光驱动强化漆酶_介体系统对木质素及其模型化合物的降解研究.pdf

中文摘要 摘 要 漆酶（laccase ，EC 1.10.3.2 ）是一类含铜的多酚氧化酶（polyphenol oxidase ）， 由于其自身氧化还原电势较低只能催化氧化一些酚类化合物，而在小分子介体存 在下，漆酶/介体系统（laccase-mediator system ，LMS ）提高了漆酶的底物特异性， 可部分氧化高氧化还原电势的化合物和不能直接进入漆酶活性中心的聚合物。目 前，漆酶/介体系统应用广泛，在脱木素、纸浆漂白、染料脱色和生物修复等领域 表现出优异的催化性能。本论文研究了漆酶/介体系统（LMS ）对木质素及其模型 化合物的降解效能，不仅对酚型化合物愈创木酚和非酚型化合物藜芦醇的氧化条 件进行了优化，还探索了介体（ABTS 、HBT 、ACE ）、离子液体和碳基材料（石 墨烯、碳纳米管、氧化石墨烯）对LMS 体系降解藜芦醇及木质素的影响。本文还 研究了不同的光敏反应（光激发敏化染料亚甲基蓝和光激发光合色素叶绿素）对 木质素及其模型化合物的降解效果，探究了光生活性氧物质（单线态氧、羟基自 由基和超氧负离子）针对不同底物的作用。最后研究了光驱动强化漆酶/介体系统 降解木质素的影响，并深入探究了光驱动叶绿素的强化机理。本论文主要研究内 容和成果如下： （1）单独漆酶能够实现酚型木质素化合物愈创木酚的高效转化，漆酶浓度为 0.5 U/mL 时，反应最佳pH 值为5.5，反应2h 愈创木酚转化率可达84%左右。漆 酶/介体（LMS ）系统降解非酚型木质素模型化合物藜芦醇和木质素的最优反应条 件为：漆酶终浓度0.5 U/mL，介体ABTS 终浓度5.0 μΜ，反应pH 值为5.5，反应 24h 后藜芦醇的转化率可达到44%左右，木质素的转化率可达56%左右。 （2 ）结合三种介体对藜芦醇和木质素降解效果和介体的电化学分析，介体 ABTS 表现出最高的催化活性，HBT 的催化活性次之，ACE 的催化活性最低。含 量15%的离子液体1- 乙基-3- 甲基咪唑硫酸乙酯盐( ［EMIM ］EtOSO )在LMS 体系 3 中对木质素表现出最佳的催化活性。对比三种碳基材料对LMS 体系中木质素降解 效果分析，石墨烯的催化活性最高，碳纳米管的催化活性次之，氧化石墨烯的催 化活性最低。 （3 ）可见光激发亚甲基蓝降解酚型化合物愈创木酚过程中，当亚甲基蓝浓度 为16.6 μM 时对愈创木酚的降解率最高，4h 可达到85%。这主要是由于光激发产 生的活性氧物质--单线态氧对愈创木酚表现出较高的催化活性，而超氧自由基的作 用次之，羟基自由基贡献最小。光激发叶绿素降解非酚型化合物藜芦醇过程中， 在全波长辐射下，溶液pH 值为7.0 ，叶绿素浓度为1.66 μM 时对藜芦醇的转化率 最高，4h 可达到68.7% 。这主要是由于光激发产生的活性氧物质--超氧自由基对藜 I 重庆大学硕士学位论文 芦醇表现出较高的催化活性，而单线态氧的作用次之，羟基自由基贡献最小。 （4 ）光激发光合色素叶绿素降解藜芦醇反应的机理是叶绿素作为光敏剂参与 光化学反应。光激发叶绿素，使其在激发态下将电子转移到藜芦醇分子上形成中 间自由基，光敏剂含有一个空穴与氧气发生反应生成超氧自由基作用于氧化中间 体，从而得到氧化产物藜芦醛；而激发态叶绿素被还原，参与新的激发循环过程。 （5 ）光敏反应对木质素降解均无较大作用，当亚甲基蓝浓度为16.6 μM 时反 应4h 其转化率仅达到 14.8%，而在光激发叶绿素过程中其转化率更低。主要是光 激发产生的单线态氧对木质素表现出一定的催化活性，而超氧自由基和羟基自由 基的贡献几乎为零。 （6 ）亚甲基蓝和叶绿素在黑暗条件下都不能作为氧化还原介体在LMS 体系 中发挥作用；在光激发体系中，亚甲基蓝作为特殊介体与ABTS 竞争漆酶的活性 中心，导致对木质素的氧化效率大大降低。而光激发叶绿素强化了漆酶-ABTS 对 木质素的氧化能力，木质素的转化率明显提高了2 倍，反应4h 后转化率达