白质等大分子有机物,则必须在细胞外酶,即水解酶的作用下,被水解为小分子后,再为 徵生物摄入细胞体内。被摄入细胞体内的有机污染物,在各种胞内酶,如脱氢酶、氧化酶 等的催化作用下对其进行代谢反应,从而达到将水中的有机污染物去除的目的 但是这存在着明显的缺点,主要是反应器中酶浓度不够大、某些高效菌株或增殖慢的 微生物易流失,即其所含有的特种酶流失、微生物易受环境影响,从而影响酶的活性等缺 点。因此需要人们采用人工强化的手段以改善、避免或削弱上述缺点,提高处理效率。因 此,酶反应器技术便应运而生了。 所谓酶反应器,就是以酶为催化剂进行反应所需要的设备或者装置。酶反应器也是使 生物工程由技术转化为产业的关键。现在发展起来的酶反应器种类很多,图22列举了几 种常见的酶反应器 严物 火十圖定化酶 C付固定化酶 底物 a)间歇反应器 (b)连续流搅拌槽 式反应器 产物 固定化酶 循环流 床层 底物 底物 (c)固定床反应器 (d)循环反应器 产粉 底物 酶循环 固定化酶 流化床 超滤设备 产物 (e)流化床反应器 (D连续搅拌·超滤式反成器 图22常见酶反应器 酶在废水处理中的应用越来越受到重视。这是因为:(a)难降解有机污染物的排放日 益增多,使用传统的化学和生物处理方法已很难达到令人满意的去除效果,这就需要找到 个比现行方法更快捷、更经济、更可靠、更简便的方法;(b)人们已逐渐认识到酶能用 来专门处理某些特定的污染物;(c)生物工程技术的发展使酶的生产成本降低等。 酶在污水处理中具有以下优点:(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;(操作时的pH值、温度和盐度的范围均很广;(d)不会因生物物质的聚13 集而减慢处理速度,处理过程的控制简便易行等
从上述情况可以看出,酶反应器克服了传统生物处理方法的缺点,是未来生物处理设 备发展的方向,同时也将成为治理污水的有效手段。在此基础上,人们期待的酶反应器具 有如下的优点:容积生产率高;反应条件易于控制,易连续化、自动化;耗能低;污染 少;反应器加工方便,易行,投资低。因此,在设计酶反应器时所遵循的原则是通用和简 单。在设计酶反应器前首先应了解以下情况。 ①反应类型水解酶和异构酶催化的反应较简单。而另一些酶类需辅助因子, 为维持反应的正常进行,就需不断补充被消耗掉的辅助因子。有些酶促反应会产酸、 产碱,改变反应系统的pH值,有些酶促反应会耗氧或产气,则需调节通气量,控制 氧分压。 ②动力学性质酶促反应动力学性质,如底物浓度、底物或产物的抑制、扩散作 用等 ③反应器的类型及反应器内流体的流动状态。 ④热传递及温度的影响酶促反应速率及酶的热失活速率均与温度有关。 ⑤需要的生产量和生产工艺流程。 ⑥操作稳定性。 2.1.3.2酶在废水处理工程中的应用 在此主要介绍几种具体的酶在某些持种废水处理中的应用情况。 (1)含酚废水的处理 ①过氧化物酶过氧化物酶是由微生物或植物所产生的一类氧化还原酶。它能催化 很多反应,但都要求有过氧化物的存在,如过氧化氢(H2O2)的存在来激活过氧化物酶。 过氧化氢(H2O2)首先氧化酶,然后酶才氧化底物。现在研究和应用较多的过氧化物酶 有辣根过氧化物酶( horseradish peroxidase,HRP)、木质素过氧化物酶( lignin peroxi- dase,IP)及其他酶类 辣根过氧化物酶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 化氧化很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。由于 催化反应产物是不溶于水的沉淀物,这样就很容易采用沉淀或过滤的方法将它们去除。 HRP特别适于废水处理的另外一个原因还在于它能在一个较广的pH值和温度范围内保 持活性。HRP的很多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(如联苯胺、荼胺)等。而且HRP可以与一些难 以去除的污染物一起沉淀,与去除物形成多聚物而使难处理物质的去除效率增大,这个现 象在处理含多种污染物的废水时有着重要的实际应用价值。例如多氯联苯可以与酚一起从 溶液中沉淀下来,从而在去除酚的同时将多氯联苯也一并去除。HRP的这个特定的应用 还有待于进一步地深入研究。 提高酶的使用寿命和减少处理费用有以下几种方法:选择合适的反应器结构,将酶固 定化:使用添加剂(如硼酸钾、明胶、聚乙二醇)防止酶被沉淀的多聚物带走;增加诸如 滑石之类的吸收剂的量以防止酶被氧化产物抑制。 本质素过氧化物酶也叫木质素酶( ligninase),是 Phanerochaete chrysosporium白腐 真菌细胞酶系统的一部分。木质素过氧化物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。木质素过氧化物酶在木质素解聚中的作用已被证实。它的作用 机理与HRP十分相似。木质素过氧化物酶的稳定性是它在废水处理应用方面经济和技术
