酶工程在环境污染治理中的应用

酶工程在环境污染治理中的应用

湖南工学院，安全与环境工程学院，环本1001班，10601540114，

姚娟萍，2012年4月23日

【摘要】 本文介绍了酶在环境污染治理中的研究与应用，包括酶在废水处理中及土聚酚氧化酶在壤修复中的研究与应用。废水处理中的应用包括含芳香族化合物废水处理、造纸废水处理、含氰废水处理和食品加工废水处理。还介绍了微生物脂酶的应用及基因工程对酶的改造。

【关键字】 酶；废水处理；土壤修复；基因工程。

【引言】 酶工程是现代生物技术的主要内容之一，是酶学和工程学相互渗透结合发展而成的一门新学科。它从应用的角度研究酶，是在一定生物反应装置中利用酶的催化性质进行生物转化的技术，是生物技术的重要组成部分。随着现代生物技术的发展和环境污染的日益加剧，酶在废物处理和资源化中的应用越来越受到重视。

【正文】

1. 含芳香族化合物废水处理

芳香族化合物，包括酚和芳香胺，属于优先控制污染物。石油炼制厂、树脂和塑料生产厂、染料厂、织布厂等很多工业企业的废水中均含有此类物质。大多数芳香族化合物都有毒，在废水被排放前必须把它们去除。很多酶已用于废水处

理以取代传统的处理方法，现在研究和应用较多的过氧化酶有辣根过氧化物酶、木质素过氧化物酶及其他酶类。

辣根过氧化物酶(HRP，EC1.11.1.7)是酶处理废水领域中应用最多的一种酶 。有过氧化氢存在时，它能催化氧化多种有毒的芳香族化合物，其中包括酚、苯胺、联苯胺及其相关的异构体，反应产物是不溶于水的沉淀物,这样就很容易用沉淀或过滤的方法将它们去除。HRP的应用都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。而且， HRP可以与一些难以去除的污染物一起沉淀，去除物形成多聚物而使难处理物质的去除率增大。这个现象在处理含多种污染物的废水时有重要的实际应用 。木质素过氧化物酶，也叫木质素酶，可以处理很多难降解的芳香族化合物和氧化多种多环芳烃、酚类物质。木质素对新型污染物也具有高效降解作用。

植物来源的酶，从西红柿中提取的过氧化物酶用来使酚类化合物聚合。一些植物的根也可用于污染物的去除。

聚酚氧化酶可分为两类，酪氨酸酶和漆酶。它们都需要氧分子的参与， 但不需要辅酶。酪氨酸酶（EC1.14.18.1）,也叫酚酶或儿茶酚酶, 催化两个连续的反应:( a) 单分子酚与氧分子通过氧化还原反应形成邻苯二酚; ( b) 邻苯二酚脱氢形成苯醌, 苯醌非常不稳定, 通过酶催化聚合反应形成不溶于水的产物, 用过滤即可去除。酪氨酸酶已成功地用于从废水中沉淀和去除0. 01~ 1. 00 g / L 的酚类。酪氨酸酶用甲壳素固定化后处理含酚废水, 2 h 内去除率达100 % 。 固定化酪氨酸酶可防止被水流冲走及与苯醌反应而失活。固定化酪氨酸酶使用10 次后仍然有效。因此，固定若氨酸酶于甲壳素上可有效去除有毒酚类物质。

漆酶由一些真菌产生, 通过聚合反应去除有毒酚类。而且, 由于它的非选择性, 能同时减少多种酚类的含量。漆酶的去毒功能与被处理的特定物质、酶的来源及一些环境有关。

2. 造纸废水处理

造纸废水处和理中的酶有过氧化氢酶、漆酶、分解纤维素的酶等，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。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j3一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. 含氰（腈）废水处理

据估计，全世界每年使用的氰化物为300万吨。而氰化物是新陈代谢抑制剂，对人类和其他生物有致命的危害，因此处理氰化物非常重要。

氰化物酶氰化物酶能把氰化物转变为氨和甲酸盐，因此是一步反应历程。Alcaligenes denitn ficans（一种革兰氏阴性菌）可产生氰化物酶，该酶有很强的亲

合力和稳定性，且能处理的氰化物质量浓度低于0．02mg／L。氰化物酶的动力学性能服从米一门方程。氰化物酶的活性既不受废水中常见阳离子如(Fe2、Zn2和Ni)的影响，也不受诸如醋酸、甲酰胺等有机物的影响。最适宜pH值是7．8～

8．3。适合于氰化物酶的反应器有扩散型平板膜反应器，它的优点在于防止酶被大分子冲刷和保护用来固定酶的基质不被破坏。氰化物通过半透膜与膜里面的酶反应，反应产物再渗透回溶液。氰化物水合酶氰化物水合酶，能水解氰化物成甲酰胺。这类酶可由很多种真菌获得，它们被固定后有更好的稳定性，更利于含氰废水的处理。

硫氰化物是焦化废水中的一种主要污染物，形成的硫氰化物可以通过常规的废水处理工艺，如活性污泥法，得到处理。微生物降解是去除工业废水中高毒性有机物腈化物的有效方法。

含有不同腈化物水解酶的微生物可以代谢大量的有机腈化物，这些微生物可以利用有机腈化物为底物进行生长和代谢。利用特殊的微生物种群可降解有有机腈化物废水中的有毒废物，如利用腈化物水解酶在温和条件下处理乳胶废水，可以有效地去除聚合物乳液引起的丙烯腈污染。

