酶在环境保护中的应用

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1、 摘要介绍了酶工程基本技术,包括酶 制剂的生产、酶的分离纯化、酶的 固定化技术、酶的改造和修饰等,综 述了酶在环境保护方面,包括水净化 、石油和工业废油的处理、白色污 染的治理和环境监测等方面的研究 和应用现状 人类赖以生存的环境质量,是目前举世瞩目的重大 问题。随着科学技术的不断发展,人类开发利用自然资 源的能力和范围不断扩大,随之而来的环境污染问题也 越来越严重。环境污染已成为制约人类社会发展的重要 因素,我国每年排放大量废水(416 亿t ) 、废气和烟尘 (2000 万t ) 以及固体废弃物(1000 亿t ) ,污染达到相当 严重的地步。因此环境保护问题越来越受到人们的重视 。20

2、世纪以来,在化学和生物学之间的交叉地带形成的 生物技术占据了重要的地位,在工业、农业、医药、食 品等方面得到了广泛的应用,并对解决当代资源、能源 、环保等多方面问题起着举足轻重的作用。而作为生物 工程的重要组成部分,酶和酶工程受到生物化学工作者 的重视,几种新兴的技术产业已成为优先发展的高科技 领域。本文在此介绍了酶工程基本技术及其在环境保护 方面的研究和应用现状。酶工程基 本技术知识主要内容环境保护中的应用酶技术酶技术包括酶的生产酶的生产酶的改造酶的改造 与修饰与修饰酶的分离酶的分离 纯化纯化酶的固定酶的固定 化技术化技术酶制剂的生产酶的来源主要有植物、动物和微生物。最早酶 多从植物、动物组

3、织中提取,目前广泛使用的动物 酶有猪胰蛋白酶和胃蛋白酶等,植物来源的酶有木 瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、麦芽淀 粉水解酶、大豆脂肪氧化酶等。但大多数酶由微 生物生产,因为微生物种类多,几乎所有的酶都能在 微生物中找到。由于微生物容易培养、繁殖快、 产量高,故可在短时间内大量生产。连续发酵生产 可以提供经济有效的酶制剂产品酶的分离纯化酶分离纯化的目的在于获得一定量不含或含少 量杂质的酶制品或者提纯为结晶,以利于科学研究 和生产应用,属于生物技术的下游工程,包括粗制工 艺和精制工艺。自1926 年Sumner 从刀豆中分离 提纯第一个结晶脲酶以来,酶的分离纯化研究进展 迅速,迄今为止,科学

4、家们已制成了300 多种纯净酶 ,达到了相当高的纯化程度,并发展了各种类型的分 离纯化方法。酶的固定化技术酶的固定化是指用物理或化 学手段,把酶束缚在一定的区 域内,使其在一定的范围内起 催化作用。固定化酶既具有酶 的催化特性,又具有一般化学 催化剂能回收、反复使用等优 点,并且生产工艺可以连续化 、自动化。经过50 多年的研 究和发展,酶固定化技术取得 了长足的进步,采用这种技术 不仅能改善酶的特性,还能创 造适应特殊要求的新酶。酶的改造和修饰酶的化学本质就是蛋白质,蛋白质 的功能性质与其空间构像关系密切 。采用某种生物学或化学方法改变 蛋白质的一级结构,从而改善蛋白质 分子的功能性质和生物

5、活性,这一过 程称为酶分子改造和修饰。其主要 的方法有蛋白质工程技术(包括定位 突变技术、盒式突变技术、双引物 法、缺口双链法、质粒上直接突变 法等) 、酶法有限水解、氨基酸置换 修饰、亲和标记修饰、大分子结合 修饰等。绿色环保“酶”力无限不同的废水，含有各种 不同的物质，要根据所 含物质的不同，采用不 同的酶进行处理。有的 废水中含有淀粉、蛋白 质、脂肪等各种有机物 质，可以在有氧和无氧 的条件下用微生物处理 ，也可以通过固定化淀 粉酶、蛋白酶、脂肪酶 等进行处理。酶在废水处理中的应用重金属废水食品工业废水含酚废水水净化水净化早在20 世纪70 年代,固定化酶已被用于水 和空气的净化。法国工

6、业研究所积极开展利用 固定化酶处理工业废水的研究,将能处理废水 的酶制成固定化酶。处理静止废水时直接用酶 布或酶片;处理流动废水时根据废水所含污物 的种类和数量,确定玻璃酶柱或塑料酶柱的高 度和直径,采用多酶酶柱或单一酶柱。含酚废水芳香族化合物,包括酚和芳香胺,属于优先控制的污染物,塑料厂 、树脂厂、染料厂等企业的废水中都含有这类污染物,很多酶已 用于这类废水处理。辣根过氧化物酶( HRP) 的应用集中在含酚 污染物的处理方面,使用HRP 处理的污染物包括苯胺、羟基喹啉 、致癌芳香族化合物等。HRP 可以与一些难以去除的污染物一 起沉淀,形成多聚物而使难处理物质的去除率增大。如多氯联苯 可以与

7、酚一起从溶液中沉淀下来。科学研究了用磁性CS2M 固定 化HRP 处理含酚废水,不仅有较高的酚去除率,并可利用其磁响应 性简便地回收磁性酶。并用壳聚糖固定化漆酶,通过共价结合,壳 聚糖固定化漆酶获得了较高的酶活性回收率,在25 条件下半连 续处理酚类污染物,连续操作12 次后固定化酶活性仍保留60 %以 上,漆酶的使用效率比简单的物理吸附明显提高。墨西哥科学家 从萝卜中提炼出一种能清除工业废水中酚类混合物的酶,经这种 萝卜素酶处理过的工业废水可以循环再利用。食品工业废水 将固定化蛋白酶应用于粮食加工废水的预处理,其后续工 艺可以采用任何一种生物处理法。因为固定化蛋白酶已将 废水中不易生化降解的

