基金项目:国家自然科学基金(31671795); 福建省引导性项目(2016Y0059); 海洋生物酶工程创新服务平台项目(2014FJPT02); 福州大学贵重仪器设备开放测试基金(2017T027)
通信作者:T09136@fzu.edu.cn
(1.福州大学福建省海洋酶工程重点实验室,福建 福州 350116; 2.同济大学长江水环境教育部重点实验室,上海 200092)
(1.Fujian Key Laboratory of Marine Enzyme Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China; 2.Key Laboratory of Yangtze River Water Environment,Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)
laccase; Remazol Brilliant Blue R; decolorization; response surface method; infrared spectrometry; thin layer chromatography
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201707010
漆酶是一种含铜的多酚氧化酶,在环境污染治理等领域具有广阔的应用前景.采用齿毛菌(Cerrena unicolor)漆酶对蒽醌染料活性亮蓝(Remazol Brilliant Blue R,RBBR)进行催化脱色.在单因素试验的基础上,应用中心组合设计(central composite design,CCD)建立4因素3水平的响应面法分析模型,得到齿毛菌漆酶对RBBR脱色的最佳条件:漆酶浓度2.24 U/mL,染料质量浓度123.83 mg/L,pH 4.52,脱色时间38.30 min,预测理论脱色率为99.82%.RBBR在最佳脱色条件下的实际脱色率为(98.42±1.39)%.影响脱色效果的因素主次顺序为:pH>酶浓度>脱色时间>染料质量浓度.红外光谱和薄层色谱分析发现齿毛菌漆酶处理后RBBR的结构发生改变,其中的C—N键发生断裂,证明该漆酶确实催化了RBBR的降解.齿毛菌漆酶对RBBR脱色反应的米氏常数Km值为(134.82 ±3.05)mg/L,不需要氧化还原介体就可以对RBBR进行高效脱色,在染料脱色和生物修复方面具有实际应用价值.
Laccases are members of a family of copper-containing polyphenol oxidases and have wide applications in bioremediation.In this study,catalytic decolorization of Remazol Brilliant Blue R(RBBR)by Cerrena unicolor laccase was investigated.Based on the single factor experiments,the central composite design(CCD)was used to establish the four-factor three-level response surface method analysis model,and the optimum conditions of laccase-mediated RBBR decolorization were as follows:2.24 U/mL laccase,123.83 mg/L RBBR,pH 4.52,and 38.30 min.The predicted and observed decolorization rates were 99.82% and(98.42±1.39)%,respectively,under the optimal conditions.Influences of the factors on the decolorization efficiency were pH> laccase concentration> decolorization time> dye concentration.The infrared spectrometry and thin layer chromatography analyses showed that the structure of RBBR changed due to the laccase treatment.Specifically,the C—N bond in RBBR was broken upon laccase treatment,corroborating that the laccase catalyzed RBBR degradation.The Km value of the C. unicolor laccase towards RBBR was(134.82±3.05)mg/L,as indicated by the kinetic study,and efficiently decolorized RBBR in the absence of a redox mediator,showing promise in dye decolorization and bioremediation.
染料广泛应用于印染、化妆品、食品等行业,据统计已用于商业的染料种类超过105种,根据其化学结构可分为偶氮类、蒽醌类、靛类、三苯甲烷类和杂环类等[1].目前,我国每年生产的染料高达上百万吨,其中10%~20%的染料会直接随废水排入环境中.染料废水具有降解难、色度高、染料结构差异大、毒性高等特点,不仅污染环境,而且可能对人和其他生物造成致毒、致癌、致突变的严重影响[2].目前染料废水处理技术主要有物理法、化学法、生物法等.物理法和化学法的效率低、能耗大、成本高且容易形成毒性更强的副产物; 与之相比,生物法因具有成本低、效率高且能避免二次污染的优点,被越来越多地应用于染料废水的处理[3].
