酶工程技术在环境保护中的应用

酶工程技术在环境保护中的应用 摘要：酶是重要的生物催化剂，具有专一性强、催化效率高、无污染、反应条件温和等特点，研究和应用显示了酶在环境污染治理中有着广阔的应用前景。综述了酶的固定化技术，包括酶的固定化方法、选择与比较等；膜式酶生物反应器的基本概念和利弊、及其应用；以及酶在污染治理中的研究和应用,其中包括水净化、环境监测、白色污染的治理和有机废水的酶处理等方面。酶在环境污染治理中的研究和应用显示了生物工程在环境污染治理和生物修复上有着广阔的应用前景。关键词：酶固定技术；酶反应器；环境保护；应用1 酶的固定化1.1 酶固定化的方法酶的固定化方法主要有四种: 包埋法(entrapment) 、吸附法(adsorption) 、共价法(covalent blinding) 、交联法(cross linking)。1.1.1 包埋法包埋固定化法是把酶定位于聚合物材料的格子结构或微胶囊结构中。 这样可以防止酶蛋白释放, 但是底物仍能渗人格子内与酶相接触. 此法较为简便，酶分子仅仅是被包埋起来, 生物活性破坏少, 但此法对大分子底物不适用。( l) 凝胶包埋。凝胶包埋法是将酶包埋在交联的水不溶性凝胶的空隙中的方法. 交联聚丙烯酞胺凝胶包埋法是首先被采用的包埋技术。(2) 微胶囊包埋。 将酶包埋于半透性聚合体膜内, 形成直径为1-100um的微囊。这种固定化酶是以物理方法包埋在膜内的只要底物和产物分子大小能够通过半透膜底物和产物分子就能够以自由扩散的方式通过膜。1.1.2 吸附法吸附固定是最简单的方法, 酶与载体之间的亲和力是范德华力、离子键和氢键。 此方法又可分为物理吸附法和离子吸附法：（l) 物理吸附法使用对蛋白质具有高度吸附能力的非水溶性载体, 如活性碳、几丁质: “多孔玻璃二” 等作为吸附剂将酶吸附到表面上使酶固定化这种方法操作简单, 反应条件温和, 载体可反复使用, 但结合不牢固, 酶易脱落。(2) 离子吸附法。 利用酶蛋白在解离状态下可用电荷引力而固着于带有与酶蛋白电荷相异的离子交换剂(水不溶性载体)上的固定化方法。 此法操作简单, 固定较为牢固, 在工业上用途颇广。1.1.3 共价法酶蛋白分子上的官能团和固相支持物表面上的反应基团之间形成共价键连接的方法。 其优点是酶与载体之间的连接很牢固,稳定性好, 但反应条件激烈, 操作复杂, 控制条件苛刻。 目前, 已建立的方法包括:(l) 重氮法。 这是共价键法中使用最多的一种如下式所示, 将具有氨基的不溶性载体, 以稀盐酸和亚硝酸钠处理，成为重氮化物, 再与酶分子偶联酶蛋白中的游离氨基, 组氨酸中的咪哇基, 酪氨酸中的酚基, 可与其结合R 一NH Z 一R 一N 三N Cl-1一十酶一R 一N 二N 一酶(2) 肤键法。 此法是将有功能基团的载体与酶白中赖氨酸的: 一氨基或N 末端的。一氨基作用形成肤键成为固定化酶。(3 )基化法和芳基化法。 以卤素为功能基团的载体与酶蛋白的氨基或琉基发生烷基化或芳基化反应形成固定化酶。1.1.4 交联法使酶与带两个以上的多官能团试剂进行交联反应,生成不溶于水的二维交联聚集体, 交联形成的固定化酶称为交联酶。与共价结合法一样, 都是靠化学结合的方法使酶固定化。 其区别在于交联法使用了交联剂常用的交联剂有戊醛: 蹂酸。单用戊二醛交联得到固定化酶的方法很少单独使用。将此法与吸附法或包埋法联合使用可以达到良好的加固效果例如: 先用几丁质吸附, 再用戊二醛交联等。1.2 酶固定化的选择与比较虽然发展了许多固定化技术, 并用于多种酶, 但现在还没有一种能适合所有应用和所有酶的全能方法。因为各种酶的化学特性和组成差别很大, 底物和产物性质不同, 产物的用途也不一样。 因此, 对固定化酶的每一种应用来说必须找到既简便又廉价的方法，并且要在给出产品的同时很好地保留酶活性, 还要有高的工作稳定性。各类固定化方法的特点比较:比较项目吸附法结合法交联法包埋法物理化学方法分类物理吸附化学共价键结合物理离子键结合化学键连接物理包埋制备难易易难易较难较难固定化程度弱强中等强强活力回收率较高低高中等高载体再生可能不可能可能不可能不可能费用低高低中等低底物专一性不变可变不变可变不变适用性酶源多较广广泛较广小分子底物、药用酶2 酶反应器在选择酶反应器的时候, 一般应考虑以下几个方面: 酶的应用形式、底物的物理性质、酶反应动力学、酶的稳定性、操作要求、应用的可塑性等。最简单的酶反应器为分批式反应器, 只需要加入固定化酶, 使之悬浮于搅拌罐中, 而不需要支持性装置。另一种酶反应器是连续流反应器, 可将粉状、块状固定化酶制成酶柱使用, 通人底物溶液, 产物便可连续流出。这种反应的速度决定于搅拌速度, 对于固定化酶来说, 反应结束后只需离心或过滤, 便可从中分离出酶。 这种反应器适各种反应, 设备成本低， 但固定化酶在回收过程中易损失, 因此工业规模应用较少, 对小规模试验适合。另一种酶反应器是连续流反应器, 可将粉状、块状固定化酶制成酶柱使用, 通入底物溶液, 产物便可连续流出。连续流反应器比分批式反应器工作固定、操作费用低, 易于自动控制和掌握产品的质量。2.1 膜式酶生物反应器2.1.1 膜生物反应器的有关概念膜式反应器通过膜的选择性透过作用在有外推动力的情况下实现目标成分从反应混合物中的分离。膜也能被用作固定化酶的载体。