2004_面上_纳米SiO2固定化纤维素内切酶或漆酶降解DTMC的研究.doc
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1、 国家自然科学基金申请书申请代码:受理部门: 收件日期:受理编号:第 23 页 版本1.002.811国家自然科学基金您现在不能检查保护文档或打印文档,请根据以下三个步骤操作: 1)如果您是Word2000或以上版本用户,请把Word宏的安全性设为:中 方法: Word菜单-工具-宏-安全性-安全级,设置为中 (如果您是Word97用户,继续执行以下步骤) 2)关闭本文档,重新打开本文档 3)点击启用宏按钮,即可开始填写本文档或打印了申 请 书资助类别: 亚类说明: 附注说明: 项目名称: 申 请 者: 电话: 依托单位: 通讯地址: 邮政编码: 单位电话: 电子邮件: 申报日期: 2004年
2、3月10日国家自然科学基金委员会基本信息ABagRI8jdCP申 请 者 信 息姓名xingming性别男出生年月1965年3月民族汉族学位博士职称教授主要研究领域生物无机化学,表面配位化学 电话021-64252214 电子邮件yuxyang 传真021-64132925 个人网页 工作单位华东理工大学 /化学与制药学院在研项目批准号 依托单位信息名称代 码20023701 联系人金雪娟 电子邮件nsfc 电话021-64252413 网站地址 合作单位信息单 位 名 称代 码10087101 项 目 基 本 信 息项目名称资助类别面上项目 亚类说明自由申请项目 附注说明 申请代码B0703
3、01:化学控制、防治新工艺、新技术及其基础性研 基地类别 预计研究年限2005年1月 2007年12月研究属性应用基础研究 摘 要项目研究内容和意义简介(限400字):用堆砌法合成550nm粒径的硅溶胶;用生物矿化、热分解、溶胶-盐析法、季胺碱凝胶水热法制备纳米SiO2及介孔材料;并掺杂改性SiO2。用TEM、XRD、色谱、微电泳法等进行表面积、结构、性质及粒径的测定,Rietveld法计算纳米SiO2晶胞参数。利用纳米SiO2固定化漆酶、纤维素内切酶,研究酶的稳定性和活性的变化,用固定化酶催化降解三氯杀螨醇(DTMC),研究寻找最佳反应的酸度、温度、时间、照射光度,探讨影响DTMC降解的因素
4、,进行最大降解效果的研究,对固定化酶及游离酶降解DTMC的活性进行比较。并研究掺杂对酶降解的协同作用。用色质联用法研究固定化酶对DTMC的降解机理。本项目首次提出用纳米SiO2微粒固定化酶降解DTMC有机氯代农药,以提高酶的降解效率和稳定性,使催化降解技术具有实用性。该工作将为我国寻找最佳的环境修复技术,降低有机氯代农药对环境和人类健康的影响提供可靠的科学依据。 关 键 词(用分号分开,最多5个)纳米SiO2;SiO2介孔材料;固定化纤维素内切酶;固定化漆酶;降解DTMC 项目组主要成员(杰出青年科学基金不填此栏)编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮件项目分工每年工作时间(月)
5、11955-11-11 女副教授硕士华东理工大学 021-64252214 yrchen 环境生物 8 21968-2-19 男讲师硕士北京大学 010-62755309 bsliang 环境生物 10 31971-8-24 女工程师硕士华东理工大学 021-64252818 srluanq 合成表征 8 41980-1-14 男硕士生硕士北京大学 010-62755309 lxp 环境生物 10 51975-1-7 女硕士生硕士华东理工大学 010-64252214 cpzhou 环境生物 10 61975-2-18 女硕士生硕士华东理工大学 021-64252214 quxuping 纳米
