酶工程在环境污染治理中的应用ppt课件

1、Founded in 1895第第2讲讲 酶工程在环境污染治理中的运用酶工程在环境污染治理中的运用Founded in 18951 酶学研讨根底酶学研讨根底 酶是生物体内一切生物化学反响的催化剂，是生命酶是生物体内一切生物化学反响的催化剂，是生命活动的重要组成活动的重要组成 1878年，年，Kunne提出酶的称号提出酶的称号enzyme 1896年，年，Buchner发现发酵是酶的作用的化学本质发现发酵是酶的作用的化学本质 1894年，年，Fisher提出锁匙模型，解释酶的专注性提出锁匙模型，解释酶的专注性 1913年，年，Michaelis和和Menten提出米氏方程提出米氏方程 1926年

2、，年，Sumner确立了酶的本质是蛋白质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酶：具有生物催化活性的特殊蛋白质 Founded in 1895酶学研讨根底酶学研讨根底 1958年，年，Koshland提出提出“诱导契合实际，以解释诱导契合实际，以解释酶的催化实际和专注性酶的催化实际和专注性 1961年，年，Monod提出提出“变构模型，用以定量解释变构模型，用以定量解释酶活性的调理酶活性的调理 1969年，由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶年，由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶 重组重组DNA技术用于酶学研讨，可以经过定点突变法技术用于酶学研讨，可以经过定点突变法改动酶的催化

3、活性和专注性改动酶的催化活性和专注性 Founded in 1895酶学研讨进展酶学研讨进展 酶并不一定就是蛋白质：某些酶并不一定就是蛋白质：某些RNA也具有催化活也具有催化活性性酶是特殊的催化剂酶是特殊的催化剂 抗体酶：把抗体的高度选择性与酶的高效催化性进抗体酶：把抗体的高度选择性与酶的高效催化性进展结合展结合 酶的运用：从现成的动植物或微生物的组织或细胞酶的运用：从现成的动植物或微生物的组织或细胞中进展提取中进展提取发酵法消费酶工业发酵法消费酶工业 酶工程：利用酶的催化作用进展物质转化，将酶学酶工程：利用酶的催化作用进展物质转化，将酶学实际与化工技术相结合；研讨领域涉及酶的消费、实际与化工

4、技术相结合；研讨领域涉及酶的消费、酶的分别纯化、酶固定化、酶反响动力学、酶反响酶的分别纯化、酶固定化、酶反响动力学、酶反响器、酶的运用等器、酶的运用等 Founded in 1895酶的催化特性酶的催化特性 酶是催化剂：改动化学反响的速度，但不改动化学酶是催化剂：改动化学反响的速度，但不改动化学反响的性质，即不改动反响的方向和平衡点；反响反响的性质，即不改动反响的方向和平衡点；反响前后酶的组成和质量不发生变化前后酶的组成和质量不发生变化 酶是特殊的催化剂：高效率酶是特殊的催化剂：高效率/高度专注性高度专注性/活性可调理活性可调理/反响条件温暖反响条件温暖/产物易纯化产物易纯化 非酶催化反响的速

5、度能够相差非酶催化反响的速度能够相差1016倍，但酶催化反倍，但酶催化反响相差无几响相差无几 酶可以极大地降低反响所需的活化能酶可以极大地降低反响所需的活化能 多种催化要素协同作用多种催化要素协同作用 Founded in 1895酶的专注性酶的专注性/活性可调理活性可调理 一种酶只能催化一种或一类构造类似的底物进展某种类型的一种酶只能催化一种或一类构造类似的底物进展某种类型的反响反响 高度的选择性高度的选择性 绝对专注绝对专注 vs. 相对专注相对专注 酶的活性可调控，其是代谢调控的根本方式酶的活性可调控，其是代谢调控的根本方式 酶浓度的调理酶浓度的调理 生理调理或激素调理生理调理或激素调理

6、 共价修饰调理共价修饰调理 酶原的活化酶原的活化 抑制剂的调理抑制剂的调理 反响调理反响调理 金属离子和其他小分子化合物调理金属离子和其他小分子化合物调理 Founded in 1895酶催化反响的影响要素酶催化反响的影响要素 最适最适pH：一定范围，一定条件：一定范围，一定条件 A A：最适：最适pH 6.8pH 6.8，反响速率最大，反响速率最大 B B：稳定：稳定pH 5pH 58 8 Founded in 1895 最适温度：一定范围，多种要素最适温度：一定范围，多种要素 Founded in 1895酶催化反响动力学酶酶催化反响动力学酶/底物浓度的影响底物浓度的影响 研讨内容包括酶催

