酶在环境保护中的应用.ppt

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1、摘要摘要 介绍了酶工程基本技术介绍了酶工程基本技术,包括酶包括酶制剂的生产、酶的分离纯化、酶的制剂的生产、酶的分离纯化、酶的固定化技术、酶的改造和修饰等固定化技术、酶的改造和修饰等,综综述了酶在环境保护方面述了酶在环境保护方面,包括水净化、包括水净化、石油和工业废油的处理、白色污染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的治理和环境监测等方面的研究和应用现状应用现状 人类赖以生存的环境质量人类赖以生存的环境质量,是目前举世瞩目的重是目前举世瞩目的重大问题。随着科学技术的不断发展大问题。随着科学技术的不断发展,人类开发利用自然人类开发利用自然资源的能力和范围不断扩大资源的能力

2、和范围不断扩大,随之而来的环境污染问题随之而来的环境污染问题也越来越严重。环境污染已成为制约人类社会发展的重也越来越严重。环境污染已成为制约人类社会发展的重要因素要因素,我国每年排放大量废水我国每年排放大量废水(416 亿亿t)、废气和烟尘、废气和烟尘(2000 万万t)以及固体废弃物以及固体废弃物(1000 亿亿t),污染达到相当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。严重的地步。因此环境保护问题越来越受到人们的重视。20 世纪以来世纪以来,在化学和生物学之间的交叉地带形成的生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物技术占据了重要的地位,在工业、农业

3、医药、食品在工业、农业、医药、食品等方面得到了广泛的应用等方面得到了广泛的应用,并对解决当代资源、能源、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程的重要组成部分,酶和酶工程受到生物化学工作者的酶和酶工程受到生物化学工作者的重视重视,几种新兴的技术产业已成为优先发展的高科技领几种新兴的技术产业已成为优先发展的高科技领域。本文在此介绍了酶工程基本技术及其在环境保护方域。本文在此介绍了酶工程基本技术及其在环境保护方面的研究和应用现状。面的研究和应用现状。酶工程基酶工程基本技术知识本技术知识主要内容主要内

4、容 环境保护中环境保护中 的应用的应用酶技术酶技术包括包括酶的生产酶的生产酶的生产酶的生产 酶的改造酶的改造酶的改造酶的改造与修饰与修饰与修饰与修饰酶的分离酶的分离酶的分离酶的分离纯化纯化纯化纯化酶的固定酶的固定酶的固定酶的固定化技术化技术化技术化技术酶制剂的生产酶制剂的生产 酶的来源主要有植物、动物和微生物。最早酶酶的来源主要有植物、动物和微生物。最早酶多从植物、动物组织中提取多从植物、动物组织中提取,目前广泛使用的动物目前广泛使用的动物酶有猪胰蛋白酶和胃蛋白酶等酶有猪胰蛋白酶和胃蛋白酶等,植物来源的酶有木植物来源的酶有木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、麦芽淀瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果

5、蛋白酶、麦芽淀粉水解酶、大豆脂肪氧化酶等。但大多数酶由微粉水解酶、大豆脂肪氧化酶等。但大多数酶由微生物生产生物生产,因为微生物种类多因为微生物种类多,几乎所有的酶都能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、在微生物中找到。由于微生物容易培养、繁殖快、产量高产量高,故可在短时间内大量生产。连续发酵生产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可以提供经济有效的酶制剂产品酶的分离纯化 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量杂质的酶制品或者提纯为结晶,以利于科学研究以利于科学研究和生产应

6、用和生产应用,属于生物技术的下游工程属于生物技术的下游工程,包括粗制包括粗制工艺和精制工艺。自工艺和精制工艺。自1926 年年Sumner 从刀豆中分从刀豆中分离提纯第一个结晶脲酶以来离提纯第一个结晶脲酶以来,酶的分离纯化研究进酶的分离纯化研究进展迅速展迅速,迄今为止迄今为止,科学家们已制成了科学家们已制成了300 多种纯多种纯净酶净酶,达到了相当高的纯化程度达到了相当高的纯化程度,并发展了各种类并发展了各种类型的分离纯化方法。型的分离纯化方法。酶的固定化技术酶的固定化技术 酶的固定化是指用物理或化酶的固定化是指用物理或化学手段学手段,把酶束缚在一定的区把酶束缚在一定的区域内域内,使其在一定的

