生物降解的聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物的天然细菌接收水系统

文摘

聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物(PAC)是一种新型高效水处理药剂,和是否可生物降解的决定了它的应用前景在实际循环冷却系统。摘要PAC的生物降解性研究的天然细菌接收水生活污水的循环冷却系统,并研究了二氧化碳进化测试。共聚物(PAC)的特征红外光谱、1 h NMR和13 c NMR。结果表明,降解率的PAC 10天,28天分别达到28.05%和79.73%,这表明,PAC属于可降解水处理剂。与柠檬酸的添加比例的增加在共聚过程和共聚物的分子量下降,PAC的生物降解能力显著增强。Cu2 +可以通过抑制酶降解率减少活动。此外,与其他商业规模抑制剂相比,PAC的可生物降解性能好。

关键字

聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物;生物降解性;细菌

介绍

基于“的概念绿色化学抑制剂使用”,目前的趋势是朝着更环保的特工,无疑是发展的趋势1]。水处理药剂的长期积累在环境中会导致无法控制的环境污染。这是一个重要的过程减少环境中的接触这些化学物质的浓度,防止其扩散和在特定环境中的积累2]。一种可生物降解的物质将导致更少的生态问题从长远来看比持久(3- - - - - -4]。因此,生物降解性能已经成为一个新的水处理药剂的评价的重要参数。

目前“绿色”水处理药剂主要包括研究(PASP) polyepoxysuccinic酸,和天然聚合物。Poly-aspartic酸(PASP)是一个有前途的生物高聚物。作为水处理剂,PASP显示抑制性能优越,特别是CaCO₃和卡索₄,但其阻垢率为Ca₃(PO₄)₂和腐蚀抑制效率并不突出,因此限制了其大规模的商业应用程序(4- - - - - -6]。修改研究作为PASP的替代品。

化学物质的生物降解性能评价方法分为两种类型:有氧和厌氧方法。前者包括有氧率法、矩阵删除法,微生物指数法,和二氧化碳进化测试。后者包括天然气生产和挥发酸化验,挥发性悬浮固体试验,和无线电标记化合物测定(7- - - - - -8]。经济合作与发展组织(OECD)是领先的国际努力规范生物降解测试方法。经合组织的二氧化碳(有限公司₂)方法(9)基于Sturm的原始的测试(10)通常用于评估或多或少的可溶性有机化合物的生物降解性。进化的二氧化碳被认为是由经合组织标准是唯一明确的微生物活动的证据。

在这篇文章中,聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物(PAC)合成的两种单体(天冬氨酸和柠檬酸)。PAC为特征的红外光谱法(IR)和核核磁共振光谱学(¹H NMR和¹³C NMR)。其生物降解性二氧化碳气体的方法,研究了在不同条件下(柠檬酸含量、分子量、铜^{2 +}内容和商业规模抑制剂)。

实验

材料和设备

聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物(PAC)是在实验室做的。氨基环丙烷膦酸(ATMP)是工业产品从山东莱昂纳多化工有限公司,有限公司研究(PASP)从上海购买源生物科技有限公司有限公司其他试剂用于实验由天津精细化工有限公司,有限公司

玻璃仪器是浸泡在乳液(50克K₂Cr₂O₇and1000毫升H₂所以₄)为30分钟,用自来水洗净,浸泡在乳液为另一个60分钟,用蒸馏水洗净,干在105°C到删除所有的有机或有毒物质。

PAC的表征

红外光谱:少量的纯化样品PAC是真空干燥60°C到恒重,混合与溴化钾压到磁盘上。红外光谱中光谱范围400 - 4000厘米¹共聚物的记录由珀金埃尔默谱100光谱仪美国制造。

¹H NMR和¹³C NMR:¹³C NMR和¹H NMR光谱测量PAC的力量推进AV 500 MHz NMR谱仪在瑞士。5毫克样品和1毫升D₂用于测量。

PAC的生物降解性的方法

测试设备所示:图1,测试装置由气体供应系统(1、2、3、9、10),和一个系统检测气体(4),和一个有限公司₂捕捉系统(5、6、7、8)。空气没有有限公司₂是提供的天然气供应系统。的有限公司₂捕捉系统吸收有限公司₂生产检测混合液体的三个层次。提供的水密封,防止外部空气进入7,这可能影响实验结果的测试设备。

准备检测的混合解决方案

解决方案与8.5 g KH的准备₂阿宝₄21 mL.75 g K₂HPO₄,33.4 g Na₂HPO₄•2 h₂啊,和0.5 g NH₄在1000毫升容量瓶Cl。解决方案B和22.5 g MgSO准备₄•7 h₂在1000毫升容量瓶O。解决方案C和36.4 g CaCl准备₂•2 h₂在1000毫升容量瓶O。解决D和0.25 g FeCl准备₃•6小时₂O和一滴盐酸1000毫升容量瓶。

