酶在环境保护方面的应用.doc

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酶在环境保护方面的应用

材料与化工学院生物工程

摘要：

随着科学技术的迅速发展，人类赖以生存的环境质量,是目前举世瞩目的重大问题。

对日益严峻的全球化环境污染问题，酶在环保方面的应用日益受到关注，呈现出良好的发展前景。

为环境保护污染治理提供了新的技术手段。

 本文介绍了酶工程基本技术，包括酶制剂的生产、酶的分离纯化，酶的固定化技术、酶的改造和修饰等，综述了酶在环境保护方面，包括水净化、石油和工业废油的处理、白色污染的治理和环境监测等方面的研究和应用现状。

关键词：

酶工程；环境保护；环境监测；废水处理；可生物降解材料开发；石油和工业废油

人类的生产和生活与自然环境密切相关，随着科学技术的不断发展，地球环境由于受到各方面因素的影响，正在不断恶化，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，已经成为举世瞩目的重大问题。

环境污染已成为制约人类社会发展的重要因素，我国每年排放大量废水（416亿t）、废气和烟尘（2000万t）以及固体废弃物（i000亿t），污染达到相当严重的地步。

因此环境保护问题越来越受到人们的重视。

20世纪以来，在化学和生物学之间的交叉地带形成的生物技术占据了重要的地位，在工业、农业、医药、食品等方面得到了广泛的应用，并对解决当代资源、能源、环保等多方面问题起着举足轻重的作用。

而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。

一、酶工程基本技术

1.酶制剂的生产

酶的来源主要有植物、动物和微生物。

最早酶多从植物、动物组织中提取，目前广泛使用的动物酶有猪胰蛋白酶和胃蛋白酶等，植物来源的酶有木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、麦芽淀粉水解酶、大豆脂肪氧化酶等。

但大多数酶由微生物生产，因为微生物种类多，几乎所有的酶都能在微生物中找到。

由于微生物容易培养、繁殖快、产量高，故可在短时间内大量生产。

连续发酵生产可以提供经济有效的酶制剂产品。

2.酶的分离纯化

酶分离纯化的目的在于获得一定量不含或含少量杂质的酶制品或者提纯为结晶，以利于科学研究和生产应用，属于生物技术的下游工程，包括粗制工艺和精制工艺。

自1926年Sumner从刀豆中分离提纯第一个结晶脲酶以来，酶的分离纯化研究进展迅速，迄今为止，科学家们已制成了300多种纯净酶，达到了相当高的纯化程度，并发展了各种类型的分离纯化方法。

3.酶的固定化技术

酶的固定化是指用物理或化学手段，把酶束缚在一定的区域内，使其在一定的范围内起催化作用。

固定化酶既具有酶的催化特性，又具有一般化学催化剂能回收、反复使用等优点，并且生产工艺可以连续化、自动化。

经过50多年的研究和发展，酶固定化技术取得了长足的进步，采用这种技术不仅能改善酶的特性，还能创造适应特殊要求的新酶。

酶的固定化方法见表。

表-酶的固定化方法

固定化方法

分类

非共价结合法

结晶法

分散法

物理吸附法

离子结合法

化学结合法

交联法

共价结合法

包埋法

微囊法

嘲格法

4.酶的改造和修饰

酶的化学本质就是蛋白质，蛋白质的功能性质与其空间构像关系密切。

采用某种生物学或化学方法改变蛋白质的一级结构，从而改善蛋白质分子的功能性质和生物活性，这一过程称为酶分子改造和修饰。

其主要的方法有蛋白质工程技术（包括定位突变技术、盒式突变技术、双引物法、缺口双链法、质粒上直接突变法等）、酶法有限水解、氨基酸置换修饰、亲和标记修饰、大分子结合修饰等。