4. 食品加工废水处理

食品加工工业是工业废水的主要来源之一。食品加工工业废水易于分解或转化为饲料或其他有经济价值产品。酶可应用于食品加工废水处理，以净化废水并获得高附加值产品。

蛋白酶、淀粉酶和微生物脂酶都可用于食品加工废水处理。

蛋白酶蛋白酶是一类水解酶，在鱼、肉加工工业废水处理中得到了广泛应用。蛋白酶能使废水中的蛋白质水解，得到可回收的溶液或有营养价值的饲料。一种从Bacillus subtilis中提取的碱性酶(EC未知)可用于家禽屠宰场的羽毛处理。通过NaOH预处理、机械破碎和酶水解，可成为一种高蛋白含量饲料成份。淀粉酶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。淀粉酶还可减少活性污泥法处理废水的时间。淀粉酶和葡萄糖酶可用于光降解和生物降解塑料的生产。葡萄糖经乳酸菌发酵得到乳酸，可用于生产可降解塑料。塑料的降解速率可通过乳酸与其他原料的比例来控制，一般是95%的乳酸和5%于环境无害的其他原料。

5. 微生物脂酶的应用

微生物脂酶(甘油脂水解酶)能催化一系列反应，包括水解、醇解、酸解、酯化和氨解等。大量的微生物可以用来生产脂酶，其中以假丝酵母、假单胞菌和根霉为其重要的酶源。脂酶应用于被污染环境的生物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，都可以用不同来源的脂酶进行有效处理。脂酶被广泛地用于废水处理。Dauberhe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。一项日本专利报道了直接在废水中培养亲脂微生物来处理废水。脂酶在生物修复受污染环境中获得了广泛的应用。利用米曲霉(Aspergillusoryzae)产生的脂酶从废毛发生产胱氨酸显示了它的应用前景。利用酵母菌从工业废水生产单细胞

蛋白，显示了脂酶在废物治理中应用的另一诱人前景。目前酶的价格仍较高，故它不适于处理高浓度污染物，而适于处理低浓度、高毒性污染物。酶处理有着广阔的应用前景。酶反应副产物的特征和稳定化、反应残余物的处理、处理费用问题必须深入研究。

6. 酶在土壤修复中的应用

生物修复，主要利用微生物、植物以及微生物-植物的联合作用，因为它们的酶系统催化功能十分强大，可以改变有机污染物的结构和毒性，或使它们完全矿化，形成无害的无机终端产物。污染物必须与微生物的酶系统接触才能发生降解。

胞外酶包括大量的氧化还原酶和水解酶。这些酶将大分子化合物转化为细胞能够容易吸收的小分子物质，随后，这些小分子物质被彻底矿化。在受污染场所（特别是土壤环境中），当污染物发生转化时，需要胞外酶启动这一过程。因此，胞外酶用于土壤修复中是有可能的，不过存在着局限性，需对其进行修饰和改造。基因工程为改变细胞内的关键酶或酶系统提供了可能, 从而可以利用基因工程对酶进行改造。

植物根区胞外酶通常与植物细胞壁相关，可以将污染物转化为更容易被植物根部或根际微生物吸收的中间产物。白腐真菌产生的木质素降解酶与过氧化氢产生系统及纤维素和半纤维素分解酶一起，可以协同降解木材。难降解的有毒污染物可以被各种白腐真菌有效地矿化。在有些情况下，除了LDSs,其他酶的参与对于污染物的矿化过程也非常关键。水解酶是污染物生物转化过程中涉及的另一种微生物酶。其底物选择性差，因此在一些污染物，包括不溶性污染物的生物修复

中起着关键作用。

研究表明，C.keratinophilum Z真菌产生的胞外蛋白酶可以水解角蛋白废物；来自Penicillum funicolosum 和Tricoderma resei 的纤维素酶，可以处理不同来源的废纸品。

无细胞酶可以用于降解多种不同的污染物，各种农药、难降解有机污染物及其他有毒污染物，都可用无细胞酶进行生物转化。无细胞酶还是能够降解腈化物的所谓腈化物降解酶。

漆酶因可氧化许多种有机污染物，在土壤污染修复方面的应用潜力受到广泛重视。筛选具有较高漆酶活性的土壤真菌，可以为污染土壤修复提供生物资源。在适当培养条件下,真菌F-5培养液酶活性可达4033U/L,表现出该菌具有较强的产漆酶能力。在多环芳烃(PAHs)污染土壤的生物修复中,真菌F-5可使土壤中苯并(a)芘、二苯并(a,h)蒽等高环、高毒性多环芳烃降解,并使土壤多环芳烃毒性当量大幅降低。因此,真菌F-5适合修复PAHs污染土壤。

【结论】

随着环境污染的日益严重及人们对环境污染治理与预防的重视，酶的研究与应用将得到更大的重视与发展。利用酶制作的生物传感器在环境污染监测中的应用也越来越广泛，酶在废物处理及资源化过程中正在发挥重要作用，已成为环境生物技术中不可缺少的一部分。未来的酶学将会得到更大的发展！

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