7、化反响速度以及影响此速度的各研讨内容包括酶催化反响速度以及影响此速度的各种要素种要素 酶反响速度与底物浓度的关系酶反响速度与底物浓度的关系 Founded in 1895 中间产物假说中间产物假说 1913年，根据快速平衡法推导出米氏方程年，根据快速平衡法推导出米氏方程 1925年，根据拟稳态方法推导出年，根据拟稳态方法推导出Briggs-Haldane方方程程 sKkESESEP0max ssk ESvSvKSKS2000mk ESvKS1212kkkkESESEP211mkkKkFounded in 1895米氏常数的意义米氏常数的意义 Km值的物理意义：其是酶促反响速度到达最大反响值的物

8、理意义：其是酶促反响速度到达最大反响速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度一致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，而与酶的浓度无关与酶的浓度无关 同一种酶对不同底物的同一种酶对不同底物的Km值不同值不同 Km值遭到值遭到pH和温度的影响和温度的影响 对同一种酶而言，对同一种酶而言， Km值最小的底物是其最适底物值最小的底物是其最适底物 Km不同于不同于Ks Founded in 1895酶的抑制造用酶的抑制造用分为可逆抑制与不可逆抑制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：

9、竞争性抑制，抑制剂与底物竞争和酶活性中心结合：vmax不变，不变，Km增增大大 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：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，减小，Km不变不变 反竞争性抑制，酶只需与底物结合后，才可和抑制剂结合：反竞争性抑制，酶只需与底物结合后，才可和抑制剂结合： vmax减小，减小，Km减小减小 底物抑制造用：底物抑制造用： max2m1 vSvKSk S底物抑制时的速度曲线底物抑制时的速度曲线 Founded in 1895酶的消费及分别纯化酶的消费及分别纯化 微生物是主要的酶源：酶源广泛、产量高、生长周期微生物是主要的

10、酶源：酶源广泛、产量高、生长周期短、本钱低、易管理、易提取短、本钱低、易管理、易提取 酶必需经过纯化才可运用，普通以为黑曲霉、酵母、酶必需经过纯化才可运用，普通以为黑曲霉、酵母、枯草芽孢杆菌等是平安的酶消费菌株枯草芽孢杆菌等是平安的酶消费菌株 酶消费菌的选择：酶消费菌的选择： 不是致病菌不是致病菌/不产生毒素不产生毒素 不易退化不易退化/不易感染噬菌体不易感染噬菌体 产量高产量高/胞外酶胞外酶 原料廉价原料廉价/发酵周期短发酵周期短/易培育易培育 Founded in 1895酶的分别纯化酶的分别纯化 普通包括预处置与酶抽提、粗分别、细分别、结晶普通包括预处置与酶抽提、粗分别、细分别、结晶等等

11、 Founded in 1895酶分别纯化的常用方法酶分别纯化的常用方法Founded in 1895酶提取酶提取 生物资料的破碎：机械法、物理法、化学法、酶解法生物资料的破碎：机械法、物理法、化学法、酶解法 酶的提取：类似相溶，酸、碱、盐溶液，有机溶剂酶的提取：类似相溶，酸、碱、盐溶液，有机溶剂 沉淀：盐析法、沉淀：盐析法、PEG沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、热处置沉淀法等法、热处置沉淀法等 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到达分别。包括凝胶过滤层析、在两

12、相中的分布程度不同而到达分别。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：由于蛋白质分子外表电荷的差别，可用电泳方法将其电泳：由于蛋白质分子外表电荷的差别，可用电泳方法将其别分开来。常用的区带电泳有聚丙烯酰胺凝胶电泳和等电点别分开来。常用的区带电泳有聚丙烯酰胺凝胶电泳和等电点聚焦等聚焦等 Founded in 1895酶固定化酶固定化 游离酶的稳定性差，且不利游离酶的稳定性差，且不利于其和目的产物分别和回收于其和目的产物分别和回收利用，固定化技术应运而生利用，固定化技术应运而生 固定化酶是指固定在载体上固定化酶是指固定在载体上并