6、材料合成 10 71982-8-13 女硕士生硕士华东理工大学 021-64252214 aqzhuhui82 纳米材料的表征 10 81981-5-13 男硕士生硕士华东理工大学 010-64252214 atent.student 纳米材料的合成 10 9总人数高级中级初级博士后博士生硕士生9220005说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报,总人数自动生成。说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。经费申请表 (金额单位:万元)科目申请经费备注(计算依据与说明)一.研究经费24.00001.科研业务费9.0000(1)测试/计算/分析费6.500
7、0样品各种测试费,如:电镜测试、色质联用测试、XPS及粒度分析仪等;(2)能源/动力费0.5000(3)会议费/差旅费1.4000学术会议等,每年平均0.60.7万元(4)出版物/文献/信息传播费0.6000文献资料,投稿用费(5)其它0.00002.实验材料费8.0000(1)原材料/试剂/药品购置费8.0000高纯度生化试剂,合成纳米SiO2所需的化学试剂及生化试剂;(2)其它0.00003.仪器设备费4.0000(1)购置4.0000小型仪器设备有关元器件的更新和仪器维修。另外,欲购置QM-1型球磨机、微电泳仪 (2)试制0.00004.实验室改装费2.0000实验室有关的加工、修理及改
8、造等事项5.协作费1.0000一些单位相互交往联系等有关费用 二.国际合作与交流费0.00001.项目组成员出国合作交流0.00002.境外专家来华合作交流0.0000三.劳务费2.0000研究生津贴,开夜班,误餐津贴等四.管理费2.0000合 计28.0000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费0.0000其他经费资助(含部门匹配)0.0000其他经费来源合计0.0000 国家自然科学基金申请书报告正文(一)立项依据与研究内容(4000-8000字): 1、 项目的立项依据有机氯农药已被证实能够引起动物内分泌紊乱,导致繁殖发育异常,且能够在动物体内长期积聚,其对生态环境的影响已引起
9、了国际社会的广泛关注。目前一些国家已停止生产使用高残留的有机氯农药。但由于有机氯化合物在环境中也很稳定,不易发生降解,能够在环境中长期存在和积累,同时由于它具有“迁移”的特性,给人类生态环境造成愈来愈严重的影响和危害。如何有效促使这些有机氯农药降解成为当前国内外研究热点之一。 利用TiO2光降解氯代农药的报道屡见不鲜,如高丙体六六六在300-360nmUV照射及TiO2催化下,约84%左右的C-Cl键被打破1。有关氯代农药的生物降解只是近几年来人们才开始问津的事,而目前对氯代农药的生物降解方面的报道仅限于细菌降解方面,如美国学者LLOYD J.NADEAU2用白腐菌降解DDTs,GC-MS分析
10、表明,最终降解产物为4-CBA,对被污染土壤具有较高的修复潜力,为生物降解氯代农药开辟了新途径。而ARATA KATAYAMA3等人在研究细菌降解氯代农药的过程中,发现细菌降解有机化合物的本质是酶促降解,并进一步推论,细菌中起降解作用的酶体系主要为氧化酶体系;白腐菌中对DDTs起降解作用的酶体系主要为氧化酶4。用酶降解氯代农药,简单易行,且降解酶往往比产生这类酶的细菌体更能忍受异常环境条件,降解效率高。纤维素内切酶和漆酶均是孢外酶,具有很强的分解有机物能力,属于氧化酶体系,其对氯代农药也具有降解作用。经研究已确定:纤维素内切酶和漆酶均能稳定地降解DDTs。而DDTs为三氯杀螨醇5(简写为DTM
11、C)中间体。三氯杀螨醇为DDTs羟基化产品,是一种广泛使用的高效有机氯杀虫、杀螨剂。据此,可以设想:用纤维素内切酶或漆酶都可能对DTMC有降解作用。美国二氧化硅化学家ILER6发现,纳米SiO2表面能稳定地固定化酶,提高酶的活性。我们据此提出新设想:用纳米SiO2固定化纤维素内切酶或漆酶,也可提高酶对DTMC的降解效果。目前有关此方面的研究很少。申请者曾研究过硅藻土(无定形SiO2)对尿激酶的吸附性能,发现吸附性能除与硅藻土的表面羟基数、孔结构有关之外,还与硅藻土的等电点有关。等电点越小,吸附性能越强7。ILER还指出,酶蛋白达到自身等电点时与带有电荷的SiO2表面结合最牢固,主要作用力为(1
