基于CYP119的新型光催化体系设计及其降解微污染水体中有机氯的研究

Organochlorine compounds are strongly hydrophobic and bioaccumulated, and they are very dangerous contaminants. Due to their small concentration in water, it is hard to effectively remove them by normal physical and chemical methods. So, it is highly significant to develop green, effective and inexpensive methods for advanced purification and treatment of them. The photocatalytic activity of CYP119 enzyme was evidenced by recent studies, but it is hard to be triggered and has low light utilization efficiency at present. In this project, a novel photocatalytic system based on CYP119 is to be designed. The preparing methods of the catalyst will be investigated in detail to choose the optimal one. By the means of triggering CYP119 enzyme with the photo-oxidation of nano-semiconductor, and the modification of nano-semiconductor with dope to impel CYP119 to utilize visible light, the charaters of the catalyst is to be optimized. The mechanism of cooperative dechlorination was comprehensively deduced by the analysis of the adsorbates on the surface of catalyst, the key materials such as intermediates and products in the catalytic process. This project will provide theoretical and technical support for the advanced purification and treatment of organochlorine compounds in the micro-polluted water by utilizing P450 enzyme.

微污染水体中的有机氯污染物具有强烈的脂溶性和生物累积性，危害巨大，而且由于浓度小，常规的物理法和化学法治理效率不高，因此，寻找绿色、高效、成本较低的深度净化方法意义重大。研究显示CYP119（细胞色素P450 119）酶具有光催化特性，但目前CYP119酶光催化有机氯的反应存在引发难和光能利用率低的问题。本课题拟设计纳米半导体与CYP119酶复合的光催化体系，通过对催化剂制备方法的详细考察，研究最佳的复合方式，通过纳米半导体光氧化激发CYP119酶的研究，以及对纳米半导体掺杂改性促使CYP119酶利用可见光的研究，实现催化剂性能的最优化，通过对催化剂表面吸附物种的结构分析，以及催化反应中间体和反应产物等关键物质信息的分析，综合推导催化剂的协同脱氯机制，为利用P450酶进行微污染水体中有机氯类污染物的深度净化提供理论和技术支撑。

细胞色素P450酶被认为是最有潜力的污染物降解酶之一，广泛地存在于各种生命形式中。其重要的生理功能之一是通过生物催化降低外源性有毒有害物质的毒性，在微污染水体深度净化中具有广阔的应用前景。如果能够充分开发P450酶光催化性能，就可利用简单廉价的光催化体系代替复杂昂贵的辅助酶体系，推动P450酶的实际应用。CYP119酶具有超常的稳定性和耐受性，对应用环境表现出很强的适应性。并且，近年来的研究发现CYP119酶具有光催化特性。因此，CYP119酶是用来研究P450酶光催化性能的理想模型。.本课题主要研究内容如下：1.发明了一种快速低成本纯化CYP119酶的方法。通过简单的热沉淀和盐析，不使用任何亲和树脂，实现快速低成本地纯化CYP119酶。通过该方法方便地获得了大量的CYP119酶，为课题的开展奠定了良好的基础。该方法获得发明专利授权；2. 构建了CYP119/CeO2-TiO2复合光催化体系：以CeO2和TiO2摩尔比为1:3的纳米复合材料为载体，负载CYP119酶，构建复合的光催化体系。该光催化体系表现出很强的光还原性能。以Cr(VI)为探针进行研究，发现该体系可在120min内将2 mol/L的Cr(VI)光还原去除65%；3.构建了CYP119/Fe2+-Phen-TiO2复合光催化体系：首先在TiO2上修饰上邻菲啰啉合铁复合物(Fe2+-Phen)，然后以其为载体，负载CYP119酶。发现当邻菲啰啉与钛酸四丁酯的摩尔比为0.17时，复合体系光催化性能最强。该复合光催化体系可在40min内将10 mg/L的甲基橙几乎完全光催化降解；4. 阐释了基于CYP119酶的复合光催化体系的催化机制：复合体系中，由纳米半导体直接接收光能，产生光生空穴和电子。其中光生空穴转移到CYP119上，氧化其转变为活性中间体compound I直接对底物进行催化作用。同时，纳米半导体产生的光生空穴和电子本身也能直接对底物进行催化作用。其中，~90%的催化效果是由CYP119完成的，~10%的催化效果是由纳米半导体完成的。因此，整个复合体系中，CYP119发挥了重要的作用。.该研究结果，为构建基于CYP119酶的高效复合光催化体系提供了有益的参考，对于开发CYP119酶的光催化性能，乃至整个P450酶家族的光催化性能，都具有积极意义。