纳米金属氧化物模拟天然酶催化水体中酚类污染物转化的研究进展

天然酶作为一种绿色催化剂,能够介导水体中酚类污染物形成酚氧自由基中间体,随后这些活性中间体通过共价偶联机制生成大分子聚合产物.纳米金属氧化物(N-MOs)兼具纳米材料和天然酶"双重身份",有望克服天然酶稳定性差、难回收、易失活和价格昂贵等缺点,高效地催化氧化水体中酚类污染物的转化.本文概述了两种天然酶(过氧化物酶和酚氧化酶)的基本性能及其催化偶联酚类污染物转化的作用机理,系统地探讨了N-MOs的纳米特性及其模拟天然酶催化氧化底物的显色反应、作用效能和影响因素,并阐释了N-MOs作为纳米酶催化氧化酚类污染物转化的最新研究进展及其潜在的应用价值,旨在为拓展和开发新型、有效地纳米酶在环境中的应用提供新的理论基础和技术指导.     

分子结构对天然有机质模型化合物在碳纳米管上吸附的影响

天然有机物(NOM)是一类广泛分布的具有不同分子量和结构的物质,能够分散和稳定碳纳米管(CNTs).然而,NOM结构对CNTs吸附机理的影响尚不清楚.了解碳纳米管(CNTs)对有机化合物吸附的机理,对于CNTs及其对其他污染物的环境行为和风险的预测和评估至关重要.本文研究了3种天然有机物(Natural organic matter,NOM)替代物没食子酸(Gallic Acid,GA)、丹宁酸(Tannic Acid,TA)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)在CNTs上的吸附性能.TA分子在CNTs上的摩尔质量浓度吸附较低,与它较大的三维立体分子结构形成的空间位阻有关.具有平面结构的GA和柔性脂肪链结构的SDBS分子容易与CNT结合,表现出在CNTs有更高的吸附.研究结果表明,模型化合物的分子结构对其在CNTs上的吸附有很大的影响.本研究通过研究分子结构对天然有机质模型化合物在碳纳米管上吸附的影响,指出NOM的分子结构是影响其环境吸附行为重要的因素.     

天然有机质-金属离子/氧化物-磷复合物的研究进展

天然有机质-金属离子/氧化物-磷(NOM-Metal-P)复合物作为一种广泛存在于天然水体和土壤环境中的磷素形态,其环境行为对磷素在环境中迁移转化过程发挥着重要作用。鉴于此,在综述NOM-Metal-P复合物的结合方式、测定方法、分子质量大小、生物有效性和稳定性影响因素等相关研究进展的基础上,对NOM-Metal-P复合物研究做出展望。已有研究表明,NOM-Metal-P复合物形态磷可占土壤溶液或天然水体中磷总量的50%,有时甚至达80%;NOM-Metal-P复合物的结合方式主要为NOM和P以Metal作为键桥结合形成;目前多采用截留分子质量为500或1 000 Da的滤膜来分离游离磷酸盐和复合物形态磷;复合物形态磷能抑制磷的固定,增强磷在环境中的迁移能力,其作为磷肥的生物利用效率大于单一磷酸盐磷肥;复合物形态磷的稳定性受紫外光照、pH和共存离子等因素的影响。     

·OH自由基介导2,4-二氯酚光降解机理及产物毒性变化特征的理论研究

由于2,4-二氯酚(2,4-dichlorophenol,简称2,4-DCP)具有"三致"作用及潜在的生态风险,其光化学降解机理及产物的生态毒理效应目前成为人们关注的焦点。本研究采用理论化学计算手段,系统阐明了2,4-DCP在水环境中·OH介导的间接光化学转化机理、动力学和转化产物的生态毒性变化特征。结果表明2,4-DCP很容易被·OH氧化降解,其降解主要通过·OH-加成和H-迁移路径进行。在低温条件下·OH-加成路径将占主导,主要形成4,6-二氯苯-1,3-二酚;而当温度超过313 K时,·OH提取酚羟基上的氢原子为主要降解途径,主要形成2-氯苯-对苯醌。尤其在活性物种浓度较低的高温环境中,H-迁移路径有可能生成二噁英。计算毒理学结果表明:H-迁移产物的水生毒性超过·OH-加成产物,甚至超出母体2,4-DCP一个毒性等级。因此,我们建议在以后的环境监测以及风险评估过程中,关注2,4-DCP及其转化产物特别是H-迁移路径的转化产物的生态毒理学问题。     