12、)酶蛋白中有机阳离子与负电荷的SiO2表面(2)酶蛋白与SiO2表面氢键作用。既然SiO2吸附酶蛋白与SiO2表面等电点有关,我们考虑合成在水溶液中能均匀分散的不同类型的SiO2纳米微粒,为了实现此目标,必须寻求新方法。 申请者曾用堆砌法合成大粒径的硅溶胶,经Sears滴定法6测定出最大粒径为50nm;并研究了NaCl对硅溶胶胶体的稳定性。当NaCl浓度高于0.230molL时,硅溶胶发生盐析,然后,析出的溶胶胶粒高速分散于有机溶剂中,经浓缩成为纳米SiO2。该纳米SiO2经XRD测试,衍射峰发生宽化现象,用谢乐公式计算,纳米粒径为5.15 nm。为此,我们提出第二个设想,用生物模板剂合成、含
13、肼盐热分解法、溶胶盐析法、季胺碱凝胶水热法等四种方法合成等电点不同的SiO2纳米微粒,并通过掺杂对SiO2纳米微粒进行改性。通过对纳米硅藻土固定化纤维素内切酶、漆酶催化反应条件及稳定性的研究,我们认为:只要能合成在水溶液中能均匀分散的SiO2纳米微粒,通过(1)离子结合法、(2)氢键键合法、(3)包埋法或(4)复合法均可固定纤维素内切酶或漆酶。不同类型的SiO2纳米微粒,其表面等电点不同,那么对纤维素内切酶或漆酶的固定化稳定性能也不同;SiO2纳米微粒表面经改性后,等电点发生变化,对酶的固定化稳定性也随之变化。若能利用纳米结构SiO2微粒稳定地固定化纤维素内切酶或漆酶,提高酶的活性,可用它们对
14、DTMC进行降解实验,寻求最佳降解条件,如反应酸度、温度、反应时间及照射光度等。 这不仅可考查固定化纤维素内切酶或漆酶降解DTMC反应机理,也可指导我们设计合成固定化稳定性能高,并能提高酶的活性的SiO2纳米微粒。综上所述,基于目前DTMC等氯代农药的降解急需价格适中的纤维素内切酶或漆酶等生物酶,我们首次提出用纳米结构SiO2微粒固定化酶降解DTMC氯代农药,以提高酶的降解效率和稳定性;对SiO2纳米微粒的合成,我们又提出生物模板剂合成等四种方法,并对SiO2纳米微粒进行改性,以满足用于纤维素内切酶或漆酶固定化所需的不同等电点的SiO2纳米微粒。我们将用气相色谱检测对DTMC的降解,以确定降解
15、DTMC的最佳条件,并推出DTMC降解的反应机理。所以,本项目不仅对发展DTMC等氯代农药的生物降解并探求其降解机理有一定的基础研究意义,而且对将来开发具有中国特色的稳定性好、酶活性高、对DTMC等氯代农药降解性能及可行性均优越的生物酶也有重要的参考价值。参考文献:1 Photocatalytic degradation of lindane, p,p,-DDT and methoxychlor in an aqueous environment Journal of Photochemistry and Photobiology, 135, 213-220, (2000)2Aerobic D
16、egradation of 1,1,1-Trichloro-2,2-Bis(4-Chlorophenyl)Ethane(DDT) by Alcaligenes eutrophus A5 APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, 60(1), 51-55, (1994) 3 DEGRADATION OF ORGANOCHLORINE PESTICIDES, PARTICULARLY ENDOSULFAN, BY TRICHODERMA HARZIANUM Enviromental Toxicology and Chemistry 12, 1059-1065,
17、 (1993) 4 Degradation of White-Rot Fungi under Nutrient-Rich Conditions Journal of Pesticide Science 17(4),279(1992) 5 农用化学品 化学工业出版社,北京,1996,P1796 THE CHEMISTRY OF SILICA, R.K. Iler, John Wiley & Sons, Inc. New York P321,P7077 Adsorption properties for urokinase on diatomite surface Applied Surface
