Fe-TAML键合环糊精分子反应器构建及其选择性降解微污染物

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21677024
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    68.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0604.水污染与控制化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Micropollutants are ubiquitously detected at low levels (ng/L-μg/L) in aquatic systems, comprising thousands of pesticides, antibiotics, PPCPs, and their transformation products. Many micropollutants cause largely long-term adverse effects, challenging aquatic systems and human health. Various unit processes (e.g., adsorption, oxidation, and biological degradation) and combinations of these processes have been developed to remove organic pollutants (mg/L-g/L) in wastewater. However, they often fail to remove aqueous micropollutants with poor selectivity and low efficiency, because of the interference of natural water components that are 3-9 orders of magnitude more concentrated. Therefore, discovering water treatment technologies of good selectivity and high efficiency is one of key scientific issues for the mitigation of micropollutants in aquatic systems. ..This study is aimed at discovering newly supramolecualr metalloenzyme-like catalysts, containing tetraamidomacrocyclic ligand iron (Fe-TAML) function centers and cyclodextrin (CD) skeletons. The idea to discover such catalysts is created in interdisciplinary crossing of Supramolecular Chemistry and Metalloenzyme Chemistry, both of which provide host compounds (e.g., CD) and metalloenzyme-like catalysts (e.g., Fe-TAML), respectively. CD and Fe-TAML will be covalently conjugated by chemical methods, ensuring chemical stability of the catalysts (i.e., Fe-TAML-CD). Fe-TAMLs, well-known CYP P-450- and Peroxidase-like catalysts, can activate hydrogen peroxide to destruct many pollutants. Cyclodextrins are widely recognized host compounds, characterized by a toroidal shape with a hydrophobic inner cavity and hydrophilic external surface, and their cavities can reversibly encapsulate size-matched guest compounds in the molecular level. So the catalysts may be used to construct newly molecular reactors for the removal of aqueous micropollutants, in which organic pollutants in natural waters will be selectively captured by CD cavities and then be catalytically destructed by the Fe-TAML centers. ..In this study, a variety of Fe-TAML-CD-based molecular reactors will be synthesized by selective substitution reactions between Fe-TAMLs and CDs. Detailed research will be carried out to investigate destruction efficiency of the reactors toward the concerned miropollutants, to reveal working principles of the reactors, and to develop mathematical models of destruction efficiency of the reactors related to chemical structures and properties of micropollutants. Finally, units of the molecular reactors will be designed to destruct micropollutants in natural waters. This study is expected to provide new ideas for the development of micropollution control technologies.
微污染物在水环境中被普遍检出,它们种类多、浓度低、潜在风险大,是水生生态安全与人类健康的重大挑战。水中天然组分干扰常规水处理技术对微污染物的降解去除过程,导致污染物去除的选择性差、效率低。因此,选择、高效的污染控制原理与技术是水体微污染领域的科学难题。本项目通过超分子化学与金属酶化学学科交叉,拟开发新型超分子金属类酶催化体系,将具有类酶催化活性的Fe-TAML共价键合到具有超分子识别功能的环糊精空腔骨架上,制备Fe-TAML键合环糊精及功能材料,可利用环糊精空腔选择性结合与捕捉水中微污染、利用Fe-TAML催化降解所捕捉的微污染物,构筑具有高选择性、高催化降解活性的Fe-TAML键合环糊精分子反应器。将考察该分子反应器对水体中农药、抗生素等微污染物的催化降解性能,揭示其催化反应机理,构建其催化降解效率的的数学模型,尝试将其装置化用于实际水体微污染控制。研究成果预计将为微污染控制提供新思路。

结项摘要

水体中有机微污染物种类繁多,浓度水平低(ng/L-μg/L)。水体中广泛存在的天然组分,浓度通常是微污染物浓度的10^3-10^9倍,干扰有机污染物的降解去除。常规水处理技术由于缺乏选择性难以有效去除微污染物,亟需开发高效高选择性的水处理技术。本研究采用有机合成手段成功制备了Fe-TAML催化剂和环糊精-Fe-TAML键合型催化剂,构建了Fe-TAML键合环糊精均相催化体系及功能材料非均相催化体系。. 基于Fe-TAML/H2O2体系在不同pH值条件下对微污染物的降解速率和污染物结构参数、量子化学参数及催化剂解离形态分布参数,建立了Fe-TAML对微污染物的催化降解性能的预测模型。阐明了Fe-TAML催化剂先与污染物发生弱结合、再被活化生成高价铁活性物种、然后氧化降解污染物的反应机理。该反应机理解释了Fe-TAML/H2O2体系不受水体组分的干扰。Fe-TAML键合环糊精的水解稳定性及氧化稳定性明显提高。Fe-TAML键合环糊精对啶虫脒、磺胺嘧啶等特定结构的微污染物的催化降解性能和催化剂的稳定性均显著高于单独Fe-TAML体系和Fe-TAML/环糊精混合体系。揭示了Fe-TAML键合环糊精通过环糊精的包合作用和结构优化等作用影响了Fe-TAML催化剂的催化活性及稳定性。采用交联聚合手段制备了具有球形结构的Fe-TAML键合环糊精的交联聚合物功能材料(Fe-TAML-CDP)和具有多孔块状结构的Fe-TAML-MgO-CDP复合材料。Fe-TAML-CDP材料对氯酚类污染物降解去除性能高,可循环利用30次以上。Fe-TAML-MgO-CDP材料能够缓慢释放Fe-TAML,可作为Fe-TAML的缓释材料;材料中MgO可以提供碱性环境,使材料具有较好的pH适用性(3-12),能处理酸性和中性水体。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Facile preparation of cyclodextrin polymer materials with rigid spherical structure and flexible network for sorption of organic contaminants in water
轻松制备具有刚性球形结构和柔性网络的环糊精聚合物材料用于吸附水中的有机污染物
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2021.128489
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Wang Maolin;Li Gengxian;Xia Chunlong;Jing Xudong;Wang Rubing;Liu Qingquan;Cai Xiyun
  • 通讯作者:
    Cai Xiyun
Interrelated effects of soils and compounds on persulfate oxidation of petroleum hydrocarbons in soils
土壤和化合物对土壤中石油烃过硫酸盐氧化的相互影响
  • DOI:
    10.1161/atvbaha.115.305881
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Journal of Hazardous Materials
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Wang Yaling;Huang Yi;Xi Puyu;Qiao Xianliang;Chen Jingwen;Cai Xiyun
  • 通讯作者:
    Cai Xiyun

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  • 通讯作者:
    蔡喜运
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  • 通讯作者:
    CA
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通过与环糊精络合改善除草剂丁草胺从土壤中的解吸
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    蔡喜运;边海涛;陈景文;王钰;谢晴
  • 通讯作者:
    谢晴

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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