漆酶是一种含铜的多酚氧化酶,广泛分布于高等植物和真菌中,因其催化反应只需要氧气且最终副产物只有水,被认为是绿色催化剂.漆酶有较广泛的底物催化范围,在纺织、造纸、制药、化妆品、生物修复等领域应用广泛,其中在纺织和造纸业中被应用于染料废水的脱色.漆酶的来源是影响其脱色率最重要的因素,例如:Osma等[4]采用绒毛栓菌(Trametes pubescens)漆酶对活性亮蓝(Remazol Brilliant Blue R,RBBR)染料脱色42 h,脱色率为44%; 而Lu等[5]采用血红密孔菌(Pycnoporus sanguineus)漆酶对RBBR脱色2 h,脱色率即可达94%.此外,介体和酶的固定化也影响漆酶的脱色效果,小分子介体可以拓宽漆酶的氧化底物范围,提高脱色率,但在染料脱色处理中存在脱色时间长、脱色率不高的问题,若添加介体会使成本升高,且容易使漆酶失活,还可能具有毒性[6],在一定程度上制约了漆酶的实际应用.因此,筛选高效降解染料的菌种显得尤为重要.
RBBR是一种蒽醌类染料,由于其着色效果好、色牢度高且可作为前体物质合成许多染料,在纺织和印染工业中应用广泛,但因其有毒且难降解,被认为是有机污染物的代表[7].本实验室前期通过选育得到一株齿毛菌(Cerrena unicolor)菌株HYB07,其具有漆酶产量高、底物范围广、催化活力强、稳定性好等优点,最适pH为3.0,常温下反应能保持较高酶活力[8].本研究利用HYB07菌株制备的漆酶对RBBR进行脱色,以RBBR染料脱色率为响应值,在单因素试验的基础上采用响应面法优化脱色条件[9],并通过红外光谱和薄层色谱分析验证RBBR的降解效果,以期为漆酶在染料脱色中的应用提供理论支持.
齿毛菌HYB07菌株由福建省海洋酶工程重点实验室筛选保存.马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基按照《微生物学实验》中的方法[10]配制.种子培养基配方与PDA固体培养基相同,但不添加琼脂.液体产酶培养基(1 L):糊精60 g,蛋白胨15 g,酒石酸铵2 g,KH2PO4 6.0 g,MgSO4·7H2O 4.2 g,CaCl2 0.3 g,NaCl 0.2 g,CuSO4·5H2O 62.5 mg,ZnSO4·7H2O 18.0 mg,维生素B1 15.0 mg.
RBBR和2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)购于美国Sigma公司,乙腈(色谱纯)、无水乙酸钠、冰乙酸、糊精、蛋白胨、琼脂等(均为分析纯)试剂购买于国药化学试剂有限公司.
取斜面保藏的齿毛菌HYB07菌株接种于PDA平板,30 ℃恒温培养3~4 d.菌株活化后,接种于液体种子培养基,30 ℃恒温摇瓶培养2 d,制成一级种子液; 然后将一级种子液以6%(体积分数,下同)的接种量接入二级种子培养基中,30 ℃恒温摇瓶培养2 d; 再将二级种子液以6%的接种量接入液体产酶培养基中,30 ℃恒温摇瓶发酵6 d.12 000 r/min室温离心分离菌丝体和发酵液,上清液即为粗酶液,置于4 ℃冰箱保存备用.
漆酶活力测定[5]以ABTS为底物,反应体系2.0 mL,其中含0.975 mL 0.1 mol/L乙酸-乙酸钠缓冲液(pH 3.0)、1.0 mL 0.5 mol/L ABTS溶液和25 μL粗酶液.30 ℃恒温水浴反应,测定前5 min内ABTS在420 nm(ε420=36 000 L/(mol·cm))处吸光度的增加值.以热灭活10 min的粗酶液作为空白对照.每分钟催化氧化1 μmol ABTS所需的酶量定义为1个酶活力单位(U).蛋白含量测定采用Bradford法,并绘制牛血清白蛋白标准曲线[8],测得漆酶比活力为629.8 U/mg.实验均设置3组平行样品,并进行均方差分析.
