现代酶工程在环境保护中的应用

第２７卷１、２期合刊重庆环境科学２００５年３月

・综述・现代酶工程在环境保护中的应用

郭华雨，谢有奎，高殿森，周从直（后勤工程学院营房管理与环境工程系重庆４０００１６）

摘要：围绕酶工程技术与环境保护的关系，综述了酶工程在清洁生产、污染治理和环境监测中的应用及其发展，并分析了酶工程技术在环境保护中的应用前景。关键词：现代酶工程；酶固定化；清洁生产；污染治理；环境监测

随着我国经济和城市化的高速发展，环境污染已成为一个相当突出的问题。２００３年国家环境质量公报显示：全国工业和城镇生活废水排放总量为４６０．０亿吨，比上年增加４．７％；二氧化硫排放总量２１５８．７万吨，烟尘排放总量１０４８．７万吨，其中Ｓ０２和烟尘较上年分别增加１２％和３．６％；工业固体废物产生量为１０．０亿吨，比上年增加６．３％…。如果不能有效遏制这种趋势，我国社会经济发展必然受到严重制约。以化学和物理方法治理这些污染物不但要耗费大量的资金，还可能造成更严重的二次污染和生态破坏，这就促使人们不断研究新的污染防治技术。酶具有高效的催化作用，反应效率高、反应条件温和、能耗低，并且操作简单易于控制等优点，具有显著竞争优势。作为现代生物技术的一个重要的内容，酶工程理论研究和产业应用研究发展非常迅速。现代酶工程在环保领域的应用研究尽管发展迅速，但起步较晚。本文拟就酶工程技术在改造生产工艺、降低污染水平，处理低浓度和难降解污染物，以及环境监测等方面的作用进行研讨。ｌ在清洁生产中的应用作为生物过程代替化学过程的典型代表，酶可以在产品加工过程中替代一般催化剂。它具有技术收稿日期：２００４—１２—３１作者简介：郭华雨（１９８１一），男，河南驻马店人，硕士研究生，主要研究方向为环境监测与评价。先进、厂房设备投资少、工艺简单、能耗低、产品收率高、效率高效益大、污染轻微等优点，为实现工艺过程的生态化或废物减量化，降低工农业生产的污染水平，达到真正意义上的清洁生产目标开辟了广阔的前景。１．１酶工程在工业生产中的环境效益用酶工程改造传统工艺，不但可增加产量，提高产品质量，降低成本，而且可以降低原料和能源的消耗，削减污染物的排放水平，即酶工程技术改造传统工业在源头上控制污染物产生和节约资源等均具有重要意义。如我国的造纸业用传统的漂白工艺处理纸浆，排放的废水气味难闻、腐蚀性强，含有致畸或致癌物质；木聚糖酶用于纸浆漂白的预处理，能够提高纸浆的白度，改进纸浆的纤维性能，同时减少漂白剂的用量，降低废水中的氯化物和致癌物的含量［２’３］。传统制革工艺在皮革脱毛和毛皮软化过程中产生了大量的难生物降解废水，这些废水处理相当困难，而且对环境影响很大。酶工程技术改造制革工艺有三大优点：一是提高皮革质量，如抗张强度比石灰一硫化碱法提高２５％以上，并且革面细致；二是生产周期缩短１０小时至４天；三是污水变肥料，消除工业污染，避免了传统的灰碱制革工艺废水难处理问题［４］。现代酶工程技术的发展对改造传统的医药工业也极具潜力，据估计如果有２５％的医药原料来源于酶工程技术，届时设备的投资将减少３０％，能耗将下降３０％【５ｊ。１。２酶工程在农业生产中的环境效益现代酶工程技术改造农业生产，一方面可以增１、２期合刊郭华雨等：现代酶丁：程在环境保护中的应用

