酶在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

1、酶在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用,摘要 介紹了酶工程基本技術(shù),包括酶制劑的生產(chǎn)、酶的分離純化、酶的固定化技術(shù)、酶的改造和修飾等,綜述了酶在環(huán)境保護(hù)方面,包括水凈化、石油和工業(yè)廢油的處理、白色污染的治理和環(huán)境監(jiān)測等方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,人類賴以生存的環(huán)境質(zhì)量,是目前舉世矚目的重大問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人類開發(fā)利用自然資源的能力和范圍不斷擴(kuò)大,隨之而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。環(huán)境污染已成為制約人類社會發(fā)展的重要因素,我國每年

2、排放大量廢水(416 億t ) 、廢氣和煙塵(2000 萬t ) 以及固體廢棄物(1000 億t ) ,污染達(dá)到相當(dāng)嚴(yán)重的地步。因此環(huán)境保護(hù)問題越來越受到人們的重視。20 世紀(jì)以來,在化學(xué)和生物學(xué)之間的交叉地帶形成的生物技術(shù)占據(jù)了重要的地位,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品等方面得到了廣泛的應(yīng)用,并對解決當(dāng)代資源、能源、環(huán)保等多方面問題起著舉足輕重的作用。而作為生物工程的重要組成部分,酶和酶工程受到生物化學(xué)工作者的重視,幾種新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)已成為

3、優(yōu)先發(fā)展的高科技領(lǐng)域。本文在此介紹了酶工程基本技術(shù)及其在環(huán)境保護(hù)方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。,,,,酶制劑的生產(chǎn),酶的來源主要有植物、動物和微生物。最早酶多從植物、動物組織中提取,目前廣泛使用的動物酶有豬胰蛋白酶和胃蛋白酶等,植物來源的酶有木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、無花果蛋白酶、麥芽淀粉水解酶、大豆脂肪氧化酶等。但大多數(shù)酶由微生物生產(chǎn),因為微生物種類多,幾乎所有的酶都能在微生物中找到。由于微生物容易培養(yǎng)、繁殖快、產(chǎn)量高,故可在短時間內(nèi)大量生產(chǎn)。

4、連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)可以提供經(jīng)濟(jì)有效的酶制劑產(chǎn)品,酶的分離純化,酶分離純化的目的在于獲得一定量不含或含少量雜質(zhì)的酶制品或者提純?yōu)榻Y(jié)晶,以利于科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用,屬于生物技術(shù)的下游工程,包括粗制工藝和精制工藝。自1926 年Sumner 從刀豆中分離提純第一個結(jié)晶脲酶以來,酶的分離純化研究進(jìn)展迅速,迄今為止,科學(xué)家們已制成了300 多種純凈酶,達(dá)到了相當(dāng)高的純化程度,并發(fā)展了各種類型的分離純化方法。,酶的固定化技術(shù),酶的固定化是指用物理或化學(xué)手段

5、,把酶束縛在一定的區(qū)域內(nèi),使其在一定的范圍內(nèi)起催化作用。固定化酶既具有酶的催化特性,又具有一般化學(xué)催化劑能回收、反復(fù)使用等優(yōu)點,并且生產(chǎn)工藝可以連續(xù)化、自動化。經(jīng)過50 多年的研究和發(fā)展,酶固定化技術(shù)取得了長足的進(jìn)步,采用這種技術(shù)不僅能改善酶的特性,還能創(chuàng)造適應(yīng)特殊要求的新酶。,酶的改造和修飾,酶的化學(xué)本質(zhì)就是蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)與其空間構(gòu)像關(guān)系密切。采用某種生物學(xué)或化學(xué)方法改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),從而改善蛋白質(zhì)分子的功能性質(zhì)和生物活

6、性,這一過程稱為酶分子改造和修飾。其主要的方法有蛋白質(zhì)工程技術(shù)(包括定位突變技術(shù)、盒式突變技術(shù)、雙引物法、缺口雙鏈法、質(zhì)粒上直接突變法等) 、酶法有限水解、氨基酸置換修飾、親和標(biāo)記修飾、大分子結(jié)合修飾等。,綠色環(huán)保,“酶”力無限,不同的廢水，含有各種不同的物質(zhì)，要根據(jù)所含物質(zhì)的不同，采用不同的酶進(jìn)行處理。有的廢水中含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等各種有機(jī)物質(zhì)，可以在有氧和無氧的條件下用微生物處理，也可以通過固定化淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等進(jìn)行處理