真菌漆酶介导自由基偶联和接枝反应在绿色化学中的应用

漆酶(p-苯二醇:分子氧氧化还原酶;EC 1.10.3.2)是自然界中普遍存在的一类胞外含铜多酚氧化还原酶.漆酶能够以环境中氧分子作为电子接受体,催化4个底物分子的单电子氧化形成4个相应的反应活性自由基或醌类中间体,随后这些活性中间体在酶促位点外发生步进式偶联反应,生成多种具有复杂结构的大分子C—C、C—O—C或C—N—C共价聚合产物.该反应过程中仅生成唯一副产物水,具有反应温和、底物广谱、催化效率高、操作可控和经济环保等优点.目前,真菌漆酶介导低分子有机物和高分子化合物的自由基偶联和接枝反应已经被应用于生物技术领域,该技术克服了传统物理化学方法存在的弊端,在保护人群健康和生态安全等方面具有广泛地应用前景和商业价值.本文详细地概述了真菌漆酶催化不同底物分子的自由基偶联和接枝反应在环境修复、生物监测、食品加工、纤维改性、纺织染色、制药行业和有机合成等绿色化学中的最新研究进展,旨在为开发和拓展真菌漆酶在绿色化学技术领域中的多功能应用提供科学的理论依据和技术指导.     

天然有机质模型化合物在无机矿物表面的吸附

天然有机质(NOM)在全球碳循环中扮演重要角色,而无机矿物对有机碳稳定具有重要作用.本实验以Fe2O3(纳米和微米颗粒)和高岭土为吸附剂,探讨复杂多组分NOM模型化合物(单宁酸、没食子酸、富马酸钠和油酸钠)在无机矿物表面的吸附稳定机理.结果表明,4种不同性质的模型化合物在矿物表面均呈现明显的非线性吸附.纳米氧化铁较大的比表面积能够提供更多的吸附位点,有利于其对模型化合物的吸附,但是其比表面积的有效性最低,显示其极大的吸附潜力.不管是芳香性还是脂肪性化学物质,大分子模型化合物的吸附显著高于小分子模型化合物,说明NOM的模型化合物中大分子组分更倾向于吸附在无机矿物表面,这一现象提示NOM在无机矿物表面发生选择性吸附时,有可能优先吸附大分子组分.     

同位素稀释电感耦合等离子体质谱测定环境和生物样品中的镉

建立电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定镉同位素比值的方法,应用同位素稀释电感耦合等离子体质谱(ID-ICP-MS)对环境和生物样品茶叶、湖沉积物和人发标准物质中的镉进行测定研究.对电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的工作条件和参数进行了最优化.讨论了多原子离子和同量异位素对镉同位素比值的影响,通过天然镉标准溶液对质量歧视进行了校正,并优化同位素稀释剂的加入量.将该方法应用于茶叶、人发和沉积物标准物质的测定.     

头孢曲松氯化消毒转化产物鉴定及机理研究

以头孢曲松为目标化合物,探索其在氯消毒处理中的转化机理.结果显示头孢曲松在氯化处理中主要发生两种反应,一种为氧化反应,另一种为氯化反应.头孢曲松分子中的硫醚官能团经氧化生成亚砜产物,消毒剂中的氯原子与噻唑环中的4-C原子发生亲电取代反应生成氯代产物.更为重要的是,本研究还探讨了低浓度头孢曲松在环境水体基质中的氯化转化特征,结果表明,本文所推测的反应机理在含头孢曲松的实际环境水样的氯化处理中同样发生.     