二、酶在环境保护方面的应用

1.酶在环境监测方面的应用

环境监测是了解环境情况、掌握环境质量变化，进行环境保护的一个重要环节。

酶在环境监测方面的应用越来越广泛，已经在农药污染的监测、重金属污染的监测、微生物污染的监测等方面取得重要成果。

（1）利用胆碱酯酶检测有机磷农药污染 

最近几十年来，为了防治农作物的病虫害，大量使用各种农药。

农药的大量使用，对农作物产量的提高起了一定的作用，然而由于农药，特别是有机磷农药的滥用，造成了严重的环境污染，破坏了生态环境。

为了监测农药的污染，人们研究了多种方法，其中采用胆碱酯酶监测有机磷农药的污染就是一种具有良好前景的检测方法。

 胆碱酯酶可以催化胆碱酯水解生成胆碱和有机酸：

 有机磷农药是胆碱酯酶的一种抑制剂，可以通过检测胆碱酯酶的活性变化，来判定是否受到有机磷农药的污染。

20世纪50年代，就有人通过检测鱼脑中乙酰胆碱酯酶活力受抑制的程度，来检测水中存在的极低浓度的有机磷农药。

现在可以通过固定胆碱酯酶的受抑制情况，检测空气或水中微量的酶抑制剂（有机磷等），灵敏度可达0.1mg/L。

（2）利用乳酸脱氢酶的同工酶监测重金属污染 

乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, EC1.1.1.27）有5种同工酶。

它们具有不同的结构和特性。

通过检测家鱼血清乳酸同工酶（SLDH）的活性变化，可以检测水中重金属污染的情况及其危害程度。

镉和铅的存在可以使SLDH4活性升高；汞污染使SLDH1活性升高；铜的存在则引起SLDH4的活性降低。

（3）通过β–葡聚糖苷酸酶监测大肠杆菌污染 

将4–甲基香豆素基–β–葡聚糖苷酸掺入选择性培养基，样品中如果有大肠杆菌存在，大肠杆菌中的β–葡聚糖苷酸酶就会将其水解，生成甲基香豆素。

甲基香豆素在紫外光的照射下发出荧光。

由此可以检测水或者食品中是否有大肠杆菌污染。

（4）利用亚硝酸还原酶检测水中亚硝酸盐浓度 

亚硝酸还原酶（nitrite reductase,EC1.6.6.4）是催化亚硝酸还原生成一氧化氮的氧化还原酶。

利用固定化亚硝酸还原酶，制成电极，可以检测水中亚硝酸盐的浓度。

2.酶在废水处理方面的应用 

废水中的有毒物质的成分十分复杂，包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛、醇及蛋白质等等。

微生物通过自身的生命活动可以解除污水的毒害作用，从而使污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质，使污水得到净化。

当今固定化酶和固定化细胞技术处理污水就是生物净化污水的方法之一。

有的废水中含有淀粉、蛋白质、脂肪等各种有机物质，可以在有氧和无氧的条件下用微生物处理，也可以通过固定化淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等进行处理。

冶金工业产生的含酚废水，可以采用固定化酚氧化酶进行处理。

 含有硝酸盐、亚硝酸盐的地下水或废水，可以采用固定化硝酸还原酶，亚硝酸还原酶、和一氧化氮还原酶进行处理。

总之酶在污水处理中具有以下的优点：

a、能处理难以生物降解的化合物；b、高浓度或低浓度废水都适用；c、操作时的PH值、温度和盐度的范围均为很广；d、不会因为生物质的聚集而减慢处理速度，处理过程的过程控制简单易行等。

运用固定化酶和固定化细胞可以高效处理废水，此方面国内外成功的例子很多，如德国将能降解对硫磷等9种农药的酶，以共介结合法固定于多孔玻璃及硅珠上，制成酶柱，用于处理对硫磷废水，去除率达95%以上；近几年我国在应用固定化细胞技术降解合成洗涤剂中的表面活性剂直链烷基苯磺酸钠（LAS）方面取得较大进展，对于含100mg/L废水，降解率和酶活性保存率均在90%以上；利用固定化酵母细胞降解含酚废水也已实际应用于废水处理。

3.酶在可生物降解材料开发方面的应用

随着城市化和工业化的不断发展，高分子材料已经成为与钢铁、水泥和木材等并重的四大支柱材料之一，虽然许多新材料的生产改善了人类的物质生活，但是与此同时也带来了大量的污染废弃物，加速了环境的恶化。

因此可生物降解材料越来越引起人们的关注，并且对人类的生存、健康与发展将起重要作用。

近些年来，可生物降解高分子材料的研发已成为高分子领域的热点之一，它具有质量轻、化学稳定性好、价格低廉以及可生物降解等优点。

因此应用领域也比较广泛，例如建材业、农业和医学领域等等。

真正的生物降解高分子是在有水存在的环境下,能被酶或微生物促进水解降解、高分子主链断裂、分子量逐渐变小以至最终成为单体或代谢成CO2和H2O。

当前生物材料研究中的一个重要趋势是发展可降解聚合物新的应用。

其最广泛的应用是作为药物控制体系的载体材料和体内短期植入物。

当用生物降解高分子作为载体的长效药物植入体内,在药物释放完之后也不需要再经手术将其取出,这可以减少用药者的痛苦和麻烦。

因此生物降解高分子是抗癌、青光眼、心脏病、高血压、止痛、避孕等长期服用药物的理想载体。

目前传统开发可生物降解高分子材料的方法有天然高分子改造法、化学合成法、微生物发酵法等；传统的方法虽然各有特点，但是他们的缺点也是显而易见的。

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。

用酶法合成可生物降解高分子材料,实际上得益于非水酶学的发展。

酶在有机介质中表现出与其在水溶液中不同的性质,并拥有催化一些特殊反应的能力,从而显现出许多水相中所没有的特点。

4.酶在石油和工业废油处理方面的应用

每年由于各种原因排人海中的石油达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人人体。

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。

酶法生产生物柴油日益受到人们的青睐，可利用餐饮业废油脂和工业废油脂为原料，变废为宝的同时降低了生物柴油的生产成本。

生物柴油，即长链脂肪酸单酯，是一种以动植物油脂为原料生产的可再生的绿色能源。

它不但可以作为化石柴油的替代燃料，而且具有化石柴油无可比拟的优良特性。

随着石油资源的日益枯竭以及人们环保意识的不断增强。

近年来生物柴油的生产已引起世界各国的广泛关注,并成为新能源开发的一个热点。

目前生物柴油的工业生产均采用化学法，这种方法存在醇必须大大过量、能耗高、产物难于回收和废碱液污染环境等缺点，并且对原料要求高，导致生产成本过高（原料成本占总成本的75%左右）。

能否利用廉价的原料生产生物柴油是生物柴油能否得到广泛应用的关键。

酶法生产生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、产物易分离及无污染物排放等优点，尤其是对原料要求低，可利用餐饮业废油脂和工业废油脂等原料，故可望降低生物柴油的生产成本。

因此，酶法生产生物柴油日益受到人们的青睐。

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