摘 要

本文主要研究了固定化光合酶系统对甲醛的降解作用及其工艺条件，从固定化酶用量、光照条件、处理时间、温度及不同甲醛浓度下固定化酶降解甲醛的效果这几个方面来研究固定化酶降解甲醛的条件。研究结果表明固定化光合酶对甲醛具有良好的降解效果，是一种很有实际应用意义的甲醛污染治理新方法。通过不同条件下测定的结果，初步确立了固定化酶降解甲醛的工艺条件，所得结果对于后续将此方法投入实际应用的研究具有重要指导意义。

关键词：光合酶系统；固定化；甲醛治理；工艺条件

Abstract

In this paper, the degradation of formaldehyde by immobilized photosynthase system and its process conditions were studied, and the degradation conditions of formaldehyde by immobilized enzyme were studied from the following aspects: the amount of immobilized enzyme, the light condition, the treatment time, the temperature and the effect of the immobilized enzyme on the degradation of formaldehyde under different formaldehyde concentrations. The results show that immobilized photosynthase has good degradation effect on formaldehyde and is a new method for formaldehyde pollution control with practical application significance. Through the determination results under different conditions, the process conditions for immobilized enzyme to degrade formaldehyde were preliminarily established, and the obtained results have important guiding significance for the subsequent research on the practical application of this method.

Key Words：Photosynthase system; immobilized enzyme ; treatment of formaldehyde; technological conditions

目录

第1章 绪论 1

1.1甲醛污染的危害 1

1.2甲醛污染的来源 1

1.3甲醛污染的治理现状 2

1.4光合系统及应用研究 3

1.4.1植物光合系统 3

1.4.2一种甲醛治理的新思路 4

第2章 实验用品及实验方法 5

2.1实验用品 5

2.1.1实验材料 5

2.1.2实验仪器 5

2.1.3实验试剂 5

2.2光合酶系统的制备 6

2.3光合酶含量的测定 6

2.4光合酶系统的固定 7

2.5固定化光合酶活性测定及最适作用pH确定 7

2.6固定化酶对甲醛降解作用观察 8

2.6.1甲醛浓度检测 8

2.6.2固定化光合酶降解甲醛作用观察 9

2.7固定化光合酶降解甲醛的作用条件 9

2.7.1不同酶与基质配比的固定化酶对甲醛降解作用 10

2.7.2不同光照条件下固定化酶对甲醛的降解作用 10

2.7.3固定化酶降解甲醛作用的时间 10

2.7.4固定化酶降解甲醛降解作用的温度条件 10

2.7.5不同浓度甲醛下固定化酶的降解作用观察 10

第3章 结果与讨论 12

3.1制备的光合酶系统 12

3.2光合酶含量 12

3.3光合酶的固定 12

3.4固定化光合酶活性及最适pH条件 13

3.5固定化光合酶对甲醛降解作用 14

3.5.1甲醛浓度检测 14

3.5.2固定化光合酶降解甲醛作用 15

3.6固定化光合酶降解甲醛作用条件 16

3.6.1不同酶与基质配比的固定化酶对甲醛降解作用 16

3.6.2固定化酶降解甲醛作用的光照条件 17

3.6.3固定化酶降解甲醛作用的时间 18

3.6.4固定化酶降解甲醛作用的温度条件 18

3.6.5不同浓度甲醛下固定化酶的降解作用观察 19

第4章 总结 20

第1章 绪论

在现代生活中，人类大约80%的时间是在室内度过的，因此室内空气质量与人类健康息息相关。影响室内空气质量的因素很多，主要是一些具有挥发性的有机物，而这些挥发性有机物又主要来自于装修过程中所使用的装修材料。特别是随着人们生活水平的提高，对居住环境的要求也越来越高，为了使居住环境更加美观和舒适，所使用的装修材料也越来越多，装修过程也越加复杂，而这些在提高室内环境的舒适度的同时，对室内空气质量也带来了很大影响。在这些装修材料中产生的五种主要污染物分别是甲醛、苯系物、氨气、氡和总挥发性有机化合物（TVOC）^[1]，而其中又以甲醛更为受到重视，所以研究甲醛的治理方法也就显得非常有必要。

1.1甲醛污染的危害

甲醛（Formaldehyde），化学式HCOH，是最简单的醛类物质。沸点为-19.5℃，易挥发，常温下为无色具有刺激性气味的气体。甲醛可以与水、乙醇、等以任意比例混溶，甲醛水溶液浓度最高可达55%，常见的为36%-40%，这个浓度范围的俗称福尔马林，具有防腐作用。甲醛在空气中可以被逐渐氧化为甲酸，是一种强还原剂。甲醛在甲醛溶液里也容易发生聚合，形成三聚甲醛，因此，在一般商品中，会加入10%～12%的甲醇作为阻聚剂，防止其发生聚合。