发现混合解决方案是用800毫升H₂O 10毫升溶液1毫升溶液B, C, D, 40毫克测试碳源物质(转换PAC: 111.4827毫克;PASP: 95.8毫克;葡萄糖:100毫克;苯胺:51.7毫克)在1000毫升容量瓶中,并调整到7.4。

剂的制备方案

在测试前,原水中的杂质(包含细菌)通过使用粗过滤器被移除。过滤水培养在培养板的光孵化器根据板24小时计数方法。最后,的数量细菌据估计在平板划线分离方法来确定接种的稀释比例。实验结果是10²(细菌的细菌数量的解决方案是10⁴-10年⁵CFU / mL, TOC < 4 mg / L)。

二氧化碳进化测试

本文调查了PAC二氧化碳进化的生物降解性测试。1毫升细菌的解决方案是添加到检测混合解决方案(第四jar图1)。的气流没有有限公司₂注入被探测到混合溶液的流量约80 - 120毫升/分钟。一个测试周期是28天,测试温度保持在23±1°C。实验是在黑暗中进行。当实验开始时,公司的内容₂为5日生成样本根据滴定每隔一天决定。同时,6号和7号样品进展5日和6日样品(图1)。然后在第三层次水密封了。容器所取代,直到测试完成(11]。

空白对照组,1毫升10 g / L HgCl₂发现加入一定量混合解决方案抑制微生物活动。15天之后,相同剂量的HgCl₂又添加了。

公司的结果所表达的内容₂生成的。有限公司₂发现产生的混合溶液吸收Ba(哦)₂解决方案在酸碱滴定法。Phenolphthale作为指标,和残余Ba(哦)₂与0.05盐酸滴定滴定结束点粉红色的消失了。退化百分比计算(DM %)根据情商。(1):

结果与讨论

PAC的表征

红外光谱分析:所示图2,傅里叶变换红外光谱学(红外光谱)是用于描述的功能组负责共聚物的生物降解性。从曲线的特征吸收峰的氮氢键和C = O键伸缩振动出现在3392.55厘米的波数⁻¹和1604.66厘米⁻¹,分别。原因是- c = O的伸缩振动吸收峰在1850 - 1600厘米左右¹。债券与C、O、N吸收峰的C = O是1715厘米⁻¹,1735厘米⁻¹和1680厘米⁻¹,分别。此外,由于共轭效应的C = O和氮原子,C = O键的电子云搬到碳氮单键,导致其电子云密度的降低和减少的力常数。最后,C = O的吸收峰是1650厘米⁻¹。峰值在911.75厘米左右⁻¹和1298.22厘米⁻¹代表切断的羧基伸缩振动,分别为平面变形振动-哦。乐队在1074.28厘米⁻¹在图2是由ch的弯曲振动₂- - - ch -。吸收峰在1635.52厘米¹和526.53厘米¹天冬氨酸单体聚合的β结构表示。这些山峰表示,天冬氨酸的共聚和柠檬酸确实发生。红外光谱分析结果表明,共聚物的功能组织有相似特征的PASP的热聚合合成天冬氨酸(12- - - - - -14),证实本研究中使用的共聚物PAC。

¹H NMR和¹³C NMR分析

图3显示了¹³C PAC共聚物的光谱。在与相关¹³C NMR谱化学位移值、化学变化在173.98 ppm, 172.46 ppm, 71.5 ppm出现羰基acylamino,羰基和碳的柠檬酸与酰胺组分别。ch的₂(nh) - 50.41 ppm, ch₂- - - - - -柠檬酸(34.41 ppm)和ch₂- - - - - -天冬氨酸(18.27 ppm)碳被观察到¹³PAC的C NMR谱,证实本研究中使用的共聚物PAC。

¹H NMR光谱PAC所示图4。质子共振峰的nh (-CO-NH)亚甲基(ch₂柠檬酸)和亚甲基(ch₂天冬氨酸被认为的)化学变化从1.45 - -1.58 ppm,分别为2.06 -2.13 ppm, 4.46 - -4.78 ppm。屏蔽区域出现上下方向的双键。C = O的化学位移是在高磁场2.98 - -3.03 ppm。2.06 - -2.13 ppm和4.46 - -4.78 ppm的共振峰表示,PAC存在异构体,这进一步表明共聚物的结构。

生物降解性的聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物(PAC)

