaction system for the azure I decolorization, it was found that at pH 6.0, 2 mmol·L−1 p-coumaric acid and 125 U·L−1 laccase, the decolorization rate of the azure I catalyzed by Mrl2 reached 81%. The above results indicated that the recombinant laccase Mrl2 has a good application potential and prospect in dye wastewater treatment and the environmental protection.
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Key words:
- laccase /
- dye decolorization /
- mediator /
- Pichia pastoris
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表 1 染料名称及其最大吸收波长
Table 1. Dye name and its maximum absorption wavelength
名称 相对分子质量 波长/nm 染料类型 刚果红 696.7 434 偶氮类 活性黑5 991.82 596 偶氮类 活性艳蓝KN-R 626.54 608 蒽醌类 苯酚红 354.38 434 三苯甲烷类 考马斯亮蓝(R250) 825.97 562 三苯甲烷类 结晶紫 407.98 584 三苯甲烷类 溴酚蓝 670.0 590 三苯甲烷类 亮蓝R 825.97 556 三苯甲烷类 靛蓝 262.26 676 靛蓝类 靛蓝胭脂红 466.35 610 靛蓝类 天青I 305.83 598 吩噻嗪类 表 2 4种小分子介体的名称及结构
Table 2. Names and structures of four small molecular mediators
品名 简称 相对分子质量 N-羟基邻苯二甲酰亚胺 NOP 163.13 1-羟基苯并三唑 HOBT 135.12 藜芦醇 VA 168.19 对香豆酸 p-CA 164.16 -
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