8、大分子转化为易于生物降解的小分 子,大大提高了废水的可生化性。固定化蛋白酶稳定、可 重复使用的特点,使得将酶应用于废水处理成为一种经济 可行的方法,具有良好的发展前景。淀粉酶是一类多糖水 解酶,多糖转变为单糖和发酵能同时进行,淀粉酶用于含淀 粉废水处理,可使大米加工产生的废水中的有机物转化为 酒精。淀粉酶还可缩短活性污泥法处理废水的时间。科学 研究了同时采用淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的双酶法来处理 小麦淀粉废水,以实现利用此废水生产单细胞蛋白的目的 。重金属废水台湾成功大学等将筛选出的耐铜、耐镍 真菌用于电镀废水的处理。科学家等发现 每克菌丝(干重) 去除铜高达180 mg 以上,真 菌表面的连接酶

9、将溶于水中的重金属吸附 在微生物表面,在能出入细胞壁传输营养物 的酶的作用下,将重金属离子带入细胞内,细 胞内重金属酶将其进行生物合成。石油和工业废油的处理每年由于各种原因排入海中的石油达200 万t , 如不及时处理,不仅会造成鱼类的大量死亡,而且石 油中的有害物质也会通过食物链进入人体。人们 用含有酶及其它成分的复合制剂处理海中的石油, 可以将石油降解成适合微生物的营养成分,为浮在 油表面的细菌提供优良的养料,使得分解石油的细 菌迅速繁殖,以达到快速降解石油的目的。脂酶生 物技术应用于被污染环境的修复以及废物处理是 一个新兴的领域。石油开采和炼制过程中产生的 油泄漏、脂加工过程中产生的含脂

10、废物以及饮食 业产生的废物,都可以用不同来源的脂酶进行有效 的处理。酶法生产生物柴油日益受到人们的青睐, 可利用餐饮业废油脂和工业废油脂为原料,变废为 宝的同时降低了生物柴油的生产成本。白色污染的治理当前各个领域使用的各种高分子 材料,绝大多数都是非生物降解或不 完全降解的材料,据统计,全世界每年 有2500 万t 这样的材料用后丢弃,严 重污染了环境。开发可生物降解高 分子材料的传统方法包括天然高分 子的改造法、化学合成法等,但效果 不佳。酶法合成可生物降解高分子 兼有化学法和微生物法的优点,它以 酶代替化学催化剂,高效率、高选择 地催化某一化学反应,催化条件温和, 克服了微生物法代谢产物复

11、杂、产 物难分离的缺点。利用亚硝酸还原酶检测水中亚硝酸盐浓度利用胆碱 酯酶检测 有机磷农 药污染利用乳酸脱氢 酶的同工酶监 测重金属污染通过葡聚 糖苷酸酶监 测大肠杆菌 污染Text 3环境监测应 用环境监测酶传感器在环境监测中已取得诱人的 成就,并将继续扩大其应用范围。目前发 现的酶传感器已有多种。环境监测是了 解环境情况、掌握环境质量变化，进行 环境保护的一个重要环节。酶在环境监 测方面的应用越来越广泛，已经在农药 污染的监测、重金属污染的监测、微生 物污染的监测等方面取得重要成果。最近几十年来，为了防治农作物 的病虫害，大量使用各种农药。农药 的大量使用，对农作物产量的提高起 了一定的作

12、用，然而由于农药，特别 是有机磷农药的滥用，造成了严重的 环境污染，破坏了生态环境。为了监 测农药的污染，人们研究了多种方法 ，其中采用胆碱酯酶监测有机磷农药 的污染就是一种具有良好前景的检测 方法。胆碱酯酶可以催化胆碱酯水解生成胆 碱和有机酸：有机磷农药是胆碱酯酶的一种抑制剂， 可以通过检测胆碱酯酶的活性变化， 来判定是否受到有机磷农药的污染。 20世纪50年代，就有人通过检测鱼脑 中乙酰胆碱酯酶活力受抑制的程度， 来检测水中存在的极低浓度的有机磷 农药。现在可以通过固定胆碱酯酶的 受抑制情况，检测空气或水中微量的 酶抑制剂（有机磷等），灵敏度可达 0.1mg/L。利用胆碱酯酶检测有机磷农

13、药污染利用亚硝酸还原酶检测水中 亚硝酸盐浓度亚硝酸还原酶是催化 亚硝酸还原生成一氧化 氮的氧化还原酶。利用 固定化亚硝酸还原酶， 制成电极，可以检测水 中亚硝酸盐的浓度。 利 用固定化亚硝酸还原酶 ，制成电极，可以检测 水中亚硝酸盐的浓度。随着世界能源的日益减少,而人口 却在不断增加,水资源和粮食日见 短缺。由于人类对环保意识的加强 ,使得工业界用酶来改革传统工艺 的需求更为迫切。因此,提高酶的 产量,降低生产成本,开发酶的新品 种、新用途更是当务之急。基因工 程、蛋白质工程的发展,为酶制剂 工业发展创造了有利条件。开发耐 热、耐酸碱,对底物有特殊作用的 酶,以及将动植物生产的酶改由微 生物发酵方法来生产,或者将还不 能使用的微生物所产的酶改由安全 菌种来生产,都将成为现实。结束语谢谢