酶工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用.doc

酶工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 摘要：酶是重要的生物催化劑，具有專一性強(qiáng)、催化效率高、無污染、反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)，研究和應(yīng)用顯示了酶在環(huán)境污染治理中有著廣闊的應(yīng)用前景。綜述了酶的固定化技術(shù)，包括酶的固定化方法、選擇與比較等；膜式酶生物反應(yīng)器的基本概念和利弊、及其應(yīng)用；以及酶在污染治理中的研究和應(yīng)用,其中包括水凈化、環(huán)境監(jiān)測、白色污染的治理和有機(jī)廢水的酶處理等方面。酶在環(huán)境污染治理中的研究和應(yīng)用顯示了生物工程在環(huán)境污染治理和生物修復(fù)上有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：酶固定技術(shù)；酶反應(yīng)器；環(huán)境保護(hù)；應(yīng)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種: 包埋法(entrapment) 、吸附法(adsorption) 、共價法(covalent blinding) 、交聯(lián)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結(jié)構(gòu)或微膠囊結(jié)構(gòu)中。 這樣可以防止酶蛋白釋放, 但是底物仍能滲人格子內(nèi)與酶相接觸. 此法較為簡便，酶分子僅僅是被包埋起來, 生物活性破壞少, 但此法對大分子底物不適用。( l) 凝膠包埋。凝膠包埋法是將酶包埋在交聯(lián)的水不溶性凝膠的空隙中的方法. 交聯(lián)聚丙烯酞胺凝膠包埋法是首先被采用的包埋技術(shù)。(2) 微膠囊包埋。 將酶包埋于半透性聚合體膜內(nèi), 形成直徑為1-100um的微囊。這種固定化酶是以物理方法包埋在膜內(nèi)的只要底物和產(chǎn)物分子大小能夠通過半透膜底物和產(chǎn)物分子就能夠以自由擴(kuò)散的方式通過膜。1.1.2 吸附法吸附固定是最簡單的方法, 酶與載體之間的親和力是范德華力、離子鍵和氫鍵。 此方法又可分為物理吸附法和離子吸附法：（l) 物理吸附法使用對蛋白質(zhì)具有高度吸附能力的非水溶性載體, 如活性碳、幾丁質(zhì): “多孔玻璃二” 等作為吸附劑將酶吸附到表面上使酶固定化這種方法操作簡單, 反應(yīng)條件溫和, 載體可反復(fù)使用, 但結(jié)合不牢固, 酶易脫落。(2) 離子吸附法。 利用酶蛋白在解離狀態(tài)下可用電荷引力而固著于帶有與酶蛋白電荷相異的離子交換劑(水不溶性載體)上的固定化方法。 此法操作簡單, 固定較為牢固, 在工業(yè)上用途頗廣。1.1.3 共價法酶蛋白分子上的官能團(tuán)和固相支持物表面上的反應(yīng)基團(tuán)之間形成共價鍵連接的方法。 其優(yōu)點(diǎn)是酶與載體之間的連接很牢固,穩(wěn)定性好, 但反應(yīng)條件激烈, 操作復(fù)雜, 控制條件苛刻。 目前, 已建立的方法包括:(l) 重氮法。 這是共價鍵法中使用最多的一種如下式所示, 將具有氨基的不溶性載體, 以稀鹽酸和亞硝酸鈉處理，成為重氮化物, 再與酶分子偶聯(lián)酶蛋白中的游離氨基, 組氨酸中的咪哇基, 酪氨酸中的酚基, 可與其結(jié)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) 膚鍵法。 此法是將有功能基團(tuán)的載體與酶白中賴氨酸的: 一氨基或N 末端的。一氨基作用形成膚鍵成為固定化酶。(3 )基化法和芳基化法。 以鹵素為功能基團(tuán)的載體與酶蛋白的氨基或琉基發(fā)生烷基化或芳基化反應(yīng)形成固定化酶。1.1.4 交聯(lián)法使酶與帶兩個以上的多官能團(tuán)試劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),生成不溶于水的二維交聯(lián)聚集體, 交聯(lián)形成的固定化酶稱為交聯(lián)酶。與共價結(jié)合法一樣, 都是靠化學(xué)結(jié)合的方法使酶固定化。 其區(qū)別在于交聯(lián)法使用了交聯(lián)劑常用的交聯(lián)劑有戊醛: 蹂酸。單用戊二醛交聯(lián)得到固定化酶的方法很少單獨(dú)使用。將此法與吸附法或包埋法聯(lián)合使用可以達(dá)到良好的加固效果例如: 先用幾丁質(zhì)吸附, 再用戊二醛交聯(lián)等。1.2 酶固定化的選擇與比較雖然發(fā)展了許多固定化技術(shù), 并用于多種酶, 但現(xiàn)在還沒有一種能適合所有應(yīng)用和所有酶的全能方法。因?yàn)楦鞣N酶的化學(xué)特性和組成差別很大, 底物和產(chǎn)物性質(zhì)不同, 產(chǎn)物的用途也不一樣。 因此, 對固定化酶的每一種應(yīng)用來說必須找到既簡便又廉價的方法，并且要在給出產(chǎn)品的同時很好地保留酶活性, 還要有高的工作穩(wěn)定性。