13、在一定的空间范围内进展并在一定的空间范围内进展催化反响的酶，其既坚持了催化反响的酶，其既坚持了酶的活性，又可反复运用，酶的活性，又可反复运用，且易于分别且易于分别 固定化方法包括吸附法、结固定化方法包括吸附法、结合法和包埋法合法和包埋法 固定化方法固定化方法 Founded in 1895 酶反响器酶反响器 以酶为催化剂进展反响所需求以酶为催化剂进展反响所需求的设备称为酶反响器的设备称为酶反响器 根据反响类型、动力学性质、根据反响类型、动力学性质、反响器类型和流体流动形状、反响器类型和流体流动形状、热传送及温度的影响、消费量热传送及温度的影响、消费量和工艺流程、操作稳定性等选和工艺流程、操作稳

14、定性等选择适当的反响器择适当的反响器 反响器的设计目的应该到达：反响器的设计目的应该到达：容积消费率高、条件易控制、容积消费率高、条件易控制、耗能低、污染少、反响器加工耗能低、污染少、反响器加工简便简便 酶反响器的类型酶反响器的类型 Founded in 18952 酶工程在环境污染治理中的运用酶工程在环境污染治理中的运用 腈化物降解酶腈化物降解酶 氨氧化酶氨氧化酶 酶在废水处置中的运用酶在废水处置中的运用 含芳香族化合物废水处置含芳香族化合物废水处置 造纸废水处置造纸废水处置 含氰腈废水处置含氰腈废水处置 食品加工废水处置食品加工废水处置 酶在土壤修复中的运用酶在土壤修复中的运用 Found

15、ed in 18952.1 腈化物降解酶腈化物降解酶 腈化物是指含有腈腈化物是指含有腈基的有机化合物基的有机化合物R-CN，是重要，是重要的化工原料，但其的化工原料，但其也具有剧烈的生物也具有剧烈的生物毒性、致癌性和致毒性、致癌性和致突变性，因此是一突变性，因此是一种急需治理的有机种急需治理的有机污染物污染物 腈化物酶催化转化的产物腈化物酶催化转化的产物R R和和R R分别代表烷基和芳基分别代表烷基和芳基 Founded in 1895腈化物降解酶的分布及运用腈化物降解酶的分布及运用 包括腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶，细菌包括腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶，细菌中常见，植物和真菌中少

16、见，其可利用腈化物为独中常见，植物和真菌中少见，其可利用腈化物为独一碳源和氮源进展代谢，微生物代谢机理尚不完全一碳源和氮源进展代谢，微生物代谢机理尚不完全清楚清楚 已运用于植物激素吲哚乙酸的生物合成、腈化物的已运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生物转化以及腈化物污染环境的生物修复等领域 Founded in 1895腈化物的酶水解途径腈化物的酶水解途径 腈化物的酶水解经过两条途径进展腈化物的酶水解经过两条途径进展 腈化物水解酶直接水解腈化物，构成相应的有机酸和腈化物水解酶直接水解腈化物，构成相应的有机酸和氨氨 腈化物水合酶催化有机腈水合，构成中

17、间产物酰胺，腈化物水合酶催化有机腈水合，构成中间产物酰胺，然后在酰胺酶的作用下转化为相应的有机酸和氨然后在酰胺酶的作用下转化为相应的有机酸和氨 Founded in 1895腈化物水解酶腈化物水解酶 可将腈化物直接水解成有机酸和氨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对分子质量约为23 000的两个亚基，几乎都以杂四的两个亚基，几乎都以杂四聚体方式存在聚体方式存在 一些铁类的腈化物水解酶的活性受光调理一些铁类的腈

18、化物水解酶的活性受光调理“光复光复活的作用机制活的作用机制 根据底物专注性可分为：芳香腈水解酶、杂环腈水根据底物专注性可分为：芳香腈水解酶、杂环腈水解酶和脂肪腈水解酶解酶和脂肪腈水解酶 Founded in 1895腈化物水合酶腈化物水合酶 可将腈化物转化为酰胺可将腈化物转化为酰胺 是含有钴和铁的金属酶是含有钴和铁的金属酶 能够的反响机理能够的反响机理 腈化物接近与金属结合的氢氧根离子，该离子作为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普通的碱，激活水分与金属结合的氢氧根离子作为普通的碱，激活水分子，然后进攻腈

