金属有机骨架固定化酶的方法及其在水处理中的应用

TECHNOLOGY APPLICATION | 後术应用
I
金属有机骨架固定化酶的方法及其在水处理中的应用
罗小丽彭婧杨雨鑫高家乐
(南京工业大学，江苏南京210000)
摘要：金属有机骨架材料（M O F s )由于其独特的性质，如孔径可调节、孔隙率高、比表面枳大和易于修饰等，是新型理想的酶 固定化载体。

文章阐述了近年来金属有机骨架（M O F s )固定化酶的部分研究进展，包括M O F s 固定化酶的方法，以及M O F s -酶 复合物在废水处理中的发展和应用前景。

关键词：金属有机骨架；酶：固定化；水处理 文献标识码:A
中图分类号:X 703
文章编号：2096-4137 (2021) -06-147-02
D O I ： 10.13535/j .cnki .10-1507/n .2021.06.69
Immobilization of enzyme on metal organic frameworks and its application in water treatment
L U O Xiaoli , P E N G Jing , Y A N G Y u x i n , G A O Jiale
(Nanjing University of Technology, Nanjing 210000, China)
Abstract : Metal organic f r a m eworks (M O F s
) have b e c o m e an ideal carrier for e n z y m e immobilization du e to their unique properties ,
such as adjustable pore size , high porosity , large specific surface area a nd easy modification . In this paper , s o m e research progress on immobilization of e n z y m e s b y metal organic frameworks (M O F s
) in recent years w a s reviewed , including the m e t h o d s of immobilizing
e n z y m e s b y M O F s , a nd the development a nd application prospects o
f M O F s e n z y m e complexes in wastewater treatment .K e y w o r d s : metal organic f r a m e w o r k ; e n z y m e ; immobilization ; water treatment
酶是一种生物催化剂，具有催化效率高、无害无毒等显 著特点，但酶在工业应用中经常受到作用环境要求高，难以 回收并利用，因此如何对裸露的酶进行固定化是目前解决上 述问题的重要研宄方向之一。

目前，酶的固定化是提高酶稳定性的有效手段，金属有 机骨架材料（M O F s )己被广泛用于水解酶和氧化还原酶等 的固定化。

本文阐述了 M O F s 固定酶的4种方法和优缺点， 以及酶-M O F s 复合物在废水处理中的应用现状。

1
酶在M O F s 上的固定化方法
1.1表面吸附
M O F s
固定化酶最常用的方法之一是表面吸附法，因为
利用吸附作用原理来制备酶-M O F s 的条件温和并且操作方 法简单方便。

表面吸附法是指M O F s 的配体与蛋白质游离 的氨基、羧基，在疏水作用、范德华力和电荷作用力等多作 用下形成酶-M O F s 复合物，或是带正电荷的M O F s 金属簇 与带负电的蛋白质。

K i m 等对P O S T -66 (Y )进行整理，以 水为溶剂，制备了一种载体材料，使得这种载体材料具有微 孔和介孔双极孔结构，将H R P 固定在介孔P O S T -66 (Y ) 内，固定化酶在游离的H R P 中比二甲基亚砜有机溶剂中具 有更差的稳定性，多次使用以后可使固定化酶相对活性保持 在90%以上。

M O F s 的孔径大小和表面化学键对表面吸附 法的研宄实验并没有特别影响，因此表面吸附法适用于多种
M O F s
,该法对酶的结构影响较小，能够最大化地保持酶的 活性，并且M O F s 较大的比表面积可以实现较高的载酶量。

但酶与M O F s 之间形成的结合力相对弱，容易导致酶-M O F s
复合物性能不稳定。

1.2共价结合
共价结合法是通过酶或者M O F s 表面游离的氨基和羧基
之间形成酰胺键，也可以是以戊二醛作为交联剂，通过氨基 和醛基之间发生的席夫碱反应来达到酶在M O F s 上的固定 效果。

酶-M O F s 复合物之间形成的酰胺键往往需要经过羧 酸活化分子对羧基进行活化，使之加快反应进程。

Professor
C h e n 等以戊二醛作为交联剂，通过醛基和利用硫酸铵沉淀
得到的猪胰脂肪酶（P P L )氨基之间发生的席夫碱反应，一 方面达到了猪胰脂肪酶（P P L )在U i O -66-N H 2表面的共价 固定的目的，并通过实验测量得出其固载率为98.31 m g /g , 另一方面提高了 P P L 在实验中的储存稳定性和可重复使用 性。