7、。,酶在廢水處理中的應(yīng)用,水凈化,早在20 世紀(jì)70 年代,固定化酶已被用于水和空氣的凈化。法國工業(yè)研究所積極開展利用固定化酶處理工業(yè)廢水的研究,將能處理廢水的酶制成固定化酶。處理靜止廢水時直接用酶布或酶片;處理流動廢水時根據(jù)廢水所含污物的種類和數(shù)量,確定玻璃酶柱或塑料酶柱的高度和直徑,采用多酶酶柱或單一酶柱。,含酚廢水,芳香族化合物,包括酚和芳香胺,屬于優(yōu)先控制的污染物,塑料廠、樹脂廠、染料廠等企業(yè)的廢水中都含有這類污染物,很多酶已用

8、于這類廢水處理。辣根過氧化物酶( HRP) 的應(yīng)用集中在含酚污染物的處理方面,使用HRP 處理的污染物包括苯胺、羥基喹啉、致癌芳香族化合物等。HRP 可以與一些難以去除的污染物一起沉淀,形成多聚物而使難處理物質(zhì)的去除率增大。如多氯聯(lián)苯可以與酚一起從溶液中沉淀下來?？茖W(xué)研究了用磁性CS2M 固定化HRP 處理含酚廢水,不僅有較高的酚去除率,并可利用其磁響應(yīng)性簡便地回收磁性酶。并用殼聚糖固定化漆酶,通過共價結(jié)合,殼聚糖固定化漆酶獲得了較高的

9、酶活性回收率,在25 ℃條件下半連續(xù)處理酚類污染物,連續(xù)操作12 次后固定化酶活性仍保留60 %以上,漆酶的使用效率比簡單的物理吸附明顯提高。墨西哥科學(xué)家從蘿卜中提煉出一種能清除工業(yè)廢水中酚類混合物的酶,經(jīng)這種蘿卜素酶處理過的工業(yè)廢水可以循環(huán)再利用。,食品工業(yè)廢水,將固定化蛋白酶應(yīng)用于糧食加工廢水的預(yù)處理,其后續(xù)工藝可以采用任何一種生物處理法。因為固定化蛋白酶已將廢水中不易生化降解的大分子轉(zhuǎn)化為易于生物降解的小分子,大大提高了廢水的可生

10、化性。固定化蛋白酶穩(wěn)定、可重復(fù)使用的特點,使得將酶應(yīng)用于廢水處理成為一種經(jīng)濟(jì)可行的方法,具有良好的發(fā)展前景。淀粉酶是一類多糖水解酶,多糖轉(zhuǎn)變?yōu)閱翁呛桶l(fā)酵能同時進(jìn)行,淀粉酶用于含淀粉廢水處理,可使大米加工產(chǎn)生的廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為酒精。淀粉酶還可縮短活性污泥法處理廢水的時間。科學(xué)研究了同時采用α淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的雙酶法來處理小麥淀粉廢水,以實現(xiàn)利用此廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的目的。,重金屬廢水,臺灣成功大學(xué)等將篩選出的耐銅、耐鎳真菌用于電鍍

11、廢水的處理?？茖W(xué)家等發(fā)現(xiàn)每克菌絲(干重) 去除銅高達(dá)180 mg 以上,真菌表面的連接酶將溶于水中的重金屬吸附在微生物表面,在能出入細(xì)胞壁傳輸營養(yǎng)物的酶的作用下,將重金屬離子帶入細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞內(nèi)重金屬酶將其進(jìn)行生物合成。,石油和工業(yè)廢油的處理,每年由于各種原因排入海中的石油達(dá)200 萬t ,如不及時處理,不僅會造成魚類的大量死亡,而且石油中的有害物質(zhì)也會通過食物鏈進(jìn)入人體。人們用含有酶及其它成分的復(fù)合制劑處理海中的石油,可以將石油降解成適

12、合微生物的營養(yǎng)成分,為浮在油表面的細(xì)菌提供優(yōu)良的養(yǎng)料,使得分解石油的細(xì)菌迅速繁殖,以達(dá)到快速降解石油的目的。脂酶生物技術(shù)應(yīng)用于被污染環(huán)境的修復(fù)以及廢物處理是一個新興的領(lǐng)域。石油開采和煉制過程中產(chǎn)生的油泄漏、脂加工過程中產(chǎn)生的含脂廢物以及飲食業(yè)產(chǎn)生的廢物,都可以用不同來源的脂酶進(jìn)行有效的處理。酶法生產(chǎn)生物柴油日益受到人們的青睞,可利用餐飲業(yè)廢油脂和工業(yè)廢油脂為原料,變廢為寶的同時降低了生物柴油的生產(chǎn)成本。,白色污染的治理,當(dāng)前各個領(lǐng)域使用

