酶在环境保护中的应用

酶在环境保护领域中的应用一、酶的应用简史二、酶在环保领域中的应用三、酶的应用举例四、酶在环保领域中的应用现状及展望一、酶的应用简史人类利用酶的历史已非常悠久，在远古时代，人类就在生产实践中不自觉地利用酶来为自己服务。酒的酿造、饴糖的制作、面粉的发酵等都是酶学应用的实例。但将酶从生物体中提取出来作为商品来应用的历史还不长。19世纪30年代，国外就开始提取酶来用于工业生产，如用于棉布退浆或用作消化药等；本世纪40年代末，抗生素工业的兴起，使酶的生产跃进了工业化大生产时代；50年代末，糖化酶成功地用于萄萄糖生产；60年代中期，加酶洗涤剂在欧洲流行；70年代初，固定化葡萄糖异构酶用于果葡糖浆的生产，开创了淀粉制糖的新纪元，推动了整个食品工业与酶制剂工业的大发展。随着酶制剂的普及应用和固定化酶的广泛研究,使生物催化技术与化学工程结合而诞生了一门新学科--“酶工程”。1971年，在美国召开了第一次国际酶工程会议，把酶的大规模生产，分离提纯，固定化技术,酶反应器设计,以及酶的工业应用等研究都纳入酶工程的范围，从而使酶学成为生物技术中最活跃、发展最快、成效最大的一门学科。当前酶的应用主要是在医药业、食品加工业、环境保护、能源、轻工和化工工业等几个方面。二、酶在环境保护领域中的应用1、酶在环境监测方面的应用环境监测是环境科学的一个重要分支，其目的是及时、准确、全面地反应环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划和环境评价等提供科学依据。传统的环境监测通常采用离线分析的方法，其缺点是：分析速度慢、操作复杂、所需仪器昂贵、不易进行现场快速监测和连续在线分析等。基于环境污染问题日益严重，建立和发展快速、连续、在线的现场检测体系就显得尤为重要。根据生物传感的原理将固定化酶涂布在电极上做成生物修饰电极，用于监测环境中有机磷、有机氯农药等多种痕迹量的污染物，具有方便、快速、灵敏度高和可连续测定等优点。目前研究较多的是乙酰胆碱酯酶类传感器。乙酰胆碱是高等动物中神经信号的传递中介，同时又必须迅速的除去，否则连续的刺激会造成兴奋，最后导致传递阻断而引起机体死亡。乙酰胆碱一般在释放后数秒内即被胆碱酯酶水解而失效，因此乙酰胆碱的除去依赖于胆碱酯酶（Ache）。在胆碱酯酶的催化下，乙酰胆碱水解为乙酸和胆碱；有机磷和氨基甲酸酯药与乙酰胆碱类似，能与酶基的活性部位发生不可逆的结合从而抑制酶的活性，酶反应产生的pH变化可由电位型生物传感器测出。另外，酶学和免疫学测定法在环境监测上也常被采用。酶免疫分析（enzymeimmunoassary，EIA）就是将抗原、抗体的特异性免疫反应和酶的高效催化作用原理有机结合起来的一种免疫分析技术。可广泛应用于农药领域，包括农药中毒诊断、农药作用机理、害虫抗药性测定、农药代谢等。有人预测，EIA是21世纪最具竞争性和挑战性的检测技术。2、酶在水净化方面的应用世界范围的水污染问题是目前人类最关心的环境主题。水源污染常常是有那些剧毒、而且抗生物降解的化学药品等造成的，这些化合物很容易在体内组织中浓缩聚集，使人产生疾病。早在20世纪70～80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内径，采用多酶酶柱或单一酶柱。例如，可以将降解氰化物的固定化酶和除去酚的固定化酶同时装入一个柱内，既能除去氰又能除去酚。如果某些酶不能并存，则各自单独装柱。2.1造纸和制浆工业中的废水在造纸厂废水中，含有大量的淀粉和白土混合的胶状物，用固定化的α-淀粉酶可以连续水解这种废水中的胶状淀粉，使原先悬浮着的纤维很容易沉淀下来，易于分离除去。