采用全波长酶标仪(Multiskan GO,Thermo Scientific公司)在波长200~1 000 nm范围内对RBBR溶液进行全波长扫描,确定最大吸收波长为574 nm,并测定脱色前后574 nm处的吸光度A0和A1,计算脱色率R(%):R=(1-A1/A0)×100%.
利用单因素试验分别对pH(3.0~7.0)、酶浓度(0.1~5 U/mL)、染料质量浓度(50~800 mg/L)、脱色时间(10~60 min)进行优化.缓冲液采用甘氨酸-盐酸缓冲液(pH 3.0)和磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液(pH 4.0~7.0).基于单因素试验优化的结果,采用Design Expert v8.0.6软件的中心组合设计(central composite design,CCD)建立4因素3水平的响应面法分析模型,确定漆酶对RBBR脱色的最佳条件.以脱色率为响应值,酶浓度、染料质量浓度、pH和脱色时间为自变量,每个自变量均选择3个水平:酶浓度选择0.8,1.5,2.2 U/mL; 染料质量浓度选择100,150,200 mg/L; pH选择4.0,5.0,6.0; 脱色时间选择20,30,40 min.
配制不同质量浓度(20~2 000 mg/L)的RBBR染料,以pH 4.5的磷酸氢二钠-柠檬酸为缓冲液,酶浓度为1 U/mL,脱色10 min后测定脱色率; 利用GraphPad Prism v5.0软件进行非线性回归分析,计算漆酶反应的米氏常数Km和最大速率Vm.实验进行3次重复.
将在最佳条件下脱色的RBBR混合液样品和加入灭活漆酶处理的RBBR样品进行冷冻干燥,取2 mg冷冻干燥后的固体,加入200 mg KBr,混匀,在玛瑙研钵中研磨、压片; 用傅里叶红外光谱仪(360智能型,美国尼高丽仪器有限公司)先对纯KBr薄片进行背景扫描,再对样品的薄片进行扫描,得到红外光谱图; 比较红外光谱图,分析RBBR经漆酶催化脱色后的化学键断裂情况.
在硅胶薄层层析点样板上,将在最佳条件下脱色的RBBR混合液样品和加入灭活漆酶处理的RBBR样品进行上样; 在扩展槽内加入适量展样剂,放入硅胶点样板,加盖密封展样,展样剂为V(正丁醇):V(乙酸):V(水)=3:1:1; 当样品完全展开后,取出晾干,放入装有碘晶体的密闭容器中显影,以判断RBBR脱色处理后是否产生了新物质.
通过单因素优化试验(图1),得到齿毛菌HYB07菌株所产漆酶对RBBR脱色的最佳条件为:pH 5.0,酶浓度3 U/mL,染料质量浓度100 mg/L,脱色时间30 min.温度对酶的催化活性也有较大影响,但前期研究中发现该漆酶在室温下可保持较高的催化活性,故本研究中未对温度进行优化.
在单因素优化试验基础上,采用Design Expert v8.0.6软件用-1,0,1对酶浓度(X1)、染料质量浓度(X2)、pH(X3)和脱色时间(X4)这4个因素编码,脱色率(Y)为响应值.通过CCD对4个因素进行优化,再对试验结果进行多元回归拟合,得到脱色率的回归模型方程为:
Y=86.10+12.90X1-2.54X2-13.49X3+
7.40X4+0.63X1X2+0.83X1X3+
1.46X1X4+3.81X2X3+1.16X2X4+
14.13X32-4.66X32.
回归模型方程的方差分析结果见表1.回归模型的F值为41.04,p<0.000 1,表明所得模型差异极显著; 模型误差失拟p=0.143 8>0.05,说明该模型失拟不显著,即该二次方程能够较好地拟合真实水平,可靠性较高; 模型的一次项中X1、X3、X4差异极显著,X2X3交互项差异显著,二次项中X12、X32、X42差异极显著,X22差异显著.模型的决定系数和校正决定系数分别为95.81%和92.04%,说明该模型精确性较高.因此,该模型可用于RBBR脱色率的预测.