13、的各種高分子材料,絕大多數(shù)都是非生物降解或不完全降解的材料,據(jù)統(tǒng)計,全世界每年有2500 萬t 這樣的材料用后丟棄,嚴(yán)重污染了環(huán)境。開發(fā)可生物降解高分子材料的傳統(tǒng)方法包括天然高分子的改造法、化學(xué)合成法等,但效果不佳。酶法合成可生物降解高分子兼有化學(xué)法和微生物法的優(yōu)點,它以酶代替化學(xué)催化劑,高效率、高選擇地催化某一化學(xué)反應(yīng),催化條件溫和,克服了微生物法代謝產(chǎn)物復(fù)雜、產(chǎn)物難分離的缺點。,,,,,,,,,,利用亞硝酸還 原酶檢測

14、 水中亞硝酸鹽濃度,利用膽堿酯酶檢測有機(jī)磷農(nóng)藥污染,利用乳酸脫氫酶的同工酶監(jiān)測重金屬污染,通過β–葡聚糖苷酸酶監(jiān)測大腸桿菌污染,Text 3,環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用,環(huán)境監(jiān)測,酶傳感器在環(huán)境監(jiān)測中已取得誘人的成就,并將繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。目前發(fā)現(xiàn)的酶傳感器已有多種。環(huán)境監(jiān)測是了解環(huán)境情況、掌握環(huán)境質(zhì)量變化，進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的一個重要環(huán)節(jié)。酶在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)在農(nóng)藥污染的監(jiān)測、重金屬污染的監(jiān)測、微生物污染的監(jiān)測等

15、方面取得重要成果。,最近幾十年來，為了防治農(nóng)作物的病蟲害，大量使用各種農(nóng)藥。農(nóng)藥的大量使用，對農(nóng)作物產(chǎn)量的提高起了一定的作用，然而由于農(nóng)藥，特別是有機(jī)磷農(nóng)藥的濫用，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，破壞了生態(tài)環(huán)境。為了監(jiān)測農(nóng)藥的污染，人們研究了多種方法，其中采用膽堿酯酶監(jiān)測有機(jī)磷農(nóng)藥的污染就是一種具有良好前景的檢測方法。 膽堿酯酶可以催化膽堿酯水解生成膽堿和有機(jī)酸： 有機(jī)磷農(nóng)藥是膽堿酯酶的一種抑制劑，可以通過檢測膽堿酯酶的活性變

16、化，來判定是否受到有機(jī)磷農(nóng)藥的污染。20世紀(jì)50年代，就有人通過檢測魚腦中乙酰膽堿酯酶活力受抑制的程度，來檢測水中存在的極低濃度的有機(jī)磷農(nóng)藥?，F(xiàn)在可以通過固定膽堿酯酶的受抑制情況，檢測空氣或水中微量的酶抑制劑（有機(jī)磷等），靈敏度可達(dá)0.1mg/L。,利用膽堿酯酶檢測有機(jī)磷農(nóng)藥污染,利用亞硝酸還原酶檢測水中亞硝酸鹽濃度,亞硝酸還原酶是催化亞硝酸還原生成一氧化氮的氧化還原酶。利用固定化亞硝酸還原酶，制成電極，可以檢測水中亞硝酸鹽的濃度。 利

17、用固定化亞硝酸還原酶，制成電極，可以檢測水中亞硝酸鹽的濃度。,隨著世界能源的日益減少,而人口卻在不斷增加,水資源和糧食日見短缺。由于人類對環(huán)保意識的加強(qiáng),使得工業(yè)界用酶來改革傳統(tǒng)工藝的需求更為迫切。因此,提高酶的產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本,開發(fā)酶的新品種、新用途更是當(dāng)務(wù)之急?；蚬こ獭⒌鞍踪|(zhì)工程的發(fā)展,為酶制劑工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。開發(fā)耐熱、耐酸堿,對底物有特殊作用的酶,以及將動植物生產(chǎn)的酶改由微生物發(fā)酵方法來生產(chǎn),或者將還不能使用的微生物所