7、范围内起使其在一定的范围内起催化作用。固定化酶既具有酶催化作用。固定化酶既具有酶的催化特性的催化特性,又具有一般化学又具有一般化学催化剂能回收、反复使用等优催化剂能回收、反复使用等优点点,并且生产工艺可以连续化、并且生产工艺可以连续化、自动化。经过自动化。经过50 多年的研究多年的研究和发展和发展,酶固定化技术取得了酶固定化技术取得了长足的进步长足的进步,采用这种技术不采用这种技术不仅能改善酶的特性仅能改善酶的特性,还能创造还能创造适应特殊要求的新酶。适应特殊要求的新酶。酶的改造和修饰 酶的化学本质就是蛋白质酶的化学本质就是蛋白质,蛋白质蛋白质的功能性质与其空间构像关系密切。的功能性质与其空间

8、构像关系密切。采用某种生物学或化学方法改变蛋采用某种生物学或化学方法改变蛋白质的一级结构白质的一级结构,从而改善蛋白质分从而改善蛋白质分子的功能性质和生物活性子的功能性质和生物活性,这一过程这一过程称为酶分子改造和修饰。其主要的称为酶分子改造和修饰。其主要的方法有蛋白质工程技术方法有蛋白质工程技术(包括定位突包括定位突变技术、盒式突变技术、双引物法、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、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。亲和标记修饰、大分子结合修饰等。绿色环保“酶”力无限 不同的

9、废水，含有各种不同的废水，含有各种不同的物质，要根据所不同的物质，要根据所含物质的不同，采用不含物质的不同，采用不同的酶进行处理。有的同的酶进行处理。有的废水中含有淀粉、蛋白废水中含有淀粉、蛋白质、脂肪等各种有机物质、脂肪等各种有机物质，可以在有氧和无氧质，可以在有氧和无氧的条件下用微生物处理，的条件下用微生物处理，也可以通过固定化淀粉也可以通过固定化淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等酶、蛋白酶、脂肪酶等进行处理。进行处理。酶在废水处理中的应用重金属废水食品工业废水含酚废水含酚废水水净化水净化水净化水净化 早在早在20 世纪世纪70 年代年代,固定化酶已被用于水固定化酶已被用于水和空气的净化。法国工业研

10、究所积极开展利用和空气的净化。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固定化酶处理工业废水的研究,将能处理废水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的酶制成固定化酶。处理静止废水时直接用酶布或酶片布或酶片;处理流动废水时根据废水所含污物处理流动废水时根据废水所含污物的种类和数量的种类和数量,确定玻璃酶柱或塑料酶柱的高确定玻璃酶柱或塑料酶柱的高度和直径度和直径,采用多酶酶柱或单一酶柱。采用多酶酶柱或单一酶柱。含酚废水 芳香族化合物芳香族化合物,包括酚和芳香胺包括酚和芳香胺,属于优先控制的污染物属于优先控制的污染物,塑料塑料厂、树脂厂、染料厂等企业的废水中都含有这类污染物

11、厂、树脂厂、染料厂等企业的废水中都含有这类污染物,很多酶很多酶已用于这类废水处理。辣根过氧化物酶已用于这类废水处理。辣根过氧化物酶(HRP)的应用集中在含的应用集中在含酚污染物的处理方面酚污染物的处理方面,使用使用HRP 处理的污染物包括苯胺、羟基喹处理的污染物包括苯胺、羟基喹啉、致癌芳香族化合物等。啉、致癌芳香族化合物等。HRP 可以与一些难以去除的污染物可以与一些难以去除的污染物一起沉淀一起沉淀,形成多聚物而使难处理物质的去除率增大。如多氯联形成多聚物而使难处理物质的去除率增大。如多氯联苯可以与酚一起从溶液中沉淀下来。科学研究了用磁性苯可以与酚一起从溶液中沉淀下来。科学研究了用磁性CS2M

12、 固固定化定化HRP 处理含酚废水处理含酚废水,不仅有较高的酚去除率不仅有较高的酚去除率,并可利用其磁并可利用其磁响应性简便地回收磁性酶。并用壳聚糖固定化漆酶响应性简便地回收磁性酶。并用壳聚糖固定化漆酶,通过共价结通过共价结合合,壳聚糖固定化漆酶获得了较高的酶活性回收率壳聚糖固定化漆酶获得了较高的酶活性回收率,在在25 条件条件下半连续处理酚类污染物下半连续处理酚类污染物,连续操作连续操作12 次后固定化酶活性仍保留次后固定化酶活性仍保留60%以上以上,漆酶的使用效率比简单的物理吸附明显提高。墨西哥漆酶的使用效率比简单的物理吸附明显提高。墨西哥科学家从萝卜中提炼出一种能清除工业废水中酚类混合物