各因素的F值可以用来评价该因素对试验指标影响的显著程度,F值越大表示该因素的影响越显著.如表1所示,F(X1)=140.82,F(X2)=5.48,F(X3)=154.16,F(X4)=46.35,由此综合分析可知,在所选取的因素水平范围内,各因素对脱色率的影响由大到小依次为:pH>酶浓度>脱色时间>染料质量浓度.
根据二次回归方程绘制响应面图和等高线图,可得到最佳参数及各参数间的相互作用.响应面曲线可用于解释变量间的交互作用并确定达到最高脱色率时每个变量的最优水平.响应面曲面的坡度可反映该因素对RBBR脱色率影响的强弱程度.每个响应面表示当其中1个变量处于最佳水平时,另外2个独立变量之间的相互作用.等高线图中同一椭圆曲线上染料的脱色率是相同的,染料脱色率在椭圆形的中心值最高,并由中心向边缘逐渐降低.同时等高线的形状可反映交互效应的强弱,椭圆形表示2个因素交互作用明显,圆形表示交互作用不明显.本研究选定4个主要因素,优化可以得到4个因素两两之间交互的6个响应面图(图2)和相应的等高线图(图3).
图2 不同因素交互作用对RBBR脱色率影响的响应面图
Fig.2 Response surface plots of the interactive effects of different factors on RBBR decolorization
图3 不同因素交互作用对RBBR脱色率影响的等高线图
Fig.3 Contour line plots of the interactive effect of different factors on RBBR decolorization
图2(a)和(b)所示的两因素交互作用最小,在选定的pH和染料质量浓度范围内,RBBR脱色率呈现先升高后降低的趋势,存在极大值; 而RBBR脱色率随酶浓度的增加而增大.同时由对应的等高线图(图3(a)和(b))可见,pH对应的等高线变化趋势较染料质量浓度的陡峭,因此推测pH对RBBR脱色率的影响比染料质量浓度大.图3(a)显示酶浓度与染料质量浓度的等高线近似于圆形,表明酶浓度与染料质量浓度的交互效应不明显; 而由图3(d)可以看出,染料质量浓度与pH的等高线呈椭圆形,且中心点角度大,表明两因素的交互效应明显.
分析得到最大响应值时,X1~X4对应的编码值分别为1.055,0.523,-0.480,0.830,与其相对应的理论预测最佳脱色条件为:酶浓度2.24 U/mL,染料质量浓度123.83 mg/L,pH 4.52,脱色时间38.30 min,预测最佳脱色率可达99.82%.为检验响应面法的可靠性,采用上述最佳脱色条件进行实验,并考虑到实际操作条件的简化,将最佳脱色条件修正为:酶浓度2.2 U/mL,染料质量浓度124 mg/L,pH 4.5,脱色时间38 min.在此条件下进行3次实验,得到脱色率为(98.42±1.39)%,与理论预测值差异不显著,说明用响应面法优化漆酶对RBBR脱色的条件具有可行性.