所示图5,看到的退化百分比PAC (Mw: 16242)在10天,28天分别为28.05%和79.73%,分别。葡萄糖的退化百分比分别为38.91%和98.99%,降解苯胺的百分比分别为29.12%和60.15%,分别。根据对生物降解性的评价标准水溶性OECD301B方面,PAC属于容易生物降解的水处理剂。不同生物降解百分比的原因是由化学结构的差异造成的。在有氧条件下,葡萄糖可以直接退化和完全氧化有限公司₂和H₂通过化学反应与氧气分子。含有苯环,然而,苯胺氧化邻苯二酚首先,同时NH的释放₄⁺。苯邻二酚降解可以开环由两个方面,即元位置和邻位的分解代谢过程。催化是通过儿茶酚1、2加双氧酶和儿茶酚2,3加双氧酶,分别。邻位的分解途径,儿茶酚是减少之间的两个羟基,然后琥珀酸乙酰辅酶(三羧酸循环的中间代谢物)通过多步反应。元位置异化的途径,儿茶酚在一侧的羟基被切断,产生丙酮酸和乙醛15- - - - - -17]。PAC没有苯环但其结构比葡萄糖更复杂。PAC的结构类似于酰胺结合蛋白及其降解是一个多步骤的过程。首先,它需要微生物胞外酶将PAC分解成短肽,然后将分解成小分子的氨基酸。最后它将生产有限公司₂和N₂通过脱氨基作用和脱羧。因此,生物降解性的PAC优于苯胺但略低于葡萄糖。

柠檬酸的含量对PAC的生物降解性

图6显示了柠檬酸的含量对PAC的生物降解性。PAC的生物降解性与增加的比例显著提高柠檬酸的共聚物,因为属性、位置和数量的官能团的分子结构PAC可以影响微生物生物降解性(18- - - - - -19]。柠檬酸属于多羧酸的酸,这是一个安全,无毒,可生物降解常见的原料。其分子包含一个羟基(-哦)和三个羧基组(羧基),一个亲水基团,可与合成聚合物相互作用,并与各种金属离子螯合,和羧基可以与水形成氢键20.]。因此,柠檬酸的比率增加共聚物可以提高聚合物的亲水性,为微生物提供了一个舒适的生活环境和更积极的网站降解酶。随着共聚物中柠檬酸含量的增加,羧基的数目增加。微生物分解和共聚物变得更容易为微生物提供了营养。因此,将更有利于微生物的生长和外源微生物利用的物质。退化比例提高。

影响共聚物分子量的PAC的生物降解性

所示图7共聚物的降解比例,随分子量的PAC(兆瓦兆瓦:16242:16958年,Mw: 26764), 28.05%, 17.7%, 15%, 10天,79.73%,51.75%,36.15%,28天,分别。它可以观察到,随着共聚物分子量的增加,共聚物的生物降解能力被削弱,潜伏期延长。高分子量聚合物的相对贫穷的生物降解性能可能归因于的扩散微生物和酶分子内部的共聚物,阻碍了酶或细菌的攻击最敏感的反应。此外,根据指定的OECD301B水溶性生物降解性的评价标准,容易生物降解水处理剂的理论退化率为10天,28天分别为10%和60%。根据这一标准,共聚物分子量为16958和26764的降解率标准不能满足easy-biodegrading水处理剂。可能归因于这样一个事实:有一个最佳的共聚物的分子量范围有效地展示其抑制性能。分子量超过一定范围后,PAC的抑制能力将大大削弱。因此,条件相似的阻垢性能,低分子量的产品应该用作水处理剂的考虑环境兼容性。

铜的影响^{2 +}PAC的生物降解性

图8显示与铜的逐渐增加^{2 +}浓度,PAC的降解率下降。其原因可能是生物降解是一个酶催化反应和铜^{2 +}绑定与sh的酶可以使酶失去活性,从而影响底物与酶活性中心,和化学反应能力21]。此外,铜^{2 +}带正电的离子,倾向于与带负电荷的细菌蛋白,增强其杀菌性能(22]。因此,增加铜的浓度^{2 +}可以杀死部分细菌,从而降解率会降低。

PAC中生物降解性的比较,ATMP和PASP

从图9,观察PAC的退化百分比,PASP和ATMP 10天,28天28.05%,38.31%,38.09%,79.73%,93.56%,79.32%。根据对生物降解性的评价标准水溶性OECD301B方面,PAC, PASP和ATMP属于易生物降解水处理药剂;然而,生物降解性的三个代理之间存在着显著的差异。原因可能是分配给PAC的化学结构区别,PASP ATMP。只是共聚物结构之间的结合力减弱细菌和活跃的网站对外源性物质的生物降解性,从而降低微生物降解酶的活性和随后影响其生物降解性能。ATMP分子包含三个膦酸组与负电荷,从而排斥带负电荷的细菌蛋白质分子,导致平均降解性能。PASP是一种聚氨基酸的α和β两种同分异构体,所示图10。此外,还有两个羧基的结构和碳氮键PASP PAC,但它可能是归因于这样一个事实:羧基组的PAC结构与长碳链取代基,这对生物降解性有负面影响。最后,PASP的生物降解能力略高于PAC。

