2 酶工程在环境污染治理中的应用

1,第2讲 酶工程在环境污染治理中的应用,2/44,1 酶学研究基础,酶是生物体内一切生物化学反应的催化剂，是生命活动的重要组成 1878年，Kunne提出酶的名称enzyme 1896年，Buchner发现发酵是酶的作用的化学本质 1894年，Fisher提出锁匙模型，解释酶的专一性 1913年，Michaelis和Menten提出米氏方程 1926年，Sumner确立了酶的本质是蛋白质 酶：具有生物催化活性的特殊蛋白质,3/44,酶学研究基础,1958年，Koshland提出“诱导契合”理论，以解释酶的催化理论和专一性 1961年，Monod提出“变构模型”，用以定量解释酶活性的调节 1969年，由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶 重组DNA技术用于酶学研究，能够通过定点突变法改变酶的催化活性和专一性,4/44,酶学研究进展,酶并不一定就是蛋白质：某些RNA也具有催化活性酶是特殊的催化剂 抗体酶：把抗体的高度选择性与酶的高效催化性进行结合 酶的应用：从现成的动植物或微生物的组织或细胞中进行提取发酵法生产（酶工业） 酶工程：利用酶的催化作用进行物质转化，将酶学理论与化工技术相结合；研究领域涉及酶的生产、酶的分离纯化、酶固定化、酶反应动力学、酶反应器、酶的应用等,5/44,酶的催化特性,酶是催化剂：改变化学反应的速度，但不改变化学反应的性质，即不改变反应的方向和平衡点；反应前后酶的组成和质量不发生变化 酶是特殊的催化剂：高效率/高度专一性/活性可调节/反应条件温和/产物易纯化 非酶催化反应的速度可能相差1016倍，但酶催化反应相差无几 酶可以极大地降低反应所需的活化能 多种催化因素协同作用,6/44,酶的专一性/活性可调节,一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型的反应 高度的选择性 绝对专一 vs. 相对专一 酶的活性可调控，其是代谢调控的基本方式 酶浓度的调节 生理调节或激素调节 共价修饰调节 酶原的活化 抑制剂的调节 反馈调节 金属离子和其他小分子化合物调节,7/44,酶催化反应的影响因素,最适pH：一定范围，一定条件,A：最适pH 6.8，反应速率最大 B：稳定pH 58,8/44,最适温度：一定范围，多种因素,9/44,酶催化反应动力学酶/底物浓度的影响,研究内容包括酶催化反应速度以及影响此速度的各种因素,酶反应速度与底物浓度的关系,10/44,中间产物假说 1913年，依据快速平衡法推导出米氏方程 1925年，依据拟稳态方法推导出Briggs-Haldane方程,11/44,米氏常数的意义,Km值的物理意义：其是酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度一致 Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关 同一种酶对不同底物的Km值不同 Km值受到pH和温度的影响 对同一种酶而言， Km值最小的底物是其最适底物 Km不同于Ks,12/44,酶的抑制作用,分为可逆抑制与不可逆抑制 竞争性抑制，抑制剂与底物竞争和酶活性中心结合：vmax不变，Km增大 非竞争性抑制，酶可同时与底物和抑制剂结合，两者无竞争作用：vmax减小，Km不变 反竞争性抑制，酶只有与底物结合后，才可和抑制剂结合： vmax减小，Km减小 底物抑制作用：,底物抑制时的速度曲线,13/44,酶的生产及分离纯化,微生物是主要的酶源：酶源广泛、产量高、生长周期短、成本低、易管理、易提取 酶必须经过纯化才可使用，一般认为黑曲霉、酵母、枯草芽孢杆菌等是安全的酶生产菌株 酶生产菌的选择： 不是致病菌/不产生毒素 不易退化/不易感染噬菌体 产量高/胞外酶 原料廉价/发酵周期短/易培养,14/44,酶的分离纯化,一般包括预处理与酶抽提、粗分离、细分离、结晶等,15/44,酶分离纯化的常用方法,16/44,酶提取,生物材料的破碎：机械法、物理法、化学法、酶解法 酶的提取：相似相溶，酸、碱、盐溶液，有机溶剂 沉淀：盐析法、PEG沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、热处理沉淀法等 层析：利用混合物中各组分的物理化学性质不同，使各组分在两相中的分布程度不同而达到分离。