19、化物中的碳原子，构成酰亚胺，最子，然后进攻腈化物中的碳原子，构成酰亚胺，最终重排成酰胺终重排成酰胺 Founded in 1895腈化物水合酶的光激活和酶催化机理腈化物水合酶的光激活和酶催化机理 Founded in 1895酰胺酶酰胺酶 可以水解酰胺构成有机酸和氨可以水解酰胺构成有机酸和氨 少量微生物的酰胺酶与金属结合少量微生物的酰胺酶与金属结合 酰胺酶催化反响机理酰胺酶催化反响机理 Founded in 18952.2 氨氧化酶氨氧化酶 硝化反响是氮循环的重要步骤，氨氧化过程是其限硝化反响是氮循环的重要步骤，氨氧化过程是其限速步骤速步骤 氨氧化细菌属于专性化能自养菌，从氧化氨氧化细菌属于专

20、性化能自养菌，从氧化NH4+为为NO2-的过程获得能量，利用的过程获得能量，利用CO2为碳源进展细胞合为碳源进展细胞合成成 NH4+氧化为氧化为NO2-的过程经过两个步骤的过程经过两个步骤 氨单氧合酶氨单氧合酶AMO催化的反响：催化的反响： 2H+NH4+2e-+O2NH2OH+H2O+2H+ 羟胺氧化复原酶羟胺氧化复原酶HAO催化的反响：催化的反响： NH2OH+H2OHONO+4e-+4H+ Founded in 1895氨氧化途径及其相关基因氨氧化途径及其相关基因Founded in 18952.3 酶在废水处置中的运用酶在废水处置中的运用 酶法处置污染物与生物法相比的优势：酶法处置污染

21、物与生物法相比的优势： 可以处置生物难降解化合物可以处置生物难降解化合物 可以处置各种浓度污染物，尤其是低浓度有机污染可以处置各种浓度污染物，尤其是低浓度有机污染物物 可以在各种可以在各种pH/温度温度/盐度环境下运用盐度环境下运用 不存在冲击负荷效应不存在冲击负荷效应 不存在与生物生长及其顺应相关的滞后效应不存在与生物生长及其顺应相关的滞后效应 不产生污泥不产生污泥 过程控制简易过程控制简易 Founded in 1895含芳香族化合物废水处置含芳香族化合物废水处置 芳香族化合物，包括酚和芳香胺，属于优先控制污芳香族化合物，包括酚和芳香胺，属于优先控制污染物染物 很多酶可用于芳香族化合物废水

22、处置很多酶可用于芳香族化合物废水处置 酶具有高度选择性，能处置低浓度废水酶具有高度选择性，能处置低浓度废水 不易被有生物毒性的物质所抑制不易被有生物毒性的物质所抑制 可在较大浓度范围内发扬作用可在较大浓度范围内发扬作用 停留时间较短停留时间较短 Founded in 1895过氧化物酶过氧化物酶 是微生物或植物产生的一类氧化复原酶，在过氧化是微生物或植物产生的一类氧化复原酶，在过氧化物的激活下，才可用于氧化底物物的激活下，才可用于氧化底物 辣根过氧化物酶辣根过氧化物酶HRP：是酶处置废水领域中运：是酶处置废水领域中运用最多的一种酶，可催化多种芳香族化合物，包括用最多的一种酶，可催化多种芳香族化

23、合物，包括酚酚/苯胺苯胺/联苯胺联苯胺/及其异构体等，反响产物是沉淀，及其异构体等，反响产物是沉淀，易去除，易去除，pH值和温度范围较广值和温度范围较广 木质素过氧化物酶木质素过氧化物酶LiP：可处置很多难降解芳：可处置很多难降解芳香族化合物和多环芳烃、酚类物质，稳定性是其运香族化合物和多环芳烃、酚类物质，稳定性是其运用的关键，固定化是有效方法用的关键，固定化是有效方法 植物来源的酶植物来源的酶 Founded in 1895聚酚氧化酶聚酚氧化酶 属于另一类可以催化酚类物质氧化的氧化复原酶属于另一类可以催化酚类物质氧化的氧化复原酶 酪氨酸酶，也叫酚酶或儿茶酚酶，催化两个延续的酪氨酸酶，也叫酚酶

