生物技术-酶在环境保护中的应用

走进生物技术

-----酶在环境保护中的应用

摘要：

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，环境工程技术与生物技术的结合发展，为环境保护污染治理提供了新的技术手段。本文论述了现代生物技术酶在治理环境污染，保护生态环境中的应用和其发展的前景。

关键词：酶环境保护应用发展前景

Application of enzymes in Environmental Protection

Abstract:

The environmental quality of human life, is a major issue of world interest. Increasingly serious global environmental problems, environmental engineering technology and biological technology, combined with development, environmental pollution control technology provides a new means. This article discusses the modern biotechnology activity in environmental pollution, protect the ecological environment of the application and its development prospects.

Key words: Enzyme Environmental development in the future

Medical Marketing Medical School of Business 08 (1) Class 0,807,605,118 Mai yini

一、我国生态环境现状

目前我国由于工业“三废”污染、农用化肥和农药的污染以及废弃塑料和农用地膜的污染，严重的影响了我国的生态环境，使得水污染日益加剧，水资源严重短缺，全国600多个城市中已有一半城市缺水，农村则有8 000万人和6 000万头牲畜饮水困难；土壤污染严重，耕地面积锐减，近10年来每年流失的土壤总量达50亿t，土地荒漠化日益加剧；森林覆盖面积下降，草场退化，每年减少森林面积达2 500万亩；人们的身体健康受到严重威胁，疾病发病率急剧上升。因此，加大环境保护和环境治理力度，加快应用高新技术，如现代生物技术来控制环境污染和保持生态平衡，提高环境质量已成为环保工作者的工作重点。

二、酶技术与环境保护

酶是由活细胞生成的具有催化作用的蛋白质，也称生物催化剂。广泛存在于生物体，将酶提取加工后的产品，即称为酶制剂。

在七十年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益在环境保护等领域发挥着巨大的作用。

现代研究表明，酶与酶技术与环境保护的关系十分密切，主要表现以下三方面：

1、在产品加工过程中用酶来替代化学品（以生物过程代替化学过程反应较温和）可以降低生产活动中的污染水平，有利于实现工艺过程生态化或无废生产，真正实现清洁生产的目标。

2、酶作为生物催化剂，只对产品内容起作用，使产品在过程中产生的污染大大减少，有利于环境保护。

3、酶的反应条件温和、专一性强、催化效率高等自身的特点，决定了对污染物处理和环境监测具有高效、快速、可靠的优点。因此酶工程技术在环境治理领域具有广阔的前景。

总的来说，酶应用在环境保护中相对于传统的治理方法是有很大的优势的，与外国在这方面研究相比，我国把酶应用环保方面的研究工作才刚刚起步，还有很大的发展空间。

三、酶在环境保护中的应用

1、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：1、能处理难以生物降解的化合物；2、高浓度或低浓度废水都适用；3、操作时的PH值、温度和盐度的范围均为很广；4、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。

2、酶在消除白色污染的应用

据有关估计我国土壤、沟河中塑料垃圾有百万吨左右。塑料在土壤中残存会引起农作物减产，若再连续使用而不采取措施，十几年后不少耕地将颗粒无收，可见数量巨大的塑料垃圾严重影响着生态和环境，研究和开发生物可降解塑料已迫在眉睫。

目前应用于各个领域的高分子材料，大多数是生物不可降解或不可完全降解的材料。这些高分子材料使用以后，成为固体废弃物，对环境造成严重的影响。研究和开发可生物降解材料, 已经成为可生物降解的高分子材料开发的重要途径。

利用酶在有机介质中的催化作用合成的可生物降解材料主要有：利用脂肪酶的有机介质催化合成聚酯类物质、聚糖脂类物质；利用蛋白酶或脂肪酶合成多肽类或聚酰胺类物质等。

废弃塑料和农用地膜经久不化解，估计是形成环境污染的重要成分。利用生物工程技术一方面可以广泛地分离筛选能够降解塑料和农膜的优势微生物、构建高效降解菌，另一方面

可以分离克隆降解基因并将该基因导入某一土壤微生物(如：根瘤菌)中，使两者同时发挥各自的作用，将塑料和农膜迅速降解。同时，还需大力推行可降解塑料和地膜的研发、生产和应用。

有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物即聚酯，这些聚酯是微生物内源性贮藏物质，可以用发酵方法进行生产，由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在医学等许多领域有极好的应用前景。为了降低成本、提高产量，人们正在用重组DNA技术对相关的微生物进行改造，此方面目前一个研究热点是采用微生物发酵法生产聚-β羟基烷酸(PHAs)，研究人员正设法构建出自溶性PHAs生产菌种，即将PHAs 重组菌进行发酵，在积累大量的PHAs后，加入信号物质，使裂解蛋白产生，细胞壁破坏，PHAs析出，以简化胞内产物PHAs的提取过程，降低提取成本。