包括凝胶过滤层析、离子交换层析、亲和层析、高效液相色谱层析等 电泳：由于蛋白质分子表面电荷的差异，可用电泳方法将其分离开来。常用的区带电泳有聚丙烯酰胺凝胶电泳和等电点聚焦等,17/44,酶固定化,游离酶的稳定性差，且不利于其和目标产物分离和回收利用，固定化技术应运而生 固定化酶是指固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶，其既保持了酶的活性，又可反复使用，且易于分离 固定化方法包括吸附法、结合法和包埋法,固定化方法,18/44,酶反应器,以酶为催化剂进行反应所需要的设备称为酶反应器 根据反应类型、动力学性质、反应器类型和流体流动状态、热传递及温度的影响、生产量和工艺流程、操作稳定性等选择适当的反应器 反应器的设计目标应该达到：容积生产率高、条件易控制、耗能低、污染少、反应器加工简便,酶反应器的类型,19/44,2 酶工程在环境污染治理中的应用,腈化物降解酶 氨氧化酶 酶在废水处理中的应用 含芳香族化合物废水处理 造纸废水处理 含氰（腈）废水处理 食品加工废水处理 酶在土壤修复中的应用,20/44,2.1 腈化物降解酶,腈化物是指含有腈基的有机化合物（R-CN），是重要的化工原料，但其也具有强烈的生物毒性、致癌性和致突变性，因此是一种急需治理的有机污染物,腈化物酶催化转化的产物 R和R分别代表烷基和芳基,21/44,腈化物降解酶的分布及应用,包括腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶，细菌中常见，植物和真菌中少见，其可利用腈化物为唯一碳源和氮源进行代谢，微生物代谢机理尚不完全清楚 已应用于植物激素吲哚乙酸的生物合成、腈化物的生物转化以及腈化物污染环境的生物修复等领域,22/44,腈化物的酶水解途径,腈化物的酶水解通过两条途径进行 腈化物水解酶直接水解腈化物，形成相应的有机酸和氨 腈化物水合酶催化有机腈水合，形成中间产物酰胺，然后在酰胺酶的作用下转化为相应的有机酸和氨,23/44,腈化物水解酶,可将腈化物直接水解成有机酸和氨 是一个可溶性的金属酶，在催化活性部位含有一个非血红素铁原子或非类可啉钴原子，此外还含有相对分子质量约为23 000的两个亚基，几乎都以杂四聚体形式存在 一些铁类的腈化物水解酶的活性受光调节“光复活”的作用机制 根据底物专一性可分为：芳香腈水解酶、杂环腈水解酶和脂肪腈水解酶,24/44,腈化物水合酶,可将腈化物转化为酰胺 是含有钴和铁的金属酶 可能的反应机理 腈化物接近与金属结合的氢氧根离子，该离子作为亲核试剂进攻腈化物的碳原子 与金属结合的氢氧根离子作为一般的碱，激活水分子，然后进攻腈化物中的碳原子，形成酰亚胺，最终重排成酰胺,25/44,腈化物水合酶的光激活和酶催化机理,26/44,酰胺酶,能够水解酰胺形成有机酸和氨 少量微生物的酰胺酶与金属结合,酰胺酶催化反应机理,27/44,2.2 氨氧化酶,硝化反应是氮循环的重要步骤，氨氧化过程是其限速步骤 氨氧化细菌属于专性化能自养菌，从氧化NH4+为NO2-的过程获得能量，利用CO2为碳源进行细胞合成 NH4+氧化为NO2-的过程经过两个步骤 氨单氧合酶（AMO）催化的反应： 2H+NH4+2e-+O2NH2OH+H2O+2H+ 羟胺氧化还原酶（HAO）催化的反应： NH2OH+H2OHONO+4e-+4H+,28/44,氨氧化途径及其相关基因,29/44,2.3 酶在废水处理中的应用,酶法处理污染物与生物法相比的优势： 可以处理生物难降解化合物 可以处理各种浓度污染物，尤其是低浓度有机污染物 可以在各种pH/温度/盐度环境下使用 不存在冲击负荷效应 不存在与生物生长及其适应相关的滞后效应 不产生污泥 过程控制简易,30/44,含芳香族化合物废水处理,芳香族化合物，包括酚和芳香胺，属于优先控制污染物 