聚硅氯化铝(PASC)的形态分布及转化规律——Ⅲ.Al-Ferron逐时络合比色法与(27)~AI-NMR法的比较

本文对Al-Ferron逐时络合比色法和~(27)AI-NMR法对PASC和PAC中铝的形态分布的测定结果进行了对比分析和讨论.结果表明,在PAC中,Al_(13)和AI_b之间具有良好的对应关系,Al_(13)/Al_b比值为1.0左右 但对PASC而言,情况有所不同,在低碱化度(B)和低Al/Si摩尔比情况下,Al_(13)和Al_b之间不存在对应关系,Al_(13)和Al_b比值远远小于1.0,随着B值和Al/Si摩尔比的升高,Al_(13)/Al_b比值逐渐趋近于1.0.这意味着在低B值和低Al/Si摩尔比情况下,由于聚硅酸与铝水解聚合产物间的相互作用,形成了铝硅复合新产物,该新产物对PASC中铝的形态分布产生了影响.     

MnO2纳米酶催化ABTS的显色反应及其在Fe2+和Pb2+检测中的应用

本文探讨了纳米MnO_2催化2,2′-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)显色反应的类氧化酶活性,系统地评估了单一金属离子Fe~(2+)和Pb~(2+)对MnO_2纳米酶活性的影响及作用机理,揭示了MnO_2纳米酶-ABTS反应体系在选择性检测实际水体中Fe~(2+)和Pb~(2+)的应用.在pH 3.8、25℃条件下,纳米MnO_2能够催化ABTS单电子转移形成ABTS阳离子自由基(ABTS~(·+),绿色产物),其类氧化酶活性为0.0412 U·mL~(-1).酶剂量、底物浓度、pH和温度影响了MnO_2纳米酶活性.在反应体系中添加0.01 mmol·L~(-1) Fe~(2+)(或Pb~(2+))显著地抑制了MnO_2纳米酶活性(P0.01),主要是由于Fe~(2+)(或Pb~(2+))在静电引力作用下强烈吸附在纳米MnO_2表面,导致MnO_2纳米酶催化活性的钝化甚至失活.其中Fe~(2+)吸附在MnO_2纳米酶表面能够与多价锰发生氧化还原反应,而Pb~(2+)特异性吸附在MnO_2纳米酶表面形成络合物.加标回收试验结果表明,MnO_2纳米酶能够用于选择性测定实际水样中单一污染的Fe~(2+)和Pb~(2+).MnO_2纳米酶-ABTS反应体系对天然水体中Fe~(2+)和Pb~(2+)的检测具有较高精确度(相对误差为3.4%—10.5%)和良好回收性能(回收率为96%—110%).研究结果提供了一种简单、快速、高灵敏的检测方法用于可视化分析环境水样中Fe~(2+)和Pb~(2+)浓度.     

济源盆地地表水和地下水的水化学及氢、氧同位素特征

运用氢氧同位素和水化学成分作为水循环过程的示踪剂,研究济源盆地地表水和地下水之间的转化关系.通过现场调查,系统地采集了该区浅层、中深层地下水和河水样品,并在实验室进行了水化学成分(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3)和氢氧稳定同位素组分(D、18O)测定.基于水化学和同位素测定结果,揭示盆地地表水和地下水循环特征.水化学分析结果显示,济源盆地水体的水化学类型主要为HCO3-SO4-Ca-Mg,属于低矿化度水,浅层地下水和河水联系紧密,不同水体水化学成分主要受到岩石风化作用的影响.氢氧稳定同位素研究表明,大气降水是盆地不同水体的主要补给源,地下水在接受降水的补给后经过了不同程度的蒸发作用,中深层地下水受蒸发影响较小,浅层地下水和河水受蒸发影响较大.浅层地下水和河水的主要补给方式是地表大气降水的垂直渗入补给,中深层地下水接受北部太行山区的径流补给,补给高程为620—1185 m.     