即在进行催化反映的同时, 实现产品的分离浓缩。2.1.2 膜生物反应器的分类以酶和底物的接触机制来对各种酶反应器进行分类。（1）超过滤式膜反应器这类反应器的酶可以是固定化酶或以游离态存在,底物一进入膜的一侧, 就能与可溶性的酶接触进行反应。图1是典型的3种型式。（2）扩散型膜反应器这类反应器底物分子需经过被动扩散通过膜微孔后到达酶反应区。酶可以固定化或游离态存在。这就要求反应底物是小分子量的。催化反应得到的产物又扩散回到未反应的底物中不断循环。这类反应器常使用中空纤维膜, 酶一般位于纤维的外层。溶质是以浓度差而不是压力作为推动力通过膜的。因此与超过滤膜式反应器相比, 其以扩散作为底物的主要传质动力,存在着一些缺点。举例来说,由于底物的跨膜渗透是一限速步聚, 使得酶的动力学行为低于游离酶反应。（3）接触式多相膜反应器这是指能促使底物和酶在膜上进行相界面接触的一类反应器。2.1.3 膜式反应器的应用采用膜式反应器, 可以实现酶反应的连续操作,提高产物得率。膜式酶反应器常用在大分子的水解,辅基再生系统的共轭反应, 脂酶催化的水解与合成,逆向胶团催化等。（1）大分子的水解要是指蛋白、糖类( 淀粉和纤维素) 、肽类、麦芽糊精等大分子的水解。设计这类反应器的主要目标是截留大分子的底物, 分离出低分子量的产品, 这就要求采用超过滤型反应器, 使酶和底物直接接触。（2）脂酶催化的水解和合成反应脂酶的特殊结构和作用机制, 即其在相界面激活起作用使得在膜式反应器尤其是在多相膜式反应器中脂酶的活性显著提高, 因为这有利于酶和底物的界面接触。可以油脂为底物分解生成脂肪酸、单/ 双甘油酯和甘油, 或者合成酯类( 包括酯交换反应) 。（3）逆向胶团催化通过逆向胶团体系将酶微胶囊化, 采用膜式反应器进行的酶反应, 其主要限制因素是反应体系中的表面活性剂带来的污染。这使产物的分离纯化及酶的回收变得困难。因此, 发展逆向胶团技术, 关键是实现在连续进行反应的同时分离部分产物。3 酶在污染治理中的研究和应用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。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。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。3.1 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。3.1.1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。如多氯联苯可以与酚一起从溶液中沉淀下来 。马秀玲等研究了用磁性CS-M 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。3.1.2 造纸废水处理（1）过氧化物酶和漆酶 辣根过氧化物酶和木质素过氧化物酶已用于造纸废水脱色。它们的固定化形式的处理效果比游离形式好。木质素过氧化物酶作用的机理为: 通过将苯环单元催化氧化成能自动降解的阳离子基团而降解木质素。漆酶可通过沉淀作用去除漂白废水中的氯酚和氯化木质素。（2） 分解纤维素的酶 这类酶主要用于造纸浆和脱墨操作中的污染处理。纸浆和造纸操作中的废水处理产生的污泥纤维素含量高, 可用于生产乙醇等能源物质。所使用的酶是纤维二糖水合酶、纤维素酶和B- 葡萄糖酶组成的混合酶系。脱墨操作中产生的低含量纤维质废物可转化为可发酵的糖类。所使用的酶在高浓度墨存在时不被抑制。3.1.3 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。何国庆等研究了同时采用A-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。3.1.4 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。Tsezos 等 发现每克Rhizopusorrhizus菌丝( 干重) 去除铜高达180 mg 以上, 真菌表面的连接酶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。3.2 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。3.3 白色污染的治理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杂、产物难分离的缺点。参考文献：1张伟，杨秀山.酶固定化技术及其应用J.北京:自然杂志，2000,22（5）.2陈陶声等固定化酶理论与应用,北京: 轻工业出版社. 1987.3 杨雪梅, 张兰英, 张蕾, 等. 固定化酶在高浓度有机废水处理中的应J.吉林大学学报, 2005, 35(3):398- 402.4秦燕，吴国杰，宁正祥.膜式酶生物反应器及其应用J.粮油加工与食品机械，2002:21-25.5董科利，马晓健，鲁锋. 酶在环境保护方面的应用J.化学与生物工程，2007，（2）.6邵风琴, 韩庆祥. 酶工程在污染治理中的应用J. 石油化工高等学校学报, 2003, 16( 2) : 36- 40.