很多酶可用于芳香族化合物废水处理 酶具有高度选择性，能处理低浓度废水 不易被有生物毒性的物质所抑制 可在较大浓度范围内发挥作用 停留时间较短,31/44,过氧化物酶,是微生物或植物产生的一类氧化还原酶，在过氧化物的激活下，才可用于氧化底物 辣根过氧化物酶（HRP）：是酶处理废水领域中应用最多的一种酶，可催化多种芳香族化合物，包括酚/苯胺/联苯胺/及其异构体等，反应产物是沉淀，易去除，pH值和温度范围较广 木质素过氧化物酶（LiP）：可处理很多难降解芳香族化合物和多环芳烃、酚类物质，稳定性是其应用的关键，固定化是有效方法 植物来源的酶,32/44,聚酚氧化酶,属于另一类能够催化酚类物质氧化的氧化还原酶 酪氨酸酶，也叫酚酶或儿茶酚酶，催化两个连续的反应 单分子酚与氧分子通过氧化还原反应形成邻苯二酚 邻苯二酚再脱氢形成苯醌，苯醌不稳定，通过非酶催化聚合反应形成沉淀 漆酶，由真菌产生，通过聚合反应去除酚类，且能同时对多种酚类产生作用,33/44,造纸废水处理,废水漂白过程中会产生黑褐色废水，且含有有毒和致突变的氯化物 辣根过氧化物酶和木质素过氧化物酶均可用于造纸废水脱色 造纸制浆和脱墨操作中产生的污染，含有大量的纤维素，可由纤维素酶、纤维二糖水合酶、-葡萄糖酶等组成的混合酶系脱除并产生乙醇等有用能源物质,34/44,含氰（腈）废水处理,氰化物是新陈代谢抑制剂，具有致命危害 氰化物酶能够把氰化物转化成氨和甲酸盐，一步反应 硫氰化物可以通过常规废水处理工艺得到处理，但降解机理尚不完全清楚 含腈废水可以通过腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶去除,硫氰化物水解酶的可能作用机理,35/44,食品加工废水处理,易于分解或转化为饲料等经济价值产品 蛋白酶：水解酶，可水解蛋白质得到营养饲料，在鱼肉加工工业废水中得以广泛应用 淀粉酶：多糖水解酶，将多糖转变为单糖，可用于发酵产酒精等，可用于大米加工等含淀粉废水处理；淀粉酶和葡萄糖酶还可用于光降解和生物降解塑料的生产 脂酶：用于脂类物质（三酰甘油酯）的转化，可用于水/有机两相反应，可用于被污染环境的生物修复及废物处理，如石油泄漏、餐饮废物等,36/44,废水酶处理的注意事项,酶处理或预处理过程应使其下一流程中污染物更易于去除，而且不能产生有毒物质 产生的沉淀物要妥善处理，燃烧处理时要控制有害气体的产生 高浓度污染物不适合采用酶法处理，低浓高毒的较适宜 由于其价格较高，必须考虑酶的费用,37/44,2.4 酶在土壤修复中的应用,生物修复主要利用微生物、植物以及微生物-植物的联合作用，特别是其强大的酶系统催化功能，改变有机污染物的结构和毒性，或者使它们完全矿化，形成无害的无机终端产物 生物修复在环境中有害化学物质的清除方面发挥着非常重要的作用，是现代环境生物技术的主要内容,38/44,污染物的生物转化过程,常见污染物可分为： 易生物降解的化合物：简单的碳氢化合物、醇类、酚类、胺类、酸类、脂类、酰胺类等 难生物降解的化合物：多氯联苯，多环芳烃以及农药等 污染物的细胞转化可以划分为： 细胞释放的胞外酶作用，使大分子化合物降解为可以进入细胞内部的小分子化合物 进入细胞内部，在细胞的新陈代谢作用下进行进一步降解,39/44,污染物必须与微生物的酶系统接触才能发生降解，不溶性的物质通常先由胞外酶进行催化，速率较慢,胞外酶在细胞代谢中的作用,40/44,胞外酶,胞外酶包括大量的氧化还原酶和水解酶 植物根区胞外酶，通常与细胞壁有关，可将污染物转化为更易被植物根部或根际微生物吸收的中间产物，如过氧化物酶、漆酶、单酚单氧合酶、脂酶等 微生物胞外酶，白腐真菌产生木质素降解酶系，包括木质素过氧化物酶、依赖锰的过氧化物酶、含铜的酚氧化酶-漆酶等，可与纤维素酶、半纤维素酶等协同降解木材 水解酶，蛋白酶，纤维素酶等,41/44,污染物的无细胞酶生物降解,42/44,可以用无细胞酶转化的部分难降解污染物,43/44,胞外酶用于土壤修复的要求,有充足的酶源，可大量获得，遗传稳定，非致病性 性能好，可利用静止细胞或提纯的酶，活性高，专一性灵活，不发生副反应 稳定