水中天然含氮有机物的形成、迁移转化及分布

天然含氮有机物是水环境中的重要组成部分,其在天然水体中的形态及分布对环境质量有显著影响.本文围绕水中天然含氮有机物在氮循环中的地位、迁移转化以及其在国内主要水域中的分布情况,对天然含氮有机物的研究现状进行了梳理.我国不同水域中溶解性含氮有机物(DON)浓度相差较大;其中水体中DON浓度一般在1.0 mg?L-1以下;沉...     

汞同位素组成示踪燃煤发电过程中汞排放特征研究进展

汞是一种持久性、全球性重金属污染物,污染范围广,排放源复杂,环境地球化学性质活跃.不同环境介质汞污染源解析一直是环境科学研究领域的难题.燃煤电站汞排放被认为是最大的人为汞释放源,亟需准确可靠的示踪手段来深入阐明燃煤电站汞排放过程、迁移转化等归趋行为.汞在自然界有7个稳定同位素,分别是196Hg(0.15%)、198Hg(10.02%)、199Hg(16.84%)、200Hg(23.13%)、201Hg(13.22%)、202Hg(29.80%)和204Hg(6.85%).由于同位素在演化过程中的分馏效应单向性并携有演化过程信息,在地域分布和生物地球化学循环过程中存在显著分异现象,因此,通过研究汞稳定同位素组成可评估、示踪燃煤汞排放特征和生物地球化学过程.本论文结合近年相关研究成果,针对汞同位素分馏过程、煤中汞同位素分馏现象以及汞同位素示踪燃煤电站汞排放的合理性和可行性进行了综述.     

趋磁细菌磁小体形成机制研究进展

磁小体(Magnetosome)是由趋磁细菌(Magnetotactic bacteria,MTB)体内合成并有生物膜包裹的纳米级磁性晶体,其形成过程是一个包括多种基因和蛋白参与并且受基因表达调控的酶催化过程.本文主要从铁离子吸收、磁小体膜形成、铁离子转运、生物矿化和磁小体链组装等5个方面来详细阐述磁小体的形成过程,重点介绍近年来分离和鉴定的相关基因和蛋白,并分析其在磁小体形成过程中的作用机制,同时还介绍了氧气、铁源和培养基成分等环境因素对磁小体形成的影响.尽管已经鉴别了大部分磁小体形成的相关基因,但是运用遗传学和生化分析手段阐明其作用机理仍然是一个挑战.磁小体形成机制的进一步研究和阐明将为其在生物技术领域的应用奠定基础.     

XAFS技术在重金属界面吸附研究中的应用

X-射线吸收精细结构(XAFS)是同步辐射应用的最重要技术之一,可以在分子水平上研究重金属在天然颗粒物、土壤、沉积物及生物等界面上吸附的微观结构,为深入阐明同相表面重金属结合机制提供实验证据.本文综述了应用XAFS技术探讨矿物、腐殖质、植物组织和微生物等对重金属口发附机理的主要研究进展,并对XAFS技术在多相体系对重金属的界面吸附、生物体对重金属的耐毒机理等方面的可能应用进行了展望,以期为环境重金属污染的修复和治理提供基础资料.     

L-山梨糖还原酶基因在大肠杆菌中的表达及融合蛋白的酶学特性

为获得L 山梨糖还原酶 (SR)整个操纵子序列 ,以 pGEM 3zf( )作为载体构建了Gluconobactersp .S6基因文库 .结合转化子在以L 山梨糖为唯一碳源培养基上的生长情况 ,利用PCR技术筛选到一个含L 山梨糖还原酶基因的阳性克隆pGEM 3zf( ) sr3/E .coli,酶切鉴定插入片断长度约 5 .0kb左右 .以 pGEM 3zf( ) sr3/E .coli质粒DNA为模板 ,扩增SR结构基因 .PCR产物经测序验证为SR基因序列后 ,与表达载体Pet32a( )相连 ,转化宿主大肠杆菌AD4 94 (DE3)对SR基因进行表达 ,并利用重金属离子亲和层析技术对SR融合蛋白进行了纯化 ,对其酶学特性进行了研究 .结果表明 :还原型辅酶II(NADPH)是SR酶蛋白的最适电子供体 ;SR酶蛋白的最适反应pH为 7.0 ,pH为6 .5时保持稳定 ,酶活力较高 ;最适反应温度是 5 0℃ ,30℃时热稳定性较好 .SDS PAGE电泳分析 ,SR融合蛋白的Mr 在6 5× 10 3 左右 ,由此推测出天然SR的Mr 在 5 3× 10 3 左右 ,与SR基因序列推测出的分子量大小一致 .图 13表 2参 6     