13、的酶科学家从萝卜中提炼出一种能清除工业废水中酚类混合物的酶,经这种萝卜素酶处理过的工业废水可以循环再利用。经这种萝卜素酶处理过的工业废水可以循环再利用。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将固定化蛋白酶应用于粮食加工废水的预处理,其后续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分子,大大提高了废水的可生化性。固定化蛋白酶稳定、大大提高了废水的可生化性。固定化蛋白酶稳定、可重复使用的特点可重复使用的特点,使得将酶

14、应用于废水处理成为一种经使得将酶应用于废水处理成为一种经济可行的方法济可行的方法,具有良好的发展前景。淀粉酶是一类多糖具有良好的发展前景。淀粉酶是一类多糖水解酶水解酶,多糖转变为单糖和发酵能同时进行多糖转变为单糖和发酵能同时进行,淀粉酶用于含淀粉酶用于含淀粉废水处理淀粉废水处理,可使大米加工产生的废水中的有机物转化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。科为酒精。淀粉酶还可缩短活性污泥法处理废水的时间。科学研究了同时采用学研究了同时采用淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的双酶法来处淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的双酶法来处理小麦淀粉废水理小麦淀粉废水,以实现利用此废水生产单

15、细胞蛋白的目以实现利用此废水生产单细胞蛋白的目的。的。重金属废水 台湾成功大学等将筛选出的耐铜、耐镍台湾成功大学等将筛选出的耐铜、耐镍真菌用于电镀废水的处理。科学家等发现真菌用于电镀废水的处理。科学家等发现每克菌丝每克菌丝(干重干重)去除铜高达去除铜高达180 mg 以上以上,真菌表面的连接酶将溶于水中的重金属吸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附在微生物表面,在能出入细胞壁传输营养在能出入细胞壁传输营养物的酶的作用下物的酶的作用下,将重金属离子带入细胞内将重金属离子带入细胞内,细胞内重金属酶将其进行生物合成。细胞内重金属酶将其进行生物合成。石油和工业废油的处理 每年由于各种原

16、因排入海中的石油达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入人体。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。白色污染的治

17、理 当前各个领域使用的各种高分子当前各个领域使用的各种高分子材料材料,绝大多数都是非生物降解或不绝大多数都是非生物降解或不完全降解的材料完全降解的材料,据统计据统计,全世界每全世界每年有年有2500 2500 万万t t 这样的材料用后丢弃这样的材料用后丢弃,严重污染了环境。开发可生物降解严重污染了环境。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、化学合成法等分子的改造法、化学合成法等,但效但效果不佳。酶法合成可生物降解高分果不佳。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子兼有化学法和微生物法的优点,它它以酶代替化学催化剂以酶代替化学催化剂

18、高效率、高选高效率、高选择地催化某一化学反应择地催化某一化学反应,催化条件温催化条件温和和,克服了微生物法代谢产物复杂、克服了微生物法代谢产物复杂、产物难分离的缺点。产物难分离的缺点。利用亚硝酸还 原酶检测 水中亚硝酸盐浓度 利用胆碱酯酶检测有机磷农药污染 利用乳酸脱氢酶的同工酶监测重金属污染 通过葡聚糖苷酸酶监测大肠杆菌污染Text 3环境监测应用环境监测环境监测 酶传感器在环境监测中已取得诱人的成就,并将继续扩大其应用范围。目前发现的酶传感器已有多种。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

19、监测、微生物污染的监测等方面取得重要成果。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

20、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。利用胆碱酯酶检测有机磷农药污染利用亚硝酸还原酶检测水中亚硝酸盐浓度 亚硝酸还原酶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。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。随着世界能源的日益减少,而人口却在不断增加,水资源和粮食日见短缺。由于人类对环保意识的加强,使得工业界用酶来改革传统工艺的需求更为迫切。因此,提高酶的产量,降低生产成本,开发酶的新品种、新用途更是当务之急。基因工程、蛋白质工程的发展,为酶制剂工业发展创造了有利条件。开发耐热、耐酸碱,对底物有特殊作用的酶,以及将动植物生产的酶改由微生物发酵方法来生产,或者将还不能使用的微生物所产的酶改由安全菌种来生产,都将成为现实。结束语结束语谢谢