第六章 微生物学新技术在环境工程中的应用

第二篇第六章微生物学新技术在环境工程中的应用第一节酶工程早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提取、分离、纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。70年代后，酶的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。随着第三代酶制剂的诞生，应用各种酶工程技术制造精细化工产品和医药用品及其在化学检测、环境保护等各个领域的有效应用，使酶工程技术的产业化水平在现代生物技术领域中名列前茅，并正在与基因工程、细胞工程和发酵工程融为一体，形成一个具有很大经济效益与社会效益的新型工业门类。1．特异生物催化剂——酶酶的功能特异，威力非凡，生物的生长、发育、繁殖、营养、运动以及发酵、呼吸、光合作用、神经刺激、免疫反应无一不受到酶的催化作用。已知酶的种类约有8000种，它们都是由生物细胞合成的一类特殊蛋白质，细胞的一切活动都离不开酶的“推动”。酶催化活力的高效性和专一性是任何其他催化剂所无法比拟的。正因为体内存在为数众多、魔力非凡的酶，体内的生化反应才能在十分温和的条件下(如37C体温，近中性PH)飞快地进行。2.酶制剂以微生物酶为主体的酶制剂工业形成于50年代。其中工业用酶50一60种，治疗和诊断用酶120多种，酶试剂300多种，已涉及到食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门。因此，人们把酶制剂工业称为工业领域中的“医学金矿”。国际上酶制剂的年产量已超过10万吨，其来源有动物、植物与微生物。微生物酶制剂是工业酶制剂的主体，年产值已超过6亿美元。由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用，它带动了许多产业的发展。酶制剂的主要发展动态是：洗涤剂用酶迅速普及西欧、美日等国；凝乳酶广泛用于乳酪制造；酶制剂新市场——催化剂、医药用酶和三废处理用酶迅速发展；应用固定化异构酶大量生产高果糖浆；筛选耐高温脂肪酶、糖化酶和蛋白酶；应用基因工程技术改造和生产新型酶制剂。通常生物材料中所含酶的总量并不太少，但每一种酶的含量却很低，常在0.0001-1％，如胰腺中含有5％的胰蛋白酶，而脱氧核糖核酸酶仅含0.004％。由于各种酶在生物材料中含量很低，因此提取、分离和纯化各种酶制剂是一项比较复杂的工艺过程，犹如“沙里淘金”的“冶炼术”。3.固定化酶与固定化细胞固定化酶与固定化细胞是酶工程的核心“软件”，因为以它为基础就可以根据化学反应工程的需要，组装成高效、连续运转的生物反应器，再与其他工程设备、电子元件配套形成完整的生物反应工艺装置。酶的催化作用主要取决于酶的活性部位(即活性中心)与底物的相互作用。酶的活性中心是由数个氨基酸残基组成的。要使酶在固定化状态仍保持活性不变，使用时活力长久不衰，则必须保持活性小心不受损伤。所以制备固定化酶或固定化细胞时，需要在严密和尽量温和的条件下进行，已研究许多有效的方法可以制备表现活力高，使用寿命长的“长效、无公害”的生物催化剂。因为应用这些催化剂不仅使用寿命长，而且整个工艺过程几乎无三废污染。在固定化酶广泛应用的基础上，人们发现天然细胞本身就具有多功能的系列化反应系统，因此采用物理或化学方法将细胞固定化，这是利用酶或酶系的一条捷径。固定化细胞技术开始于70年代，其实际应用程度已超过固定化酶。固定化细胞比固定化酶具有明显的优点，主要是省去了破碎细胞提取酶的手续。酶在细胞内环境中稳定性较高，进行完整细胞固定化时，酶活力丢失较少。尤其在需要利用复合酶系时，应用固定化细胞生物反应器可以把发酵工艺改为连续酶法反应，其制造成本也较低。4.酶工程技术的产业化新型抗生素生产工艺抗生素工业是以青霉素的生产为开端的，迄今已有50多年的历史。70年代开始，出现了一种新的生产工艺—酶法半合成。已用酶法生产的产品有头孢霉素I号、Ⅳ号、羟头抱霉素、青霉素等。充分显示了酶法半合成作为抗生素生产工艺的后起之秀具有巨大的竞争力。用酶工程法制备新型甜味剂传统的甜味剂主要是蔗糖与糖精。糖精被禁用后，蔗糖就成了食品甜味剂的主角。1973年，用固定化葡萄糖异构酶从葡萄糖生产高果糖浆获得成功，产量迅速增加，目前已达几百万吨，正在逐步取代蔗糖作为食品与饮料的甜味剂。美国可口可乐公司所用甜昧剂几乎是高果糖浆。最近食用甜味剂又出现了一颗新星——天冬氨素。它是低热量、安全，又有一定营养价值的新型甜昧二肽，甜度是蔗糖的l50一200倍，可用酶工程法制备。5.固定化酶和固定化细胞在环境工程中的应用环境监测根据固定化酶用于化学分析方面的相同原理，固定化酶也可以用于测定有毒物质的含量，进行环境监测，如用固定化多酚氧化酶检测水中的酚类物质；利用固定化酶还可以检测有机磷、有机氯农药和其他痕量的环境污染物(如过氯酸盐、氰化物和尿素等)。处理三废应用固定化酶或固定化细胞可以组成快速、高效、连续运行的污水处理系统。如用固定化分解氰化物的细菌除去废水中的氰化物；用固定化α—淀粉酶处理造纸厂的废水；用水解农药的细菌固定化制剂处理农药废水等。第二节微生物细胞外多聚物的开发与应用1.生物表面活性剂早在20世纪40年代,Zobell在研究硫酸盐还原细菌从沙粒中释放原油的机制时就指出，微生物产生表面活性剂是细菌驱油的主要机制之一。1957年,捷克的Dostalek和Spumy把脱硫弧菌和假单胞菌同糖蜜一起注入油层，原油产量提高。他们认为,可能是细菌产生的表面活性物质,改变了岩石油水三相系统的界面张力所致。生物表面活性剂是由微生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质。与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等相同作用外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的无毒、能生物降解等优点。生物表面活性剂的这些特性尤其适合于石油工业和环境工程,如石油的生物降粘、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修复等。另外,生物表面活性剂作为天然添加剂,在食品工业、精细化工、医药和农业等工业方面也愈来愈受到人们的青睐。生物表面活性剂的分子结构中既有极性基团又有非极性基团,是一类中性两极分子。亲水基团可以是离子或非离子形式的单糖、二糖、多糖、羧基、氨基或肽链;疏水基团则由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸或带羟基的脂肪酸组成。研究表明:加入微生物或表面活性剂(生物的或化学合成的),能够增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性,使进入环境的污染物不断地降解,该技术称为生物修复其中使用到生物表面活性剂。2.微生物絮凝剂微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。微生物絮凝剂广泛应用于畜产废水处理、染料废水的脱色、高浓度无机物悬浮液废水的处理、活性污泥的沉降性能的改善、污泥脱水、浮化液的油水分离等方面．然而目前微生物絮凝剂的研究还处于菌种筛选的实验室研究阶段，所用成本较高，一些工艺条件不太成熟，离工业化生产还有一定的距离．