中药青蒿鲨烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定

利用PCR方法,将经RACE方法克隆到的中药青蒿鲨烯合酶cDNA(AF302464)开放阅读框的3′末端截短99bp,插入到原核表达载体pET30a( )的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间,构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的鲨烯合酶重组表达载体pETSSA.将pETSSA转入大肠杆菌BL21(DE3),0.5mmol/LIPTG(isopropyl-beta-D-thiogalactoside)28℃诱导重组鲨烯合酶的表达.表达产物经镍琼脂糖柱纯化.纯化蛋白加入酶促反应体系(含FPP和NADPH),GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物,结果显示重组鲨烯合酶可以催化FPP向鲨烯的转化.青蒿鲨烯合酶的功能鉴定为进一步利用反义或RNAi技术限制甾类生物合成,从而提高青蒿中的青蒿素含量提供了基础.图5参15     

CTX-M型产ESBLs耐药基因在城市典型河流中的生态分布

为了解流经我国城市的典型河流中CTX-M型耐药基因的分布情况及基因变异的多态性现状,进而为科学预防和避免抗生素耐药性的产生和传播提供生态学理论支持,采集我国东部6条典型河流流经城市区段的水样,采用宏基因组学技术与限制性酶切片段多态性分析(RFLP)技术相结合对质粒宏基因组PCR产物进行了分析,并将数据进行生态学统计处理.结果显示CTX-M三种亚型的基因群落在调查中的6条河流均有分布,且都保持了较高的均匀度(E≥0.9298),亚型1中分布于长江水体的基因群落具有明显高于其他河流和平均值的多样性(H’=2.4774)和物种优势度(D=0.9107),而亚型2、3的多样性和优势度最高值则均出现在黄河水体中;松花江与海河之间的群落相似性最高,达到0.806 2,而黄河与珠江基因群落之间的相异性则达到了0.580 0.说明在调查中采样的6条河流中均分布着结构稳定且基因优势突出的CTX-M型耐药基因,已对水体生态安全构成了隐患,需要结合进一步研究对其进行防治,以避免耐药基因以质粒为媒介向其他微生物传播造成抗生素耐药性扩散.     

水环境中OH自由基的分子探针法测定

采用水杨酸分析水体中羟基(OH)的分子探针，测定了紫外光照下NO3^-和NO2^-体系中OH的稳态浓度和量子产率，并在此基础上估算了天然水体中OH自由基的生成速率和清除有机污染物的速率。     

分子对接法研究多溴二苯醚衍生物与芳香化酶的作用机理

应用分子对接方法探讨了多溴二苯醚(PBDE)衍生物与人胎盘芳香化酶间的可能作用机理.通过分析对接生成的构象发现,羟基多溴二苯醚(HO-PBDEs)和甲氧基多溴二苯醚(Me O-PBDEs)与人胎盘芳香化酶间形成氢键的情况不同.对人胎盘芳香化酶有抑制活性的HO-PBDEs通过其羟基(—OH)与氨基酸残基Arg435、Arg115、Arg375、Asp309和Ala306形成氢键,而对人胎盘芳香化酶无抑制活性的Me O-PBDEs的甲氧基(Me O—)几乎不与芳香化酶内氨基酸残基形成氢键,这可能是二者对芳香化酶抑制活性不同的原因.由此推测,化合物作为氢键供体可能是多溴二苯醚衍生物具有抑制芳香化酶活性的结构基础.本研究从化合物结构及化合物与人胎盘芳香化酶结合的构象特征上解释化合物活性不同的原因,以期能够利用构象分析得到的结果进行筛选.