目前在国内外报道的漆酶对RBBR脱色降解的研究中,降解体系大致分为酶、酶-介体(laccase-mediator system,LMS)和固定化酶3种.在LMS的处理中,Sathishkumar等[11]应用Pleulrotus florida漆酶对RBBR脱色,添加介体1-羟基苯并三唑(HBT)处理的脱色率是纯酶处理的1.56倍; 类似地,Soares等[12]研究表明,商业漆酶CLF只有添加介体才能对RBBR脱色.在不添加介体的报道中,Mechichi等[13]研究显示添加0.1 mmol/L HBT并不能提高毛栓菌(T. trogii)漆酶对RBBR的脱色率; Khlifi等[14]认为变色栓菌(T. versicolor)漆酶可以单独对RBBR进行脱色而不需要介体.在固定化酶处理中,Kunamneni等[15]采用嗜热丝孢杆菌(Myceliophthom thermo-phila)漆酶,在固定化和添加HBT的情况下,对RBBR脱色24 h的脱色率为31%.表2总结了目前已报道的不同菌种所产漆酶对RBBR的降解特性,综合比较表中数据可知:虽然介体的添加和酶的固定化处理对脱色时间和脱色率有一定影响,但菌种来源是影响漆酶对染料脱色的最重要因素,因此筛选一株高效脱色的产漆酶菌种尤为重要.本研究采用的齿毛菌HYB07菌株所产漆酶对RBBR的脱色时间为38 min,脱色率达(98.42±1.39)%,比目前已有报道的漆酶脱色效果更佳.
如图4所示,在RBBR质量浓度0~200 mg/L范围内,脱色反应速率呈线性上升,随着RBBR质量浓度的增加,反应速率增加逐渐趋于平缓.这种变化趋势符合米氏方程描述的反应速率随底物浓度的变化规律.
通过GraphPad Prism v5.0软件求得漆酶对RBBR脱色反应的Km值为(134.82±3.05)mg/L,Vm值为(9.68±0.85)mg/(L·min); 反应动力学方程为Y=9.68X/(134.82+X),其中X为RBBR质量浓度,Y为反应速率.Km是酶催化反应的特征常数之一,反映酶对底物亲和力的大小.P. florida漆酶对RBBR脱色反应的Km值为145.82 mg/L[7],高于本研究的结果,但需要添加介体才能达到较高的脱色率,而本研究采用的齿毛菌漆酶不需要添加介体也能达到98%以上的脱色率,进一步证明了该漆酶运用于RBBR染料脱色的实际价值.
图5为RBBR染料脱色前后的紫外-可见光谱谱图.由图可见,脱色前RBBR在可见光区595 nm处有一个明显的特征吸收峰,而在加入漆酶脱色处理后此处的吸收峰消失,证明染料RBBR发生了降解.类似地,戴文魁[22]曾报道的杂色云芝菌(Coriolus versicolor LZ-8)漆酶降解RBBR的实验结果显示,在脱色处理后400~700 nm范围内的特征吸收峰消失.
利用红外光谱分析波数4 000~500 cm-1范围内RBBR脱色前后的产物,由谱图可见脱色后955.35和1 266.78 cm-1处的吸收峰消失(图6).该峰是C—N的伸缩振动峰,说明RBBR经漆酶处理后结构发生变化,C—N键断裂造成发色基团被破坏,使RBBR从蓝色变成无色.Osma等[4]采用绒毛栓菌漆酶对RBBR处理后也发现C—N键断裂,发色基团被破坏,并形成两个副产物,与本研究结果一致.
通过薄层色谱进一步验证RBBR经漆酶处理后的结构变化,结果显示脱色后产生一个新的条带(图7),证明其结构确实发生了改变.
本研究在单因素试验基础上,通过响应面法建立了齿毛菌漆酶对RBBR脱色条件的二次项数学模型,得出影响脱色效果的因素主次顺序为pH>酶浓度>脱色时间>染料质量浓度,并得到最佳脱色条件为:酶浓度2.24 U/mL,RBBR染料质量浓度123.83 mg/L,pH 4.52,脱色时间38.30 min.在此条件下,进行3次验证实验,测得脱色率为(98.42±1.39)%.通过红外光谱和薄层色谱分析,发现RBBR经齿毛菌漆酶处理后C—N键发生断裂,RBBR结构发生变化.以RBBR为底物,齿毛菌漆酶催化脱色反应的Km值为(134.82 ±3.05)mg/L.本研究采用的白腐真菌齿毛菌漆酶在未添加介体的情况下,脱色效果明显高于已有文献报道的结果,在染料降解方面具有较大的应用潜力.