酶与M O F s 之间通过共价键发生偶联作用，一方面提 高了酶结构的刚性，增加再循环利用性；另一方面，共价结 合固定增大了酶与底物的接触面积；再者共价键的合力与物 理吸附相比，共价键的合力更强，使得酶的稳定性更高。

但 是，共价结合过程相对复杂，成本较高并且固定过程中酶表 面的一些官能团可能会因此被破坏，从而使得官能团失活， 影响酶的催化效果。

1.3孔道包埋
因为可以合理设计和调节来改变M O F s 的多孔结构， 孔道包埋法利用这一优点通过扩散作用原理可将酶固定到
M O F s
上。

通常孔道包埋法操作简单快捷，只需在酶溶液中
加入M O F s 搅拌使其混合。

但这种方法对酶分子体积大小 选择性较强，酶分子大小必须小于M O F s 结构孔径的大小。

2021年第6期 •中国高新科技147
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大尺寸的酶无法进入微孔（<2n m)M O F s,致使梅分子只 吸附固定在M O F s的表面，使得酶分子无法包埋于M O F s 内部。

因此，在实验中采用孔道包埋法固定化酶时一般选 择介孔（2~50n m)M O F s作为载体。

为此，Lykourinou V 等研宄了介孔M O F s固定化酶分子的方法，研宄并制备了 T V m e s o M O F。

这种M O F s可以固定M P-11(体积为3.3 n m x l.7n m x i.i n m)。

在水溶液中游离的M P-11容易发生 团聚，从而失去活性，因此固定化M P-11在实验中展现出 更好的活性和重复利用性。

与表面吸附法相比较，酶通过扩 散作用进入孔道后由于受到了额外的保护，可以减少自身发 生的团聚，提高了酶的稳定性。

1.4原位合成
原位合成法是通过酶溶液、有机配体和金属离子的共同 沉淀作用来达到生物酶固定的目的，因此原位合成法不受 酶分子大小的影响，是实验中常用的一种快速且有效的固定 方法之一。

操作过程通常是在含有金属离子前体和有机配 体的混合液中将酶加入，经过离心分离、洗涤和干燥后，得到酶-M O F s的复合产物。

合成过程中，可以将尺寸大于 M O F s孔或通道的酶分子包埋到M O F s中。

但由于受到酶的 变性条件的影响，原位合成法通常只能适用于在温和条件下 进行实验，如室温、水溶剂等环境温和的地方进行实验。

时 至今日，合成条件较温和的Z I F s系列M O F s (尤其是Z I F-8)作为固定化酶的载体一直是实验中原位合成法的选择。

2 M O F s固定化酶在废水处理中的应用
近年来，污水处理引起外界广泛的关注，废水中的污染 物难以降解。

酶是一种极为高效的生物催化剂，其通过降低 活化能，经常被用于废水污水中的有机污染物的处理，但裸 露酶的催化性能极易受污水的复杂成分影响而失效。

因此，M O F s固定化酶（M O F s-酶复合物）为此提供了一种解决方法。

J i a Y T等用介孔的M O F-M I L-53 (A I)固定化漆酶，通过实验研宄可得，在120 m i n内去除的5-氯-2-(或2,4- 二氯苯氧基）苯酚的去除率可达99.24%。

M e h t a J等则使用 U i O-66<N H2固定有机磷酸水解酶来降解废水污水中的有机 磷农药。

酶在复杂废水污水环境中由于M O F s固定化酶的增 强，使之增强了稳定性，可以有效提高回收率和循环利用率，使得酶在废水污水处理领域中的处理效率有效提高，发挥出
更大的作用。

3结语
M O F s是一种具有巨大潜力的酶固定化载体，在生活中
还需要更多的研宄与发现。

M O F s依靠着自身优越的性质和
独特的结构，结合文中所提到的4种固定化方法，使得酶
的稳定性和循环利用性得到有效的改善和提高，并推动了
M O F s-酶复合物在多个领域的应用。

目前，M O F s固定化酶
技术主要停留在实验室研宄阶段，实际中的大规模应用仍然
是一个巨大的挑战。

基金项目：2020年南京工业大学“大学生创新创业与实践
开放基金”项目（项目编号：2020D C0194)。

作者简介：罗小丽（1998-),女，广西百色人，南京工业大学，
研究方向：给排水科学与工程。

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(责任编辑：周羿廷）
148 •中国卨新H技2021年第6期。