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加食品的产量和质量，另一方面可以减少农业生产过程中对环境的污染和破坏。酶工程在农业上的应用主要集中在促进农产品的深加工以及对加工后的废弃物进行转化利用。据报道目前已经能够用纤维素酶将纤维素糖化再经过连续发酵，生产燃料酒精№Ｊ，如果这项技术进一步成熟，那么农业废弃物一秸秆将会有新的利用价值。胡尚勤＂ｏ等研究了脂肪酶和蛋白酶混合发酵法由废弃的豆腐渣生产粉末蛋白食品的技术，变废为宝提高了豆渣的利用价值。果蔬保鲜时，用葡萄糖氧化酶代替化学保鲜剂，可以减少化学药品对食品的污染。生产单细胞蛋白是公认的废弃物资源化的最有效途径，一座占地面积约１０亩的年产ｌ万吨单细胞蛋白的工厂相当于１８万亩耕地产生的大豆蛋白，３０００万亩草原饲养牛羊生产的动物蛋白［８］，利用酶催化发酵转化农业和林业废弃物生产单细胞蛋白已经用于动物饲料的生产中【９ｊ。酶工程技术在养殖业的应用也会产生良好的环境效益，在动物的饲料中加入一定量的消化酶不仅能够促进养分的消化和吸收，提高家畜的生长速度，而且还能够减少养殖业氮、磷的排放‘１…。例如，饲料中添加植酸酶，一种水解植酸的磷酸酶类，能将植物磷降解为肌醇和无机磷酸，可使饲料中磷的利用率提高６０％，粪便中磷的排出量减少４０％…Ｊ。２酶工程在污染治理中的应用２．１酶工程在水污染治理中的应用近些年来，随着固定化技术的进步，克服了游离酶的不稳定性，使酶可反复和连续使用；Ｋｌｉｂａｎｏｖ等人发现酚氧化酶和木质素分解酶，能同时进行催化氧化和化学聚合，克服了酶单一性的缺点，为酶工程在废水处理中开辟了新的途径。利用酶处理难生物降解的化合物和低浓度废水正成为污染治理领域的一个热点。２．１．１处理造纸和纺织工业废水酶类这类工业废水的主要污染物是纤维素和漂白后产生的致突变的氯化物，现在正积极研究处理这类污染物的酶，主要研究集中在：分解纤维素酶类：如木聚糖酶、木质素过氧化酶、纤维素酶和１３一葡萄糖酶【１４’博］，这类酶能将污水中的纤维素转化为乙醇等能源物质；漂白酶类，如过氧化物酶、漆酶等，这些酶类主要是改进传统的化学漂白工艺，减少漂白废水的污染。日本科学家采用漆酶处理纸浆，可以除去其中５０％～６０％的残余木质素，减少５０％～６０％的氯用量。‘６。。近来美国发现了能治理Ｈ２０２漂白的废

水酶类。２．１．２处理食品工业废水酶类食品加工工业废水中的污染物主要是有机物，利用酶技术将其转化为饲料和其他有经济价值的产品，在处理废水的同时对污染物回收利用，环境经济效益良好。常用酶类如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶、乳糖酶、果胶酶、几丁质酶等。Ｅ８，１２］２．１．３处理芳香族化合物酶类石油冶炼、树脂和塑料、染料和纺织等工业废水均含有芳香族化合物，包括酚和芳香胺，是优先控制的污染物。酶在芳香族化合物处理中不中毒，不产生二次污染，较传统的方法有优势。常用的酶类如各种过氧化物酶，包括辣根过氧化物酶、木质素过氧化物酶和植物来源酶，聚酚氧化酶（ｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｏｘｉ．

