酶在環(huán)境保護中的應用

1、酶在環(huán)境保護中的應用,摘要 介紹了酶工程基本技術,包括酶制劑的生產(chǎn)、酶的分離純化、酶的固定化技術、酶的改造和修飾等,綜述了酶在環(huán)境保護方面,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用現(xiàn)狀,人類賴以生存的環(huán)境質量,是目前舉世矚目的重大問題。隨著科學技術的不斷發(fā)展,人類開發(fā)利用自然資源的能力和范圍不斷擴大,隨之而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴重。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 ) ,污染達到相當嚴重的地步。因此環(huán)境保護問題越來越受到人們的重視。20 世紀以來,在化學和生物學之間的交叉地帶形成的生物技術占據(jù)了重要的地位,在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥、食品等方面得到了廣泛的應用,并對解決當代資源、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工作者的重視,幾種新興的技術產(chǎn)業(yè)已成為

3、優(yōu)先發(fā)展的高科技領域。本文在此介紹了酶工程基本技術及其在環(huán)境保護方面的研究和應用現(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,故可在短時間內大量生產(chǎn)。

4、連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)可以提供經(jīng)濟有效的酶制劑產(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的酶制品或者提純?yōu)榻Y晶,以利于科學研究和生產(chǎn)應用,屬于生物技術的下游工程,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晶脲酶以來,酶的分離純化研究進展迅速,迄今為止,科學家們已制成了300 多種純凈酶,達到了相當高的純化程度,并發(fā)展了各種類型的分離純化方法。,酶的固定化技術,酶的固定化是指用物理或化學手段

5、,把酶束縛在一定的區(qū)域內,使其在一定的范圍內起催化作用。固定化酶既具有酶的催化特性,又具有一般化學催化劑能回收、反復使用等優(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,酶固定化技術取得了長足的進步,采用這種技術不僅能改善酶的特性,還能創(chuàng)造適應特殊要求的新酶。,酶的改造和修飾,酶的化學本質就是蛋白質,蛋白質的功能性質與其空間構像關系密切。采用某種生物學或化學方法改變蛋白質的一級結構,從而改善蛋白質分子的功能性質和生物活

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工程技術(包括定位突變技術、盒式突變技術、雙引物法、缺口雙鏈法、質粒上直接突變法等) 、酶法有限水解、氨基酸置換修飾、親和標記修飾、大分子結合修飾等。,綠色環(huán)保,“酶”力無限,不同的廢水，含有各種不同的物質，要根據(jù)所含物質的不同，采用不同的酶進行處理。有的廢水中含有淀粉、蛋白質、脂肪等各種有機物質，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、脂肪酶等進行處理

7、。,酶在廢水處理中的應用,水凈化,早在20 世紀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。科學研究了用磁性CS2M 固定化HRP 處理含酚廢水,不僅有較高的酚去除率,并可利用其磁響應性簡便地回收磁性酶。并用殼聚糖固定化漆酶,通過共價結合,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,將固定化蛋白酶應用于糧食加工廢水的預處理,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、可重復使用的特點,使得將酶應用于廢水處理成為一種經(jīng)濟可行的方法,具有良好的發(fā)展前景。淀粉酶是一類多糖水解酶,多糖轉變?yōu)閱翁呛桶l(fā)酵能同時進行,淀粉酶用于含淀粉廢水處理,可使大米加工產(chǎn)生的廢水中的有機物轉化為酒精。淀粉酶還可縮短活性污泥法處理廢水的時間?？茖W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)單細胞蛋白的目的。,重金屬廢水,臺灣成功大學等將篩選出的耐銅、耐鎳真菌用于電鍍

11、廢水的處理?？茖W家等發(fā)現(xiàn)每克菌絲(干重) 去除銅高達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,在能出入細胞壁傳輸營養(yǎng)物的酶的作用下,將重金屬離子帶入細胞內,細胞內重金屬酶將其進行生物合成。,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也會通過食物鏈進入人體。人們用含有酶及其它成分的復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,為浮在油表面的細菌提供優(yōu)良的養(yǎng)料,使得分解石油的細菌迅速繁殖,以達到快速降解石油的目的。脂酶生物技術應用于被污染環(huán)境的修復以及廢物處理是一個新興的領域。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,當前各個領域使用

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法和微生物法的優(yōu)點,它以酶代替化學催化劑,高效率、高選擇地催化某一化學反應,催化條件溫和,克服了微生物法代謝產(chǎn)物復雜、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磷農藥污染,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)擴大其應用范圍。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)境質量變化，進行環(huán)境保護的一個重要環(huán)節(jié)。酶在環(huán)境監(jiān)測方面的應用越來越廣泛，已經(jīng)在農藥污染的監(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，為了防治農作物的病蟲害，大量使用各種農藥。農藥的大量使用，對農作物產(chǎn)量的提高起了一定的作用，然而由于農藥，特別是有機磷農藥的濫用，造成了嚴重的環(huán)境污染，破壞了生態(tài)環(huán)境。為了監(jiān)測農藥的污染，人們研究了多種方法，其中采用膽堿酯酶監(jiān)測有機磷農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酸： 有機磷農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磷農藥的污染。20世紀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磷農藥。現(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（有機磷等），靈敏度可達0.1mg/L。,利用膽堿酯酶檢測有機磷農藥污染,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,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、新用途更是當務之急?；蚬こ獭⒌鞍踪|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