在纸张漂白过程中由于加入氯和氯化物，可导致环境污染。用酶预处理纸浆,能降低氯耗量和可吸附有机卤化物(AOX)的排放量，从而减少废水排放对环境的污染。2.2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，既实现了对废水的净化处理，又实现了利用此废水生产单细胞蛋白的目的。2.3重金属废水台湾成功大学等将筛选出的耐Cu、耐Ni真菌用于电镀废水的处理口。Tsezos等人发现每克Rhizopusorrhizus菌丝(干重)去除铜高达180mg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，将重金属离子带人细胞内，细胞内重金属酶将其进行生物合成。2.4在极端环境下处理废水极端酶是由在极端环境下生存的嗜极菌分泌或与极端环境下生存有密切关系的酶，如：嗜热酶、嗜碱酶和耐有机溶剂酶等。许多排放的工业废水温度较高，可利用嗜高温菌产生的嗜热酶处理焦化厂排放的废水，对废水中的酚、氰等污染物去除率较高。而洗涤剂工业、印染工业和造纸工业产生的是大量碱性废水，可用嗜碱菌和嗜碱酶对这些废水进行生物处理。工业用途上可用做去污剂(pH8.0-10.5)的添加成分。目前，非水相催化作用的发现，使得酶在有机溶剂中的作用成为可能，这些酶在有机溶剂中能起催化硝基转移、硝化、硫代硝基转移、酚类的选择性氧化和醇类的氧化作用。3、石油和工业废油的处理全球每年由于各种原因排入海中的石油达200万吨之多，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，危害人类健康。人们通常用假单胞菌、分枝杆菌和分节孢子杆菌来降解引起污染的石油。然而，这些微生物在低温海水中繁殖时受到限制，因此细菌的繁殖率很低。所以，人们用含有酶及其它成分的复合制剂处理海中的石油，就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。同样对工业废油的处理也需要酶的参与，如果存在氮化合物，微生物对废油的破坏是非常迅速的，加入粗蛋白及水解酶会加速微生物对废油的降解。这是因为此系统会给微生物提供氮源和浓培养液，有利于微生物的生长繁殖。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。例如，脂肪酶被广泛应用于废水处理，Dauber和Boehnke研究出一种技术，利用酶的混合物（包括脂酶）将脱水污泥转化为沼气。另外，脂肪酶的另一重要应用是降解聚酯以生产有用物质，特别是用于生产非酯化的脂肪酸和内酯。脂肪酶在生物修复受污染环境中获得了广泛应用，一项欧洲专利报道了利用脂肪酶抑制和去除冷却水系统中的生物膜沉积物。脂酶还用于制造液体肥皂，提高废脂肪的应用价值，净化工厂排放的废气，降解棕榈油生产废水中的污染物等。4、废纸脱墨随着我国造纸原料结构的战略性调整,废纸浆的比例逐年提高,但废纸的回收利用体系还不是很完善,技术也还比较落后。废纸回收利用的第一步就是油墨的脱除。传统脱墨法是用化学药剂在一定的温度及机械作用下来实现将印刷油墨和纤维相分离的；这种方法化学品消耗量大,对环境的污染严重,且纸浆易发生“碱性发黑”现象。1991年,韩国学者首次报道应用木聚糖酶及纤维素酶能将油墨从新闻废纸浆中脱除。此后,人们开始研究利用木聚糖酶或将其与其他酶类复合起来进行废纸脱墨,以减轻或消除化学脱墨带来的环境污染。顾琪萍等发现将木聚糖酶用于与纤维素酶混合脱墨时,浆的白度和残留油墨量分别比对照浆的高出了3.2%及降低了73.8%；且得率较高、返黄值较低。