各類固定化方法的特點(diǎn)比較:比較項(xiàng)目吸附法結(jié)合法交聯(lián)法包埋法物理化學(xué)方法分類物理吸附化學(xué)共價鍵結(jié)合物理離子鍵結(jié)合化學(xué)鍵連接物理包埋制備難易易難易較難較難固定化程度弱強(qiáng)中等強(qiáng)強(qiáng)活力回收率較高低高中等高載體再生可能不可能可能不可能不可能費(fèi)用低高低中等低底物專一性不變可變不變可變不變適用性酶源多較廣廣泛較廣小分子底物、藥用酶2 酶反應(yīng)器在選擇酶反應(yīng)器的時候, 一般應(yīng)考慮以下幾個方面: 酶的應(yīng)用形式、底物的物理性質(zhì)、酶反應(yīng)動力學(xué)、酶的穩(wěn)定性、操作要求、應(yīng)用的可塑性等。最簡單的酶反應(yīng)器為分批式反應(yīng)器, 只需要加入固定化酶, 使之懸浮于攪拌罐中, 而不需要支持性裝置。另一種酶反應(yīng)器是連續(xù)流反應(yīng)器, 可將粉狀、塊狀固定化酶制成酶柱使用, 通人底物溶液, 產(chǎn)物便可連續(xù)流出。這種反應(yīng)的速度決定于攪拌速度, 對于固定化酶來說, 反應(yīng)結(jié)束后只需離心或過濾, 便可從中分離出酶。 這種反應(yīng)器適各種反應(yīng), 設(shè)備成本低， 但固定化酶在回收過程中易損失, 因此工業(yè)規(guī)模應(yīng)用較少, 對小規(guī)模試驗(yàn)適合。另一種酶反應(yīng)器是連續(xù)流反應(yīng)器, 可將粉狀、塊狀固定化酶制成酶柱使用, 通入底物溶液, 產(chǎn)物便可連續(xù)流出。連續(xù)流反應(yīng)器比分批式反應(yīng)器工作固定、操作費(fèi)用低, 易于自動控制和掌握產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1 膜式酶生物反應(yīng)器2.1.1 膜生物反應(yīng)器的有關(guān)概念膜式反應(yīng)器通過膜的選擇性透過作用在有外推動力的情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成分從反應(yīng)混合物中的分離。膜也能被用作固定化酶的載體。即在進(jìn)行催化反映的同時, 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的分離濃縮。2.1.2 膜生物反應(yīng)器的分類以酶和底物的接觸機(jī)制來對各種酶反應(yīng)器進(jìn)行分類。（1）超過濾式膜反應(yīng)器這類反應(yīng)器的酶可以是固定化酶或以游離態(tài)存在,底物一進(jìn)入膜的一側(cè), 就能與可溶性的酶接觸進(jìn)行反應(yīng)。圖1是典型的3種型式。（2）擴(kuò)散型膜反應(yīng)器這類反應(yīng)器底物分子需經(jīng)過被動擴(kuò)散通過膜微孔后到達(dá)酶反應(yīng)區(qū)。酶可以固定化或游離態(tài)存在。這就要求反應(yīng)底物是小分子量的。催化反應(yīng)得到的產(chǎn)物又?jǐn)U散回到未反應(yīng)的底物中不斷循環(huán)。這類反應(yīng)器常使用中空纖維膜, 酶一般位于纖維的外層。溶質(zhì)是以濃度差而不是壓力作為推動力通過膜的。因此與超過濾膜式反應(yīng)器相比, 其以擴(kuò)散作為底物的主要傳質(zhì)動力,存在著一些缺點(diǎn)。舉例來說,由于底物的跨膜滲透是一限速步聚, 使得酶的動力學(xué)行為低于游離酶反應(yīng)。（3）接觸式多相膜反應(yīng)器這是指能促使底物和酶在膜上進(jìn)行相界面接觸的一類反應(yīng)器。2.1.3 膜式反應(yīng)器的應(yīng)用采用膜式反應(yīng)器, 可以實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)的連續(xù)操作,提高產(chǎn)物得率。膜式酶反應(yīng)器常用在大分子的水解,輔基再生系統(tǒng)的共軛反應(yīng), 脂酶催化的水解與合成,逆向膠團(tuán)催化等。（1）大分子的水解要是指蛋白、糖類( 淀粉和纖維素) 、肽類、麥芽糊精等大分子的水解。設(shè)計(jì)這類反應(yīng)器的主要目標(biāo)是截留大分子的底物, 分離出低分子量的產(chǎn)品, 這就要求采用超過濾型反應(yīng)器, 使酶和底物直接接觸。（2）脂酶催化的水解和合成反應(yīng)脂酶的特殊結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制, 即其在相界面激活起作用使得在膜式反應(yīng)器尤其是在多相膜式反應(yīng)器中脂酶的活性顯著提高, 因?yàn)檫@有利于酶和底物的界面接觸。可以油脂為底物分解生成脂肪酸、單/ 雙甘油酯和甘油, 或者合成酯類( 包括酯交換反應(yīng)) 。（3）逆向膠團(tuán)催化通過逆向膠團(tuán)體系將酶微膠囊化, 采用膜式反應(yīng)器進(jìn)行的酶反應(yīng), 其主要限制因素是反應(yīng)體系中的表面活性劑帶來的污染。這使產(chǎn)物的分離純化及酶的回收變得困難。因此, 發(fā)展逆向膠團(tuán)技術(shù), 關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)在連續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的同時分離部分產(chǎn)物。3 酶在污染治理中的研究和應(yīng)用人類賴以生存的環(huán)境質(zhì)量, 是目前舉世矚目的重大問題。隨著科學(xué)技術(shù)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(kuò)大, 隨之而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。