可行性的关键因素。木质素过氧化物酶在低pH值状态下被抑制。随着pH值的升高和在 酒精存在情况下培养酶以提髙酶的浓度,木质素过氧化物酶稳定性也提高。去除酚类的优 化条件是:酶的浓度高,pH值大于4.0,一定用量的过氧化氢。木质素过氧化物酶固定 在多孔陶瓷上并不影响它的活性,并表现出降解芳香族物质的良好性能。现在,一种能用 于有害废物处理和生产木质素过氧化物酶的硅膜反应器已研制出来。 从西红柿中提取的过氧化物酶可用来使酚类化合物聚合。一些植物的根也可以用于污 染物的去除。植物过氧化物酶在处理2,4二氯酚浓度高达850mg/L的废水时,去除速率 与纯的HRP差不多。去除速率与反应混合体系的pH值、植物原料颗粒大小、原料用量、 是否有过氧化氢参与等因素有关。 ②聚酚氧化酶聚酚氧化酶代表另外一类催化酚类物质氧化的氧化还原醇。它们分 为两类:酪氨酸酶和漆酶,它们都需要氧气分子的参与,但不需要辅酶。 酪氨酸酶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,通过非酶催化 聚合反应形成不溶于水的产物,这样用简单的过滤即可去除。酪氨酸酶已成功地用于从工 业废水中沉淀和去除浓度为0.01~10g/L的酚类。酪氨酸酶用甲壳素固定化后处理含酚 废水,2h内去除率达100%。固定化酪氨酸酶是为了防止被水流冲走及与苯酚反应而失 活。固定化酪氨酸酶使用10次后仍然有效。因此。固定酪氨酸酶于甲壳素上,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。事实上,漆酶能氧化酚类成为十分活泼的相应阴离子自由基团。 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因素有关。 以上这几种酶都可以用来处理含酚废水,特别是石油炼制厂、树脂和塑料生产厂、染 料厂、织布厂等很多企业的废水中都含有酚和芳香胺,因为这两种物质都有毒,所以在废 水排放前必须将它们去除。 (2)造纸废水的处理 ①过氧化物酶和漆酶辣根过氧化物酶和木质素过氧化物酶还可以应用于造纸废水 脱色。它们固定化形式的处理效果比游离形式高。木质素过氧化物酶作用的机理是通过将 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。漆酶还可通过沉淀作用去除 漂白废水中的氯酚和氯化木质素 ②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。每生产1t纸 大约产生60kg污泥,这样就可得到有经济价值的产品。所使用的酶是由纤维二糖水合 酶、纤维素酶和β-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)含氰废水的处理 据估计全世界每年使用的氰化物为300×10t,主要是在化学合成、人造织物、橡胶 工业、制药工业、矿石浸取、煤处理、电镀等领域。而且,很多植物、微生物和昆虫也能 分泌自己体内的氰化物。因为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。 ①氰化物酶氯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。Al
caligene sdenitnficans(一种革兰阴性菌)可产生氰化物酶,该酶有很强的亲和力和稳定 性,且能处理浓度低于0.02mg/L的氰化物 氰化物酶的动力学性能服从米门方程。氰化物酶的活性既不受废水中常见阳离子 (如Fe-、Zn2+等)的影响,也不受诸如乙酸、甲酰胺、乙腈等有机物的影响。最适宜 pH值范围是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。 ②氰化物水合酶氰化物水合酶,也叫甲酰胺水解酶,能水解氰化物成甲酰胺。这 类酶可由多种真菌获得,它们被固定后有更好的稳定性,更利于含氰废水的处理 (4)食品加工废水的处理 食品加工工业是工业废水的主要来源之一。其他工业废水大多是有毒的,必须转化为 无毒物质,而食品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 品工业废水处理,以净化废水并获得高附加值产品。 ①蛋白酶蛋白酶( protease)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。蛋白 酶水解蛋白质,首先被水中固体蛋白质吸收,酶使蛋白质表面的多肽链解开,然后更紧密 的内核才逐渐被水溶解 种从 Bacillus subtilis中提取的碱性酶可用于家禽屠宰场的羽毛处理。羽毛占家禽 总重的5%,在其外表坚硬的角质素破坏后,是一种高蛋白的来源。通过NaOH预处理、 机械破碎和酶的水解,可成为一种高蛋白含量的饲料成分。 ②淀粉酶淀粉酶是一种多糖水解酶,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乙醇。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。食品加工时产生的奶酪乳浆 或马铃薯废水富含淀粉。首先使用a淀粉酶,使淀粉由大分子化合物转变为小分子化合 物,再用葡萄糖酶将其变成葡萄糖(多于90%的淀粉可转变为葡萄糖)。葡萄糖经乳酸菌 发酵得到乳酸。用于生产可降解塑料。塑料的降解速虔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。 上述情况表明,某种酶只对废水中的某种或某几种物质有去除能力,所以,单一酶或 单一微生物并不能将某一种废水净化彻底。因此开发多种单一的固定化酶,包括胞外酶和 胞内酶的组合处理,才能使废水完全无机化和稳定化。例如,德国将9种降解对硫磷农药 的酶共价结合固定在多孔玻璃珠、硅胶上,制成酶柱处理硫磷农药废水,获得95%以上 的去除效果;连续工作70d酶的活性没有变化,说明多种酶的作用远大于单一酶的作用。 对于城市生活污水和工业废水的水量都很大的情况,用单一固定化酶处理有一定的难度, 但水量较小的某种工业废水处理有望在实践中得以实现。从这个意义上讲,开发多种酶体 系要比制备单一固定化酶的前景更加诱人 酶对某些特种废水的处理效果优异,因此在废水处理中的应用愈加广泛。而且酶还可 以用于回收产品或将废物转化为产品,以提高资源化的利用率。但在这种极其诱人的前景 下,要对以下问题加以重视
a.酶在应用的过程中有无有毒物质的产生,因此,在应用酶进行具体的操作前,应 对酶反应是否产生有毒物质进行充分研究。 b.酶处理过程中产生的固相沉淀物如酚类沉淀物要妥善处置。若采用燃烧处理,则 必须控制燃烧过程中有害气体的产生。因此最好考虑沉淀物的综合利用。 c.必须考虑酶的费用,现在由于其分离、纯化、生产的费用,酶的价格仍然较高 d.高浓度污染物不适合利用酶处理,因为需要的酶的用量多,处理费用太高 e.酶反应副产物的特性和稳定化、反应残余物的处理、处理费用等 2.2基因工程及其在环境污染防治中的应用 2.2.1基因工程概述 22.1,1基因工程的诞生 基因工程诞生于1973年,从20世纪40年代起,科学家们从理论和技术两方面为基 因工程的产生奠定了坚实的基础,图2-3所示为基因工程实验的一般步骤。概括起来,从 20世纪40年代到70年代初基因工程诞生,现代分子生物学领域理论上的三大发现及技 术上的三大发明对基因工程的诞生起到了决定性的作用。 (1)理论上的三大发现 ①生物的遗传物质DNA的发现1934年,O.T. Avery在一次学术会议上首次报道 了肺炎双球菌( Di pyococcus pneumoniae)的转化,当时此篇论文没有得到公认;事隔10 年,这一成果才得以公开发表。事实上 Avery不仅证明了DNA是生物的遗传物 质,而且也证明了DNA可以把一个细菌的 性状转给另一个细菌,具有十分重大的理论 意义。因此, Avery的工作可以说是现代生 限制性内 限制性内 物科学革命的开端,是基因工程的先导 ↓切酶囀解 P一相容末端一 ②DNA双螺旋结构的发现1953年,目的基因 Watson和 Crick发现了DNA的双螺旋结 构。随后X射线衍射证明DNA具有规则的 螺旋结构。 ③遗传信息的传递方式的确定1961 年,J. Monod和F. Jacob提出了操纵子学 说。以 Nireberg为代表的一批科学家,经 过艰苦努力,确定了遗传信息是以密码方式 传递的,每三个核苷酸组成一个密码子,代 表一个氨基酸。到1966年,全部破译了64 转化衔主细胞 个密码,编排了密码字典,叙述了中心法 并筛选出含有重组了的克隆 则,提出遗传信息流,即DNA→RNA→蛋 白质。从分子水平上揭示了遗传现象。 大贔培养这屿克隆,检测表达产物 (2)技术上的三大发明 图2-3基因工程实验的一般步骤