3、化学农药污染的消除

一般情况下，使用的化学杀虫剂约80%会残留在土壤中，特别是氯代烃类农药是最难分解的，经生态系统造成滞留毒害作用。因此多年来人们一直在寻找更为安全有效的办法，而利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。能降解农药的微生物，有的是通过矿化作用将农药逐渐分解成终产物CO2和H2O，这种降解途径彻底，一般不会带来副作用；有的是通过共代谢作用，将农药转化为可代谢的中间产物，从而从环境中消除残留农药，这种途径的降解结果比较复杂，有正面效应也有负面效应。为了避免负面效应，就需要用基因工程的方法对已知有降解农药作用的微生物进行改造，改变其生化反应途径，以希望获得最佳的降解、除毒效果。要想彻底消除化学农药的污染，最好全面推广生物农药。

所谓生物农药是指由生物体产生的具有防止病虫害和除杂草等功能的一大类物质总称，它们多是生物体的代谢产物，主要包括微生物杀虫剂、农用抗生素制剂和微生物除草剂等。其中微生物杀虫剂得到了最广泛的研究，主要包括病毒杀虫剂、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、放线菌杀虫剂等。长期以来并没有得到广泛的使用。现在人们正在利用重组DNA技术克服其缺点来提高杀虫效果，例如目前病毒杀虫剂的一个研究热点是杆状病毒基因工程的改造，人们正在研究将外源毒蛋白基因如编码神经毒素的基因克隆到杆状病毒中以增强杆状病毒的毒性；将能干扰害虫正常生活周期的基因如编码保幼激素酯酶的基因插入到杆状病毒基因组中，形成重组杆状病毒并使其表达出相关激素,以破坏害虫的激素平衡，干扰其正常的代谢和发育从而达到杀死害虫的目的。

4、酶制剂用于减轻禽畜污染

集约化畜禽生产条件下，养殖场的粪便及其中的污染物的排放时很大的，如对于一年出栏10000头猪场来说，均每天的粪便排放量达到17.5T其中氨和磷的排放量分别达到105KG 和23.7KG。年养10000只产蛋鸡的鸡场平均每天的粪便排放量达到1.5T。其中氮和磷的排放量分别达到24.5KG和70KG。这些粪便主要对土壤、水源、空气、和动物的生长环境都有很的的影响。现代的科技发展，我们可以运酶来减轻污染的发生。粪便中的有机质主要是畜禽没有充分消化吸收的有机营养物质、体内代谢产物、肠液等这些有机质在细菌的分解后会产生一些有害气体，如氨气及胺类，有机酸等，如果在饲料中添加酶制剂就可以帮助畜禽更好的消化利用饲料中的营养物质，在基础日量中添加木聚糖酶，20日的小鸡小肠下段的营养物质消化能力就明显提高。假设一个一年出栏的20000只鸡的养鸡场，全年消耗饲料约180T，添加酶制剂后可以减少有机物排泄量6T左右，这对于减轻微生物的繁殖，苍蝇及其蚊子的滋生和环境的污染时具有十分重要的意义的，对于节约饲料消耗、减低饲养成本也有重要价值。

5、酶消除空调隐患

由于空调机的热交换管，过滤材料上往往积有大量的灰尘和水分，而成为微生物滋生的温床，同时装有中央空调系统的建筑物通常都是密闭不通风的，从而导致室内空气恶化，造成疾病的传播，所谓空调酶杀菌技术就是将从生物体中提取的溶菌酶固定在空调过滤器的材料上，溶菌酶通过溶解细菌的细胞壁，使之死亡，而溶菌酶对人体侧没任何的危害。

6、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。

6.1.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。

6.2.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。

6.3.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。

6.4.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。

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。

四、酶在环境保护中的发展前景

酶制剂生产已成为21世纪的新兴产业之一。酶作为生物催化剂是生物技术产业化的重要一环，它广泛应用于轻工、化工、医药卫生、食品、环保等行业。我国从20世纪60年代开始注意酶工程研究和酶制剂的开发，近年来，国际酶制剂行业发展迅速，这与广泛采用基因工程、蛋白质工程及其他新技术有关。酶与酶技术用于环保领域，国内目前已经引起研究部门的重视，陆续有了这方面的相关报道，但在实践应用方面的开发仍属鲜见，几乎还处于空白。所以说酶在环保方面的应用还是有相当大的发展空间的。国内酶制剂工业的现状是投入少、缺乏核

心技术，产品结构不合理、品种单一，重复建设现象严重，酶制剂应用领域仅局限于淀粉加工、洗涤剂工业等，影响了酶制剂行业的发展及应用领域的开拓。特别是在污染日益严重的环境方面。

在社会生活不断现代代、工业化高速发展的今天，环境污染问题已日益严峻，传统的解决环境污染技术和工艺已经满足不了现实的要求，环保领域酶和酶技术的应用发挥越来越重要的作用，同时由于其广阔的市场前景，必将产生具大的经济效益和社会效益。

参考文献

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