两种酶复合脱墨可使裂断长、耐破指数和撕裂指数比单独用纤维素酶脱墨分别提高3.8%、5.9%和8.6%。张素风等研究发现，在相同的单段H2O2漂白工艺条件下，木聚糖酶、纤维素酶、化学法脱墨浆白度增值分别为14.8%SBD、13.1%SBD和12.3%SBD。可见酶法脱墨浆与化学法脱墨浆相比，有较好的可漂性，或在达到相同的白度时，其所用的化学漂剂较少，因而能减轻环境污染负荷，适应绿色造纸、循环经济及清洁生产的发展趋势。5、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杂、产物难分离的缺点。三、酶的应用举例1、木聚糖酶木聚糖酶是指能专一降解半纤维素木聚糖为低聚木糖和木糖的一组酶的总称，主要包括三类：(1)β-1，4-D-内切木聚糖酶(EC3.2.1.8)，可从木聚糖主链的内部切割β-1，4-糖苷键，使木聚糖溶液的粘度迅速降低；(2)β-1，4-D-外切木聚糖酶(EC3.2.1.92)，可以单个木糖为切割单位作用于木聚糖的非还原性末端，使反应体系的还原性不断增加；(3)β-木糖苷酶(EC3.2.1.37)，可切割低聚木糖和木二糖，有助于木聚糖彻底降解为木糖。它在纸浆漂白中具有重要的作用。目前,被广泛认可的助漂假设有以下四种:(1)木聚糖链被木聚糖酶破坏,打断了LCC（木质素-碳水化合物复合体）键,提供了漂白化学品到达纸浆纤维的可及度,有利于这部分木质素的脱除；(2)再沉淀木聚糖是蒸煮后期蒸煮液中碱液浓度降低形成的,这种再沉淀出来的木聚糖阻碍了化学药品对纸浆中残余木素的进攻,而木聚糖酶则可以使得再沉淀的木聚糖部分水解,使漂白化学药品容易与残余木素发生作用,达到漂白的目的；(3)木聚糖酶可降解纸浆纤维中的半纤维素使得纤维细胞壁变得疏松,从而使木素容易抽提出来；(4)木聚糖酶能够去除蒸煮过程中产生的衍生物--己烯糖醛酸木聚糖。2、漆酶漆酶(Laccase，EC1.10.3.2)是一种多酚氧化酶，属于蓝色氧化酶家族，是重要的木质纤维降解酶之一，最初发现于漆树漆液中，随后发现某些高等真菌也能分泌该酶。漆酶能催化降解多种芳香族化合物特别是酚类，是一种天然环保型酵素。利用漆酶对木质纤维及一些高分子化合物的降解作用，进行合理的开发利用，可减少化学药品的使用量，降低生产成本和保护环境。生物制浆主要是依靠微生物发酵产生的各种酶去除木质素从而达到降低化学药剂使用、环保、降低生产成本等目的。漆酶可以选择性地降解木质素，并消除机械制浆工艺的弊端，使生产在常温、常压的温和条件下进行，并能节约设备和能耗，缩短纸浆生产周期，降低生产成本。纸浆中的有色物质主要来自木质素的芳香化合物，研究发现木聚糖酶仅起助漂作用，不能真正替代化学漂剂。所以近l0多年来，直接用木素降解酶进行生物漂白已引起人们的广泛关注。漆酶作为一种主要纸浆漂白的木质素降解酶，应用于纸浆漂白的研究是最晚的，但研究最多、进展最显著，成为最具潜在应用前景的酶。目前,国外已有很多企业在制浆和纸浆漂白过程中引入漆酶，并取得了良好的生产效果，国内也有部分企业开始研发相关生产技术。3、植酸酶植酸酶是催化植酸(肌醇六磷酸)及植酸盐水解成肌醇与磷酸(或磷酸盐)的一类酶的总称，将植酸酶添加到植物性饲料中，释放植酸中的磷，不但能提高食物及饲料对植酸磷的吸收利用率，而且可降解植酸盐蛋白质络合物，减少植酸对微量元素的螯合，提高动物对植物蛋白质的利用率及植物性饲料的营养价值，减少动物排泄物中有机磷的含量，同时也减少了对大自然的污染，具有良好的发展前景。四、酶在环保领域中的应用现状及展望酶与酶技术用于环保领域，国