24、或儿茶酚酶，催化两个延续的反响反响 单分子酚与氧分子经过氧化复原反响构成邻苯二酚单分子酚与氧分子经过氧化复原反响构成邻苯二酚 邻苯二酚再脱氢构成苯醌，苯醌不稳定，经过非酶邻苯二酚再脱氢构成苯醌，苯醌不稳定，经过非酶催化聚合反响构成沉淀催化聚合反响构成沉淀 漆酶，由真菌产生，经过聚合反响去除酚类，且能漆酶，由真菌产生，经过聚合反响去除酚类，且能同时对多种酚类产生作用同时对多种酚类产生作用 Founded in 1895造纸废水处置造纸废水处置 废水漂白过程中会产生黑褐色废水，且含有有毒和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

25、用于造纸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、维素，可由纤维素酶、纤维二糖水合酶、-葡萄糖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酶等组成的混合酶系脱除并产生乙醇等有用能源物质质 Founded in 1895含氰腈废水处置含氰腈废水处置 氰化物是新陈代谢抑制剂，具有致命危害氰化物是新陈代谢抑制剂，具有致命危害 氰化物酶可以把氰化物转化成氨和甲酸盐，一步反氰化物酶可以把氰化物转化成氨和甲酸盐，一步反响响 硫氰化物可以经过常规废水处置工艺得

26、四处置，但硫氰化物可以经过常规废水处置工艺得四处置，但降解机理尚不完全清楚降解机理尚不完全清楚 含腈废水可以经过腈化物水解酶、腈化物水合酶和含腈废水可以经过腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶去除酰胺酶去除 硫氰化物水解酶的能够作用机理硫氰化物水解酶的能够作用机理 Founded in 1895食品加工废水处置食品加工废水处置 易于分解或转化为饲料等经济价值产品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运用鱼肉加工工业废水中得以广泛运用 淀粉酶：多糖水解酶，将多糖转变为单糖，可用于淀粉酶：

27、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置；发酵产酒精等，可用于大米加工等含淀粉废水处置；淀粉酶和葡萄糖酶还可用于光降解和生物降解塑料淀粉酶和葡萄糖酶还可用于光降解和生物降解塑料的消费的消费 脂酶：用于脂类物质三酰甘油酯的转化，可用脂酶：用于脂类物质三酰甘油酯的转化，可用于水于水/有机两相反响，可用于被污染环境的生物修复有机两相反响，可用于被污染环境的生物修复及废物处置，如石油走漏、餐饮废物等及废物处置，如石油走漏、餐饮废物等 Founded in 1895废水酶处置的本卷须知废水酶处置的本卷须知 酶处置或预处置过程应使其下一流程中污染物更易酶处置或预处置

28、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于去除，而且不能产生有毒物质 产生的沉淀物要妥善处置，熄灭处置时要控制有害产生的沉淀物要妥善处置，熄灭处置时要控制有害气体的产生气体的产生 高浓度污染物不适宜采用酶法处置，低浓高毒的较高浓度污染物不适宜采用酶法处置，低浓高毒的较适宜适宜 由于其价钱较高，必需思索酶的费用由于其价钱较高，必需思索酶的费用 Founded in 18952.4 酶在土壤修复中的运用酶在土壤修复中的运用 生物修复主要利用微生物、植物以及微生物生物修复主要利用微生物、植物以及微生物-植物的植物的结协作用，特别是其强大的酶系统催化功能，改动结协作用，特别是其强大的

29、酶系统催化功能，改动有机污染物的构造和毒性，或者使它们完全矿化，有机污染物的构造和毒性，或者使它们完全矿化，构成无害的无机终端产物构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去除方面发扬着生物修复在环境中有害化学物质的去除方面发扬着非常重要的作用，是现代环境生物技术的主要内容非常重要的作用，是现代环境生物技术的主要内容 Founded in 1895污染物的生物转化过程污染物的生物转化过程 常见污染物可分为：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、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，多环芳烃以及农难生物降解的化合物：多氯联苯，多环芳烃以及农药等药等 污染物的细胞转化可以划分为：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展进一进入细胞内部，在细胞的新陈代谢作用下进展进一步降解步降解 Founded in 1895 污染物必需与微生物的酶