DOI: 10.1016/j.cej.2022.138902

生物催化纳米纤维膜结合了膜和酶的优点，高效的催化性能和动态催化稳定性使其在废水处理中备受关注。然而，这些膜通常是聚合物膜，会产生一定的污染，与环境可持续性背道而驰。相比之下，陶瓷基膜由于其低风险的回收和处置程序而更具环保性，但这些膜的脆性限制了它们的实际应用。在此，本文报告了高柔性SiO2生物催化纳米纤维膜（NFMs）的制备及其在新兴污染物生物修复中的应用。本研究使用商业漆酶（EC1.10.3.2）作为模型生物催化剂来评估不同策略对改善NFMs催化性能的影响，包括单位膜重量的酶载量和表观活性。聚多巴胺（PDA）和聚乙烯亚胺（PEI）共沉积实现的酶固定化显示出最佳的固定化产率（57.9±0.5%）和每克膜6.4±1.1U的表观活性。与游离酶相比，制备的生物催化膜在五个循环后保持了80%的剩余活性。此外，膜对五种新兴污染物双氯芬酸、甲芬那酸、苯扎贝特、比卡鲁胺和克拉霉素的消耗率>95%。总体而言，柔性生物催化陶瓷膜有望成为一种用于可持续废水处理的新型技术平台，并为先前较少涉猎的膜应用领域带来新的见解。

图1.a）通过无针静电纺丝原硅酸乙酯（TEOS）/聚乙烯醇（PVA）溶液，然后进行煅烧工艺，大规模生产静电纺丝纤维膜（NFMs）。b,e）前体纳米纤维和煅烧SiO2纳米纤维的SEM图像。c,f）前体纳米纤维和煅烧SiO2纳米纤维的纤维直径分布。μ和σ分别是指纤维直径的加权算术平均值和标准偏差。d,e）前体纳米纤维膜和煅烧SiO2纳米纤维膜的横截面SEM图像。

图2.a）纤维膜功能化和漆酶固定化示意图。b-d）SiO2-SA、SiO2-PD和SiO2-PE纳米纤维的SEM图像。e-f）选定NFMs的ATR-FTIR光谱。g）Lac-SiO2-PE的激光共聚焦扫描显微镜（LCSM）图像。绿色荧光信号来自荧光标记的酶。未标记条的比例尺为10µm。

图3.a）固定后的固定化溶液（残留溶液）、洗涤缓冲液和固定化期间的固定化纤维中的酶量分布。b）在1mM KCl离子强度下，纤维膜的Zeta电位随pH的变化。水平实线与曲线的交点描绘了每种纤维膜的等电点。c）不同纤维膜上的纤维（SAfiber）比活性和固定化漆酶（SAimm）比活性。d）残留溶液、洗涤缓冲液、固定化纤维的总酶活性以及计算的活性损失。固定化过程中酶原液与膜的质量比为1:1。e）残留溶液、洗涤缓冲液、固定化纤维中的总残留酶活性以及计算的损失活性。不同酶原料与膜质量比的总纤维活性比例显示为散点图。数据为两个独立重复样本的算术平均值±标准偏差。

图4.a）Lac-SiO2-PE NFMs和游离漆酶的pH稳定性。b）Lac-SiO2-PE NFMs和游离漆酶的热失活动力学。酶溶液和Lac-SiO2-PE片（在50mM醋酸盐缓冲液中，pH4.5）在50℃下孵育2小时。c）Lac-SiO2-PE NFMs回收利用的相对活性。A和A0是指游离或固定化酶的剩余和初始活性。数值为两个独立重复样本的算术平均值±标准偏差。

图5.膜去除EPs的性能。a）对照膜和lac-SiO2 NFMs对5种选定EPs的消耗率。b）lac-SiO2 NFMs在5种选定EPs混合物中的循环性能。c）批量研究中Lac-SiO2-PE NFMs的双氯芬酸转化效率（%）。数据为两个独立重复样本的算术平均值±标准偏差。