18、Science 206,20-28(2003)2、 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。研究目标:合成在水溶液中能均匀分散的SiO2纳米微粒。通过(1)离子结合法,(2)氢键键合法,(3)包埋法和(4)复合法固定纤维素内切酶或漆酶,研究和确定对DTMC及其降解产物的测试方法。研究内容:选择合适条件合成SiO2纳米微粒,如:生物模板剂合成;热分解法;溶胶盐析法;季胺碱凝胶水热法,并对SiO2纳米微粒进行表征。在DTMC常见污染浓度范围内,进行固定化酶降解效果的研究。合成方面:1)生物矿化纳米结构SiO2微粒的制备,用细菌菌丝体、生物酶作模板剂合成SiO2纳米微粒,并研究合成条件。2)
19、含肼盐热分解法合成SiO2纳米微粒,并合成TiO2/ SiO2、ZnO2/ SiO2、ZrO2/ SiO2等复合纳米微粒。3)溶胶盐析法制备不同纳米粒径的SiO2。4)季胺碱凝胶水热法合成SiO2纳米介孔材料。固定化酶方法方面:分别采用(1)离子结合法,(2)氢键键合法,(3)包埋法和(4)复合法固定纤维素内切酶、漆酶,研究和确定纳米结构SiO2微粒对固定化的影响;表征方面:用TEM、粒度分析仪、XPS及色谱法等方法分别观察纳米微粒形貌、纳米微粒尺寸、SiO2微粒及SiO2纳米介孔材料表面孔结构;测定纳米SiO2比表面、孔径分布;并测定SiO2微粒表面的掺杂金属离子的含量;微电泳法测定SiO2
20、微粒表面电位、等电点值;用激发和发射光谱研究固定化酶。 DTMC降解效果测试: 利用纳米结构SiO2微粒固定化纤维素内切酶或漆酶对DTMC进行降解实验,寻求最佳降解条件,并对反应机理进行探讨。具体内容包括:1)最佳反应酸度的确定2)最佳温度的确定3)最佳反应时间的确定-4)最佳照射光度的确定5)在DTMC常见污染浓度范围内,进行固定化纤维素内切酶或漆酶最大效果的研究6) DTMC催化降解机理的探讨及反应参数的测定7)纳米结构SiO2固定化纤维素内切酶或漆酶与游离纤维素内切酶或漆酶降解DTMC的比较:(a)催化反应条件的比较(b)酶稳定性比较8) 进行掺杂SiO2纳米微粒固定化酶与纳米SiO2微
21、粒固定化酶降解DTMC性能比较,以检测掺杂离子或氧化物对固定化酶降解DTMC的协同作用。酶的脱附与回收:依据尿激酶制备过程中的技术、原理进行酶的脱附与回收的研究拟解决的关键问题:要研究和确定SiO2微粒对固定化纤维素内切酶或漆酶稳定性的影响,首先必须有一些适用于研究的纳米结构SiO2微粒。本项目的关键问题是:能否合成出水溶液中能均匀分散的不同粒径、孔结构、表面性质的纳米结构SiO2微粒及纳米SiO2介孔材料;能否合成出生物矿化纳米结构SiO2;能否使SiO2微粒稳定地固定化酶;筛选在DTMC常见污染浓度范围内,对DTMC降解的最佳条件。其中合成表面性能优异、并能稳定地固定化酶的纳米结构SiO2
22、微粒及纳米SiO2介孔材料是本项目最大难点,也是研究DTMC降解的新领域。3、 拟采取的研究方案及可行性分析。研究方法:1)堆砌法合成纳米粒径的硅溶胶;2)模板剂合成生物矿化纳米结构SiO2,含肼盐热分解法;溶胶盐析法制备纳米SiO2;季胺碱凝胶水热法制备纳米SiO2介孔材料; 3)用现代物理或化学方法对纳米结构SiO2、纳米SiO2介孔材料进行表征和有关性质研究;4)采用通用方法用纳米结构SiO2固定化纤维素内切酶或漆酶;5)利用SiO2微粒固定化纤维素内切酶或漆酶对DTMC进行降解实验,研究最佳降解条件,并推出降解机理。 技术路线和实验方案:技术路线是:550nm粒径硅溶胶的合成纳米SiO
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- 2004 面上 纳米 SiO2 固定 化纤 维素内切酶 降解 DTMC 研究