ｄａｓｅｓ）包括酪氨酸酶、萘双氧合酶（ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅｄ．ｉｏｘｙｇｅｎａｓｅ）和漆酶等。旧。４Ｊ２．１．４处理氰化物酶类化学合成、人造织物、橡胶、制药、电镀等行业每年向环境排放大量的含氰废水，氰化物对人类和其他生物有致命的危害，必须严加处理。研究发现一些酶能将氰化合物分解成简单的无毒化合物，而且反应要求条件低，不被抑制，如氰化酶、腈水解酶、氰化物水合酶等。２．１．５其他水污染治理的酶类处理有机磷农药酶类，如对硫磷水解酶、甲胺磷降解酶等；处理重金属酶类，如汞还原酶、磷酸酶等；能够完全降解烷基硫酸酯和烷基乙基硫酸酯，以及部分降解芳基磺酸酯的烷基硫酸酯酶（ａｌｋｙｌｓｕｌｆａｔａｓｅ）等。２．２酶工程在废气治理中的应用生物技术处理废气是空气污染控制的一项新技术，常用的方法有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等，具有成本低、效率高、安全性好和无二次污染等优点。中国工程物理研究院采用好氧细菌、亚硝化细菌和硫化细菌等微生物，与环境工程技术结合处理城市固体废弃物堆放处置过程中产生的异臭气体，对其中的硫化氢、甲硫醇、甲胺等异臭物质的清除效果显著［１６］。目前酶技术处理废气研究较少，重庆环境科学２７卷只有少量的固定化酶处理恶臭含硫污染物和挥发性有机污染物的可行性试验，但是随着微生物处理废气的研究进展和酶工程技术手段的进步，我们很容易从工程菌中获得相应的酶用于废气污染控制，而且废气组分没有废水复杂，从理论上说酶催化处理废气应该比处理废水更容易实现，因此酶技术有望在废气控制中发挥重要的作用。３酶工程在环境监测中的应用随着酶工程的发展，固定化酶技术的进步使生物传感器应运而生，其核心就是酶作为识别元件，用来识别被测目标，通过信号系统将信号转换为电信号并放大输出，从而得到检测结果¨７｜。目前已经成功开发出葡萄糖传感器、脱氧核糖酶生物传感器等。利用酶传感器进行环境污染监测，其特点所需样品量少，指示灵敏，分析快速；主要测定单一的氨基酸、葡萄糖和其他糖类、酚类化合物、有机磷、尿素、胆固醇、青霉素、一部分重金属和过氧化氢等。¨８Ｊ３．１酶分析技术酶的强专一性和高效催化性及其活性影响因素可以应用在分析工作上，测定酶催化底物、产品、抑制剂、辅助因素及激活剂等物质的含量。酶工程在分析测试中的应用主要是基于：酶抑制分析技术和酶免疫测定技术两个原理¨引。３．２酶工程在环境分析、监测中的应用酶传感器研究发展迅速，目前已成功开发出了许多在线监测设备，这些产品携带方便，操作简单，反应灵敏，检测限低，结果准确可靠。利用抑制作用进行环境监测主要集中在测定环境中的农药和重金属含量。美国一研究所开发出了检测农药含量的“酶标签”，对水中的甲酸酯类和有机磷农药相当灵敏，检测限为：０．１～１０ｍｇ／ｋｇ。台湾一研究所将此法与分光广度法结合，并且开发了相应的软件，使测定蔬菜中的有机磷农药快速、方便。上海交通大学和上海昆虫研究所联合研制出了快速检测有机磷农药的酶片，灵敏度为０．１～１０ｍｇ／ｋｇ㈨Ｊ。利用重金属与ＥＤＴＡ或ＤＴＰＡ络合后对荧光酶的抑制作用，通过荧光菌放射荧光强度的大小检测土壤中的重金属含量的方法已经有了应用晗¨。国内外将酶联免疫分析方法应用在杀虫剂、杀菌剂、除草剂等农药和多氯联苯、抗菌素等的检测上，也已经开发了许多试纸和设备。如用于现场快速分析的酶联免疫试剂盒和光纤传感器，其中该光纤传感器的检测限可达弘ｇ／ｋｇ级。在酶联免疫吸附测定技术（ＥｕｓＡ）检测过程中，酶催化具有高度的放大作用，酶分子每分钟能催化生成１０５分子以上的产物，使测定更为灵敏、准确、检测限达０．０１～０．１ｍｇ／ｋｇ。Ｈａｍｍｏｃｋ等报道了以竞争性免疫技术和非竞争性免疫技术，通过酶的级联放大检测环境中重金属汞、铅、镉、生物污染物和其他有害分子检测限达／－ｇ／ｋｇ级或ｎｇ／ｋｇ级。上海交通大学以竞争性免疫为理论开发研制了用于检测蔬菜中的呋喃丹残留量的呋喃丹酶联免疫试剂盒，具有快速灵敏，特异性强和适用于现场测试等优点ｏＥ２０］

酶传感器的问世不仅使污染物成分的快速、低成本、高选择性分析测定成为可能，而且由于该技术具有测定范围广、操作简单，灵敏度高，可连续进行分析和联机操作，也可放人生物体内，加上其技术的高速发展将很快实现污染物的快速准确检测，从而为环境监测技术领域带来新的革命。近年来利用酶制成的生物传感器监测环境中的污染物，特别是现场检测和在线检测已经受到此领域的广泛关注。