结论

聚天冬氨酸的柠檬酸味酸)共聚物(PAC)是一种新型的水溶性代理,可以作为生物降解的水处理剂。PAC的结构类似于酰胺结合蛋白及其降解是一个多步骤的过程。微生物细胞外酶PAC分解成短肽,可以产生有限公司吗₂和N₂通过脱氨基作用和脱羧。与柠檬酸的比率的增加在共聚过程和共聚物的分子量下降,PAC的生物降解能力显著增强。柠檬酸的比率的增加共聚物可以提高聚合物的亲水性,为微生物提供了一个舒适的生活环境和更积极的网站降解酶。高分子量聚合物的相对贫穷的生物降解性能可能是由于微生物的扩散和酶分子内部的共聚物,从而阻碍酶或细菌的攻击最敏感的反应。铜^{2 +}可以通过抑制酶降解率减少活动。此外,与其他商业规模抑制剂相比,PAC的可生物降解性能优良的由于存在多个羧基组(羧基)和肽债券(-CO-NH)。

确认

我们感谢所有员工的红外光谱,¹H NMR和¹³C核磁共振测量。此外,金融国家自然科学基金委的支持(中国自然科学基金批准号51308211),中央大学的基础研究基金(批准号2015 ms63)和河北省自然科学基金(格兰特No.E2016502097)感激地承认。

引用

1. 徐Y,等。合成研究/ 5-aminooroticacid接枝共聚物和评价阻垢和腐蚀的抑制性能。海水淡化2013;311:156 - 161。
2. 拉尔森RJ, et al .丙烯酸聚合物和低聚物的生物降解混合活性污泥中微生物群落。聚合物降解环境杂志》1997;5:41-48。
3. Lefaux年代,et al。连续自动测量二氧化碳所产生的微生物在有氧条件:应用生物降解蛋白质的电影。c . r . Chimie 2004;7:97 - 101。
4. 普拉多博物馆N, et al。生物降解活性污泥和毒性的四环素半成品膜生物反应器。生物技术2009;100:3769 - 3774。
5. 垫片JK,等。设计和操作注意事项使用平一体式膜生物反应器废水处理。过程的生物化学2002;38:279 - 285。
6. Agarwal年代,et al。研究玻璃化转变温度和硫化镉/聚苯乙烯纳米复合材料的力学性能。石油Eng Sci 2013;53:1223 - 9。
7. 陆K,等。有机化合物生物降解性的评价方法。下巴。:生态2013;24:579 - 606。
8. Srinivasa r . et al。发展绿色/可生物降解聚合物对水扩展应用程序。Int Biodete Biodegrad。2014;95:225 - 231。
9. 经合组织界线指令de l 'OCDE倒lesessais de produitschimiques。巴黎,1992年。
10. Sturm RN, et al。石油化学表面活性剂的生物降解性。Soc 1973;:159 - 166。
11. 有限公司₂进化测试。经合组织指导测试的化学物质301 b。1992年。
12. 李司法院,等。研究合成和抑制PASP的性能。:化学印第安纳州2008;37:770 - 776。
13. Roweton年代,et al。保利(天冬氨酸):合成、降解和当前的应用程序。J围住聚合物Degrad 1997;5:175 - 181。
14. Euvrard M, et al .羧基的聚电解质对碳酸钙的生长的影响。J晶体生长2011;317:70 - 78。
15. 先生R, et al。最近的趋势在可生物降解的生物聚合物产品。阿德生物技术2010;9:1 - 5。
16. Surovtseva如et al .破坏Mnochloroanilines由元乳沟粪产碱杆菌属。研究Dokl阿德莱德SSSR 1980;254:226 -230。
17. 后Zeyer J和蒂米斯KN。微生物矿化的Ring-subsituted苯胺类通过Ortho-cleavage通路。:环境微生物1985;50:447 -453。
18. Guohui w .环境microbiology-the原理和应用。北京:化学工业出版社。2010.9。
19. Tomida M, et al。生物可降解水凝胶的制备条件和性能由γ-irradiation保利(天冬氨酸)的合成了热缩聚。聚合物1997;38:2791 - 2795。
20. 香港,等。合成、表征、和抗肿瘤活性的聚(马来anhydride-co-vinylacetate-co-acrylic酸),J:体系2006;100:3425 - 3432。
21. Guohui W, et al .环境工程微生物学。北京:科学出版社,2010.9。
22. 张YX,等。合成和小说quadripolymer抑制剂的抑制效率,下巴。j .化学。Eng 2007;15:600 - 605。