Mikroföroreningar som hormonstörande ämnen, bekämpningsmedel och läkemedel har skadliga effekter på folkhälsan och akvatiska ekosystem, även på spårnivå. Biokatalytiska membran uppvisar hög effektivitet för avlägsnande av mikroföroreningar på grund av integrationen av enzymkatalys och membranseparation.

Att uppnå långsiktig stabilitet och hög katalytisk effektivitet på samma gång är fortfarande en utmaning vid tillverkning av biokatalytiska membran. Inspirerad av den flytande mosaikmodellen av cellmembranstrukturen, en forskargrupp ledd av prof. Wan Yinhua från Institute of Process Engineering (IPE) vid den kinesiska vetenskapsakademin har förberett ett nytt biokatalytiskt membran med hög enzymaktivitet och stabilitet för att avlägsna mikroföroreningar. Studien publicerades i Chemical Engineering Journal den 28 nov.

Forskarna justerade membranets inneslutningsstyrka, därigenom reglerar rörligheten av det immobiliserade enzymet via tredimensionell (3-D) modifiering av stödskiktet av nanofiltreringsmembranet.

En musselinspirerad beläggning applicerades för att modifiera hela stödskiktet av nanofiltreringsmembranet (kallad 3-D modifiering), och laccas begränsades därefter icke-kovalent i ett modifierat nanofiltreringsmembran genom omvänd filtrering.

"Laccase kan stabiliseras i det 3-D modifierade stödskiktet av nanofiltreringsmembranet med en enhetlig fördelning, hög enzymbelastning, och ultrahög lagringsstabilitet. Dessutom, det modifierade nanofiltreringsmembranet är mångsidigt för olika enzymimmobilisering, " sa prof. Wan.

Ännu bättre, denna musselinspirerade 3D-modifieringsstrategi förbättrade inneslutningsstyrkan hos membranet till enzym med liten ökning i massöverföringsmotstånd för substrat och produkter, som effektivt fördröjde enzymläckaget och samtidigt gav enzymet en nivå av rörlighet för effektiv katalys.

Det förberedda biokatalytiska membranet med optimerad inneslutningsstyrka uppvisade hög katalytisk aktivitet och långtidsstabilitet i sju återanvändningscykler och 36 timmars kontinuerlig drift för avlägsnande av mikroföroreningar.

Forskarna föreslog också ett enkelt protokoll för att kvantifiera mobiliteten hos det immobiliserade enzymet, som exakt skulle kunna återspegla inneslutningsstyrkan hos de modifierade membranen, såväl som de biokatalytiska membranens katalytiska prestanda.

Dessutom, det modifierade membranet skulle kunna tjäna som en enzymlagring och kontrollerbar anordning för fördröjd frisättning för reaktion och dosering. "Detta arbete erbjuder inte bara en mångsidig plattform för att immobilisera olika enzymer och förbereda överlägset biokatalytiskt membran, " sa professor Luo Jianquan från IPE, "men ger också vägledning för att utforma en optimal inneslutningsmiljö för enzymer i membranet, underlätta potentiella tillämpningar av det biokatalytiska membranet i förbättrad bioomvandling, drogleverans, och biosensorer i liten skala."