隨著全球人口增長(zhǎng)與工業(yè)發(fā)展，大量酚類有機(jī)物進(jìn)入水體，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的廢水處理方法往往效率有限且能耗高，而酶催化技術(shù)雖條件溫和、環(huán)境友好，但酶難以回收、無法連續(xù)使用等問題限制了其實(shí)際應(yīng)用。酶固定化是解決上述難題的可行途徑，但常規(guī)固定方法往往導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增大，催化效率下降。如何在固定酶的同時(shí)保持甚至提升其催化性能，成為當(dāng)前水處理技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)。

近日，新加坡國立大學(xué)李俊教授、Zhu Jingling博士和WenYuting博士通過將富含表面官能團(tuán)的生物炭與聚丙烯酰胺水凝膠結(jié)合，封裝辣根過氧化物酶，構(gòu)建出一種名為 Gel/BC-HRP 的復(fù)合催化材料。該材料在過氧化氫存在下，對(duì)酚類污染物展現(xiàn)出卓越的催化氧化性能，其反應(yīng)速率比不含生物炭的對(duì)照組提升高達(dá)91.4倍，并表現(xiàn)出極高的周轉(zhuǎn)頻率。復(fù)合材料在循環(huán)使用八次后仍能保持約60%的苯酚去除效率，為綠色、高效的水體修復(fù)技術(shù)提供了新思路。相關(guān)論文以“A Biochar-Based Composite Hydrogel Microenvironment for Enhanced Biocatalysis”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì) Gel/BC-HRP 催化劑進(jìn)行了系統(tǒng)的材料表征。掃描電子顯微鏡圖像顯示，凍干后的 Gel/BC??-HRP 呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，凝膠孔隙中可見生物炭顆粒。X射線衍射圖譜中，約22.3°處的寬峰證實(shí)了聚丙烯酰胺凝膠的存在，而22.9°附近的寬峰則對(duì)應(yīng)于典型的無定形碳。傅里葉變換紅外光譜進(jìn)一步驗(yàn)證了凝膠與生物炭的成功復(fù)合，凝膠的特征峰（如C-N、C=O、N-H伸縮振動(dòng)）與生物炭的特征峰（如O-H伸縮振動(dòng)、COO-伸縮振動(dòng)）同時(shí)出現(xiàn)。氮?dú)馕?脫附等溫線也證實(shí)了材料的多孔特性，生物炭的加入略微增加了催化劑的比表面積和電子傳遞能力。

圖1（a）：Gel/BC-HRP 催化劑的合成示意圖。 （b）：Gel/BC-HRP 催化劑中微環(huán)境促進(jìn)苯酚氧化的示意圖。

圖2：Gel/BC-HRP 的形貌與結(jié)構(gòu)組成。（a,b）Gel/BC??-HRP 的SEM圖像；（c）不同 Gel/BC-HRP 催化劑的XRD圖譜；（d）不同 Gel/BC-HRP 催化劑的FTIR光譜。

為了直觀展示酶在催化劑中的分布，研究人員采用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察了用羅丹明B異硫氰酸酯標(biāo)記的HRP。圖像顯示，在 Gel/BC??-HRP 中，HRP發(fā)出的紅色熒光與生物炭的分布區(qū)域高度重合。通過三維掃描分析更清晰地揭示，HRP傾向于分布在生物炭的表面，而非凝膠的其他區(qū)域。這種酶與生物炭的緊密結(jié)合，為后續(xù)的高效催化反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

圖3：通過CLSM分析測(cè)量的 Gel/BC??-HRP 中HRP的分布。（a）Gel/BC??-HRP 中RhBITC標(biāo)記的HRP的紅色熒光顯示（HRP在凝膠中的分布）；（b）生物炭在凝膠中的分布；（c）上述兩幅分布圖像的合并圖；（d–h）CLSM 3D分析第一階段：掃描區(qū)域從生物炭上端外部向生物炭上端移動(dòng)；（i–m）CLSM 3D分析第二階段：掃描區(qū)域從生物炭上端向其中部移動(dòng)；（n–r）CLSM 3D分析第三階段：掃描區(qū)域從生物炭中部向其下端移動(dòng)；（s–w）CLSM 3D分析第四階段：掃描區(qū)域從生物炭下端向其下端外部移動(dòng)。

在催化性能測(cè)試中，生物炭的加入帶來了顯著的提升。不含生物炭的 Gel-HRP 在20分鐘內(nèi)對(duì)苯酚的去除率僅約10%，而 Gel/BC??-HRP 在相同時(shí)間內(nèi)去除率超過90%。動(dòng)力學(xué)分析表明，Gel/BC??-HRP 的反應(yīng)速率常數(shù)是 Gel-HRP 的91.4倍，且協(xié)同因子高達(dá)71.3，顯示出強(qiáng)烈的協(xié)同催化效應(yīng)。在極低的氧化劑/污染物條件下，其周轉(zhuǎn)頻率達(dá)到20.4 min?1，優(yōu)于許多先進(jìn)的類芬頓單原子催化體系。該催化劑還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在8次循環(huán)后活性保持約60%，并在連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)中展現(xiàn)出遠(yuǎn)超純凝膠催化劑的持久性能。