甲醛是对室内空气质量影响最大的污染物之一，早已被世界卫生组织（WHO）和国际癌症研究机构（IARC）确定为I类致癌物质，在我国的有毒化学品优先控制名单上也排在了第2位^[2]。我国对室内空气中的甲醛浓度有明确规定，在2002年发布的GB/T18883-2002《室内空气质量标准》中，明确规定了室内空气中甲醛含量应小于等于0.1mg/m³。人们如果长期生活在甲醛超标的环境中，会产生一系列的病状，甚至导致癌症。

甲醛对人体的危害大概可分为以下几个方面：（1）对皮肤黏膜具有刺激作用，有研究表明长期生活在大于0.08mg/m³甲醛浓度的环境中，可引起眼痒、眼红、咽喉不适或声音嘶哑、打喷嚏、胸闷、气喘、皮炎等症状^[3]；（2）长期处于甲醛超标的环境中会患上慢性呼吸道疾病，可能导致呼吸功能障碍和肝中毒性病变^[4]；（3）有研究表明甲醛可以引起人类产生鼻咽癌、鼻腔癌和鼻窦癌等癌症^[5]。

1.2甲醛污染的来源

甲醛污染的来源大体上可分为室内与室外两种。

1. 室外空气中甲醛的来源

室外空气中的甲醛主要来自于一些皮革厂、造纸厂或化工厂，这些工厂在生产过程中会产生一些废气，在产生的废气中就会含有甲醛这种物质，如果不经处理直接排放到空气中的话，就会影响工厂附近空气中的甲醛含量^[6]。此外，一些石油化工产品, 比如石油、煤炭等；或者是香烟等产品, 在高温的影响下都有可能产生大量的甲醛物质^[7]。

1. 室内空气中甲醛的来源

室内空气中的甲醛主要来自于装修材料，现在所使用的装修材料很多是人工合成的，如人造板材^[8]、涂料、壁纸等，这些人造材料中很多都含有甲醛。以及很多装修过程需要用到粘合剂来进行黏连，而这些粘合剂中往往都含有甲醛。由于装修过程所使用的材料大多都含有甲醛，因此新装修的室内甲醛浓度一般来说较高^[9]。而装修材料中的甲醛释放是一个缓慢而长期的过程，有研究表明，甲醛释放时间可持续3-10年^[1]。

1.3甲醛污染的治理现状

因为甲醛对室内空气质量和人体健康具有较大影响，许多科学工作者针对如何治理甲醛污染提出了不同的方法。目前治理甲醛污染主要有物理方法、化学方法、生物方法以及不同方法之间相互耦连^[10]。

（1）物理方法

甲醛治理的物理方法主要是通过一些具有多孔性、吸附性强、化学性质较为稳定的吸附性材料来对空气中的甲醛进行吸附。常用的吸附材料有活性炭^[11]、硅藻土^[12]、膨润土^[13]以及分子筛^[14]。这些材料的原料大多来自于天然矿物，来源广且便宜易得。在这方面的研究较多，很多研究者都证明了这些吸附材料对于较高浓度甲醛具有较好的吸附效果，具有一定的实际应用价值。但物理法也存在着吸附不彻底，对低浓度甲醛污染处理效果不是太理想的问题，且物理法只是对甲醛进行了简单的物理吸附，没有实际降解甲醛，吸附后的吸附材料还需进一步处理。

（2）化学方法

由于甲醛是一种强还原剂，因此可以采用一些具有强氧化性的化学试剂来与甲醛进行氧化还原反应而达到去除室内空气中甲醛的目的^[10]。常见的可以与甲醛发生反应的试剂有高锰酸钾、重铬酸钾、双氧水等强氧化剂，但这些试剂要么本身也属于危险品，要么本身极不稳定。所以研究人员研究出了一些新的化学方法，包括硫酸铜法（在碱性环境中, 铜离子生成氢氧化物沉淀与加入的络合剂反应, 生成可溶性络合物，这种络合物又可以与甲醛反应，从而达到去除甲醛的目的）、氨基酸法（原理是甲醛与氨基酸中的氨基反应, 生成羟甲基衍生物而去除甲醛）、金属催化剂法（根据贵金属催化和还原性载体间具有的强金属—载体作用可以来有效地清除甲醛）以及光催化剂催化法（利用纳米Ti O2光催化剂具有分解有机物、可降解有毒气体、杀菌等性能来对甲醛进行清除）。化学方法在物理方法吸附的基础上对甲醛进行反应，达到去除甲醛的目的，但化学方法存在所需试剂复杂、成本较高、且试剂本身可能存在一定的危险性。

