辣根过氧化物酶（HRP）作为生物催化的一个典型的酶，广泛应用于工业和医疗过程，尽管HRP也被应用于除苯酚和苯胺以外的其他有机污染物的分解，但仍存在由于分子几何形状不匹配，许多抗生素和有机染料几乎无法进入HRP活性催化中心、对HRP进行过多修改可能会减少对HRP活性位点的访问、大量添加介体到体系可能会导致二次污染等挑战，极大限制了HRP的应用范围。酚类化合物，特别是富含电子的酚类化合物已被发现是醇电催化氧化的有效电化学介体，Lusztyk及其同事此前研究过酚氧自由基的高反应性，他们发现酚氧自由基的反应性比过氧自由基高100–300倍。因此拟提出以酚类化合物为介体HRP催化降解有机污染物，提高HRP得催化降解效率并扩宽HRP的应用范围。
图1 以酚类化合物为介体的HRP催化降解机理
近日，深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生谢鹏、张望作为共同第一作者，深圳大学陈彦涛副教授和澳大利亚弗林德斯大学贾中凡博士作为共同通讯作者在《International Journal of Biological Macromolecules》(影响因子8.025，中科院JCR一区，TOP期刊)上发表了题为“Phenoxyl mediators improve enzymatic degradation of organic pollutants: Effect and mechanism”的研究论文。
在本研究中，一系列天然的、低毒的酚类化合物，被确定为去除有机污染物的有效酶氧化介体，构建了酚类化合物作为介体的 HRP/H2O2系统并展示了酚类化合物如何克服 HRP/H2O2 在催化降解各种有机污染物和抗生素时的底物限制，并结合分子模拟、对接和前沿轨道能量分析，阐明了介体的性能和机理。苯酚和4-HBA 、pHBA两类天然酚类产品，被证明是良好的介体(如图2a)，并且添加极低载量的介体(污染物分子的 2-5%)催化速率就提高了100倍以上，意味着即使具有低活性的 HRP也可以在介体的帮助下有效地催化有机污染物的氧化，且使用4-HBA作为介体时，30 min内降解率可达70%，而在没有介体的情况下降解率为20% (如图2b)。
图2(a) 当催化时间为120 min时，使用或不使用介体的TC降解效率的比较；(b)介体的质量浓度为TC的5%。
通过分子对接和前沿轨道能量分析进一步评估了酚类化合物的异构效应和取代效应，相关的构效关系可以解释如下：(1) 介导催化反应的第一个循环是在HRP的血红素穴中产生苯氧基自由基，并要求介体能高效地进出催化中心，因此，介体到HRP活性位点的距离决定了性能提升的下限，如图3。(2) 生物降解过程是由从有机污染物中的夺取氢原子(HAB)引发的，随后的自由基转移需要苯氧基自由基的SOMO和酚类的HOMO之间存在较大的能隙，能隙越大介体的性能越好，例如4-HBA。如图4所示，IC(a),AR (b),CR(c)染料和四环素(d)的相应降解速率明显依赖于SOMO-HOMO能隙。
图3 (a)通过分子对接揭示HRP和苯酚之间的蛋白质复合物；(b) 反应常数（kobs）随酚类分子和HRP活性位点之间距离的变化趋势。
图4IC(a)、AR(b)、CR(c)和TC(d)生物降解的反应常数 (kobs) 随介体SOMO-HOMO能隙的变化趋势；虚线为异构体之间的比较。
此外，废水通常含有不同的污染物，因此探索 HRP/H2O2系统如何在含有多种污染物的混合废水中有效运行具有重要的现实意义。在酚类化合物与染料的二元混合物甚至苯酚/IC/TC三元混合物的处理中，所有组分的降解率都接近或大于80%，结果表明，本研究中的介导生物催化系统是通用且高效的，
总的来说，我们的发现在促进基于HRP的催化在工业和医疗废水修复中的应用方面具有较好的前景。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.06.124