圖4：Gel-HRP 和 Gel/BC-HRP 催化劑的催化反應(yīng)效果、催化劑循環(huán)性能及連續(xù)催化反應(yīng)性能。（a）苯酚的降解；（b）苯酚降解數(shù)據(jù)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合；（c）與不同單原子類芬頓催化劑的TOF值比較；（d）Gel/BC??-HRP 的循環(huán)反應(yīng)；（e）與不同酶基催化系統(tǒng)的循環(huán)性能比較；（f）連續(xù)反應(yīng)中試裝置示意圖；（g）連續(xù)中試實(shí)驗(yàn)中的苯酚去除率；（h）Gel/BC??-HRP 與 Gel-HRP 關(guān)鍵性能參數(shù)比較。

研究人員系統(tǒng)探討了反應(yīng)條件的影響。催化劑在pH 5.0–9.0的寬范圍內(nèi)保持高效，最適條件為中性。在一定范圍內(nèi)，增加HRP酶量或H?O?濃度均可提高苯酚去除率，但過量反而會(huì)因活性位點(diǎn)或氧化劑受限而抑制反應(yīng)。催化劑在23°C至45°C的溫度范圍內(nèi)也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖5：Gel/BC??-HRP 催化反應(yīng)條件研究。（a,b）不同HRP用量對(duì)苯酚降解的影響及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合；（c,d）不同pH值對(duì)苯酚降解的影響及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合；（e,f）不同H?O?用量對(duì)苯酚降解的影響及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合；（g,h）不同底物濃度對(duì)苯酚降解的影響及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合。

機(jī)制研究表明，催化性能的提升與H?O?利用效率的提高密切相關(guān)。生物炭的摻雜形成了類似火山曲線的優(yōu)化效果。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)揭示，苯酚的存在對(duì)于HRP催化循環(huán)至關(guān)重要，反應(yīng)遵循非活性氧自由基途徑。生物炭表面的缺電子基團(tuán)（如-COOH）增強(qiáng)了其對(duì)苯酚的吸附能力。然而，過量生物炭會(huì)增加復(fù)合材料的疏水性，從而增大傳質(zhì)阻力，反而降低對(duì)苯酚和H?O?的吸附，導(dǎo)致催化效率下降。接觸角測(cè)量證實(shí)了生物炭含量對(duì)材料親疏水性的調(diào)節(jié)作用。

圖6：H?O?利用效率對(duì)反應(yīng)性能和機(jī)制的影響。（a）不同 Gel/BC-HRP 催化劑反應(yīng)20分鐘后的苯酚去除率；（b）不同 Gel/BC-HRP 催化劑反應(yīng)20分鐘后的H?O?消耗量；（c）三種不同條件下反應(yīng)20分鐘后的H?O?消耗量；（d）高級(jí)氧化體系和 Gel/BC??-HRP 體系的DMPO–OH和DMPO–O?–的EPR譜圖。

通過建立二元線性回歸方程，研究者量化了苯酚吸附和H?O?吸附對(duì)去除率的貢獻(xiàn)，兩者均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)?；诖?，他們提出了微環(huán)境調(diào)控機(jī)制：聚丙烯酰胺凝膠中的氨基形成富電子區(qū)域，有利于吸附H?O?；而摻雜的生物炭在其表面羧基作用下形成缺電子區(qū)域，有利于吸附苯酚。兩者共同構(gòu)筑了一個(gè)優(yōu)化的微反應(yīng)環(huán)境，將底物濃縮在酶周圍，從而大幅加速反應(yīng)。

此外，Gel/BC??-HRP 展現(xiàn)出廣譜降解能力，能高效去除鄰甲酚、間甲酚、連苯三酚、雙酚A等多種酚類污染物，并且在含多種鹽分、有機(jī)物甚至抗生素的復(fù)雜水體中保持穩(wěn)定的降解性能。產(chǎn)物分析表明，該催化過程傾向于將苯酚聚合形成低水溶性的寡聚物，易于通過沉降或過濾分離，降低了二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖7：微環(huán)境促進(jìn)苯酚去除的潛在機(jī)制。（a）不同 Gel/BC-HRP 催化劑在20分鐘內(nèi)的苯酚吸附率；（b）不同 Gel/BC-HRP 催化劑的接觸角；（c）Gel-HRP的接觸角；（d）Gel/BC??-HRP的接觸角；（e）Gel/BC??-HRP的接觸角；（f）Gel/BC??-HRP的接觸角；（g）Gel/BC??-HRP的接觸角；（h）不同 Gel/BC-HRP 催化劑在20分鐘內(nèi)的H?O?吸附量；（i）以苯酚吸附和H?O?吸附為自變量、苯酚去除率為因變量的二元線性回歸方程擬合。

該研究通過巧妙的材料設(shè)計(jì)，將生物炭與水凝膠結(jié)合，不僅成功實(shí)現(xiàn)了辣根過氧化物酶的高效固定與循環(huán)使用，更通過構(gòu)建“富電子-缺電子”微環(huán)境，破解了固定化酶?jìng)髻|(zhì)受限的難題，顯著提升了催化效率。這種策略為開發(fā)綠色、可持續(xù)、高性能的水處理生物催化劑提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑，有望推動(dòng)酶催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。