（3）生物方法

生物方法与化学法和物理法相比，不仅保持了较高的甲醛清除效率，而且对环境更加友好，不产生二次污染，是一种较为理想的甲醛治理方法。目前常用的生物方法有绿色植物法^[15]、微生物法^[16]、酶催化法。

绿色植物法主要是利用一些植物如绿萝、常青藤等对甲醛具有清除作用的绿色植物来对甲醛进行治理，是最绿色环保的方法，由于是直接利用植物来进行处理，所占空间较大，需要一个较长时间才能达到预期效果。微生物法利用一些可以降解甲醛的微生物，并对这些微生物进行固定化，设计合适的净化装置，让微生物在生长的同时对甲醛进行降解，不过所需成本较高，占地面积较大，实际应用存在一定缺陷。酶催化法目前的研究是采用人工模拟酶的方法，报道的有采用ACF (活性炭纤维) 与高分子材料复合然后负载纳米银杀菌剂来模拟酶催化剂^[17], 对甲醛进行降解，酶催化法目前研究较少，由于酶的高效催化性，相信在甲醛治理方面具有很好的前景。

目前甲醛治理的方法报道的已经有很多，但都存在一定的局限性，因此还需要研究更加具有实际应用意义的甲醛治理方法。

1.4光合系统及应用研究

1.4.1植物光合系统

植物的光合系统是一个非常复杂的系统，光合作用过程中涉及到的酶及非酶物质多种多样，这些物质通过不同组装完成光合作用。植物的光合作用涉及到一系列的电子传递过程，并伴随着能量从光能转化为电能再转化为化学能，这个过程中也产生了大量具有氧化性的中间体物质。光合作用中的电子传递是由一系列的电子载体组成的，包括细胞色素、黄素蛋白、质体醌和铁氧还蛋白^[18]等，这些电子载体分别组装在膜蛋白复合物上，如PSⅠ、PSⅡ及Cytb₆f复合物等^[19]。

光合作用将太阳能转化为化学能，是地球上绝大部分能源的来源^[20]，也是地球生物赖以生存的基础^[21]。研究光合作用是十分重要且有意义的，更重要的是通过研光合作用产生灵感，去创造出基于光合作用的应用型成果，利用好光合作用这一神奇过程。目前对光合系统的应用主要集中在能源领域和合成领域，比如基于光合作用的生物光伏产业^[22]、以及利用人工光合系统合成过氧化氢和氢气^[23]等。将光合系统用于其他领域还有待研究。

1.4.2一种甲醛治理的新思路

植物在空气污染治理中有重要作用。植物的光合过程涉及大量的氧化还原事件和多种氧化还原酶，产生多种强氧化性的中间体，有可能对小分子有机物产生作用。经前期实验观察，植物光合酶系统对甲醛等小分子有机物具有一定的清除作用，本文拟进一步对植物的光合酶系统进行固定化和优化，探讨固定化光合酶系统光解清除甲醛的工艺条件，初步探索一种有效的、安全的生物治理甲醛污染新方法，并且有望用于降解其他室内VOCs。

根据光合作用机制，将植物的光合作用原理应用于室内甲醛治理是一种很好的思路，有理由相信新型的生物治理技术不仅在甲醛，还可能在其他VOCs污染治理领域发挥重要作用。

第2章 实验用品及实验方法

2.1实验用品

2.1.1实验材料

从超市买来的新鲜菠菜，用水清洗干净后尽量去除叶片上残留的水，然后将叶片摘下备用。

2.1.2实验仪器

本实验主要仪器见表2.1。

表2.1 实验仪器

2.1.3实验试剂

本实验所用试剂药品见表2.2。

几种试剂的配制方法。

1. 乙酰丙酮溶液：2.5%（V/V），称量25.0g乙酸铵，加入少量水溶解，再加入3.0mL冰乙酸和0.25mL乙酰丙酮，混匀后转入容量瓶，加水定容至100mL,调PH=6.0。
2. 2,6-二氯靛酚钠盐（2,6-二氯吲哚酚钠）母液：0.5mmol/L,用分析天平称取0.0145g 2,6-二氯靛酚钠盐，加入100mL水溶解，溶解完毕后转移至细口瓶内，置于4℃冰箱中储存。
3. 2,6-二氯靛酚钠盐（2,6-二氯吲哚酚钠）使用液：0.0025mmol/L，临用前取0.5mL母液稀释200倍即可。
4. TRIS缓冲液：0.05mol/L，Ph6.0
5. 海藻酸钠溶液：2%

表2.2 实验试剂

2.2光合酶系统的制备

材料处理：将买来的新鲜菠菜清洗干净，尽量除去叶片表面的水。

细胞破碎：将处理后的叶片撕碎，放入搅拌机，加入适量0.35mol/L NaCl，充分破碎。