作為生物工程的重要組成部分, 酶和酶工程受到生物化學(xué)工作者的重視, 幾種新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)已成為優(yōu)先發(fā)展的高科技領(lǐng)域。在此介紹了酶工程基本技術(shù)及其在環(huán)境保護(hù)方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。3.1 水凈化早在20 世紀(jì)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。3.1.1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, 很多酶已用于這類廢水處理。辣根過氧化物酶( HRP) 的應(yīng)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(zhì)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 。馬秀玲等研究了用磁性CS-M 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(yīng)性簡便地回收磁性酶。3.1.2 造紙廢水處理（1）過氧化物酶和漆酶 辣根過氧化物酶和木質(zhì)素過氧化物酶已用于造紙廢水脫色。它們的固定化形式的處理效果比游離形式好。木質(zhì)素過氧化物酶作用的機(jī)理為: 通過將苯環(huán)單元催化氧化成能自動降解的陽離子基團(tuán)而降解木質(zhì)素。漆酶可通過沉淀作用去除漂白廢水中的氯酚和氯化木質(zhì)素。（2） 分解纖維素的酶 這類酶主要用于造紙漿和脫墨操作中的污染處理。紙漿和造紙操作中的廢水處理產(chǎn)生的污泥纖維素含量高, 可用于生產(chǎn)乙醇等能源物質(zhì)。所使用的酶是纖維二糖水合酶、纖維素酶和B- 葡萄糖酶組成的混合酶系。脫墨操作中產(chǎn)生的低含量纖維質(zhì)廢物可轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的糖類。所使用的酶在高濃度墨存在時不被抑制。3.1.3 食品工業(yè)廢水將固定化蛋白酶應(yīng)用于糧食加工廢水的預(yù)處理,其后續(xù)工藝可以采用任何一種生物處理法。因?yàn)楣潭ɑ鞍酌敢褜U水中不易生化降解的大分子轉(zhuǎn)化為易于生物降解的小分子, 大大提高了廢水的可生化性。固定化蛋白酶穩(wěn)定、可重復(fù)使用的特點(diǎn), 使得將酶應(yīng)用于廢水處理成為一種經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)變?yōu)閱翁呛桶l(fā)酵能同時進(jìn)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(jī)物轉(zhuǎn)化為酒精。淀粉酶還可縮短活性污泥法處理廢水的時間。何國慶等研究了同時采用A-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(shí)現(xiàn)利用此廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的目的。3.1.4 重金屬廢水臺灣成功大學(xué)等將篩選出的耐銅、耐鎳真菌用于電鍍廢水的處理。Tsezos 等 發(fā)現(xiàn)每克Rhizopusorrhizus菌絲( 干重) 去除銅高達(dá)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(xì)胞壁傳輸營養(yǎng)物的酶的作用下, 將重金屬離子帶入細(xì)胞內(nèi), 細(xì)胞內(nèi)重金屬酶將其進(jìn)行生物合成。3.2 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(dá)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(zhì)也會通過食物鏈進(jìn)入人體。人們用含有酶及其它成分的復(fù)合制劑處理海中的石油, 可以將石油降解成適合微生物的營養(yǎng)成分, 為浮在油表面的細(xì)菌提供優(yōu)良的養(yǎng)料, 使得分解石油的細(xì)菌迅速繁殖, 以達(dá)到快速降解石油的目的。脂酶生物技術(shù)應(yīng)用于被污染環(huán)境的修復(fù)以及廢物處理是一個新興的領(lǐng)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(jìn)行有效的處理。3.3 白色污染的治理開發(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(xué)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(xué)法和微生物法的優(yōu)點(diǎn), 它以酶代替化學(xué)催化劑, 高效率、高選擇地催化某一化學(xué)反應(yīng), 催化條件溫和, 克服了微生物法代謝產(chǎn)物復(fù)雜、產(chǎn)物難分離的缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：1張偉，楊秀山.酶固定化技術(shù)及其應(yīng)用J.北京:自然雜志，2000,22（5）.2陳陶聲等固定化酶理論與應(yīng)用,北京: 輕工業(yè)出版社. 1987.3 楊雪梅, 張?zhí)m英