环境污染物的酶修复

1、主要内容主要内容 污染对环境微生物的影响污染对环境微生物的影响 酶的提取方法酶的提取方法 环境污染物酶修复的前景环境污染物酶修复的前景污染对环境微生物的影响污染对环境微生物的影响 对环境的影响对环境的影响 对生物的影响对生物的影响对环境的影响对环境的影响1.环境污染的定义环境污染的定义 环境污染是指人类直接或间接地向环境环境污染是指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而排放超过其自净能力的物质或能量，从而使环境的质量降低，对人类的生存与发展、使环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。具生态系统和财产造成不利影响的现象。具体包括：水污染、大气污染

2、、噪声污染、体包括：水污染、大气污染、噪声污染、放射性污染等。放射性污染等。2.环境污染对环境的影响环境污染对环境的影响 环境污染会给生态系统造成直接的破坏环境污染会给生态系统造成直接的破坏和影响，如沙漠化、森林破坏、也会给生和影响，如沙漠化、森林破坏、也会给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比当时造成的这种间接的环境效应的危害比当时造成的直接危害更大，也更难消除。直接危害更大，也更难消除。 温室效应、酸雨、和臭氧层破坏就是由温室效应、酸雨、和臭氧层破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。这大气污染衍生出的环境效应。这 种由环境种由环

3、境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不易被察觉或预料到，然污染发生的当时不易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。当严重的地步。 环境污染的最直接、最容易被人所感受环境污染的最直接、最容易被人所感受的后果是使人类环境的质量下降，影响人的后果是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。例类的生活质量、身体健康和生产活动。例如城市的空气污染造成空气污浊，人们的如城市的空气污染造成空气污浊，人们的发病率上升等等；水污染使水环境质量恶发病率上升等等；水污染使水环境质

4、量恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。 目前在全球范围内都不同程度地出现了目前在全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题，具有全球影响的方面有大环境污染问题，具有全球影响的方面有大气环境污染、海洋污染、城市环境问题等。气环境污染、海洋污染、城市环境问题等。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。物越境转移问题就是这方面的突出表现。二、对生物的影响二、对

5、生物的影响 环境污染对生物的生长发育和繁殖具有环境污染对生物的生长发育和繁殖具有十分不利的影响，污染严重时，生物在形十分不利的影响，污染严重时，生物在形态特征、生存数量等方面都会发生明显的态特征、生存数量等方面都会发生明显的变化。下面分别讲述环境污染在酸雨、有变化。下面分别讲述环境污染在酸雨、有害化学药品、重金属和水体富营养化四个害化学药品、重金属和水体富营养化四个方面对生物的危害。方面对生物的危害。 1.酸雨对生物的危害酸雨对生物的危害 酸雨可使土壤和河流酸化，并且经过河酸雨可使土壤和河流酸化，并且经过河流汇入湖泊，导致湖泊酸化。湖泊酸化以流汇入湖泊，导致湖泊酸化。湖泊酸化以后不仅使生长在湖

6、中和湖边的植物死亡，后不仅使生长在湖中和湖边的植物死亡，而且威胁着湖内鱼、虾和贝类的生存，从而且威胁着湖内鱼、虾和贝类的生存，从而破坏湖泊中的食物链，最终可以使湖泊而破坏湖泊中的食物链，最终可以使湖泊变成变成“死湖死湖”。酸雨还直接危害陆生植物的。酸雨还直接危害陆生植物的叶和芽，使农作物和树木死亡。叶和芽，使农作物和树木死亡。2.有害化学药品对生物的危害有害化学药品对生物的危害 农药是一类常见的有害化学药品。人们农药是一类常见的有害化学药品。人们在利用农药杀灭病菌和害虫时，也会造成在利用农药杀灭病菌和害虫时，也会造成环境污染，对包括人类在内的多种生物造环境污染，对包括人类在内的多种生物造成危害

7、成危害 。 许多农药是不易分解的化合物，被生物许多农药是不易分解的化合物，被生物体吸收以后，会在生物体内不断积累，致体吸收以后，会在生物体内不断积累，致使这类有害物质在生物体内的含量远远超使这类有害物质在生物体内的含量远远超过在外界环境中的含量，这种现象称为生过在外界环境中的含量，这种现象称为生物富集作用。生物富集作用随着食物链的物富集作用。生物富集作用随着食物链的延长而加强。延长而加强。3.重金属对生物的危害重金属对生物的危害 有些重金属如有些重金属如 Mn 、Cu、Zn 等是生物等是生物体生命活动必需的微量元素，但是大部分体生命活动必需的微量元素，但是大部分重金属如重金属如Hg、Pb 等对

8、生物体的生命活动有等对生物体的生命活动有毒害作用。生态环境中的毒害作用。生态环境中的Hg、 Pb 等重金等重金属，同样可以通过生物富集作用在生物体属，同样可以通过生物富集作用在生物体内大量浓缩，从而产生严重的危害内大量浓缩，从而产生严重的危害 。4.富营养化对生物的危害富营养化对生物的危害 富营养化富营养化 是指因水体中是指因水体中N、P等植物必等植物必需的矿质元素含量过多而使水质恶化的现需的矿质元素含量过多而使水质恶化的现象。水体中含有适量的象。水体中含有适量的N、P等矿质元素，等矿质元素，这是藻类植物生长发育所必需的。但是，这是藻类植物生长发育所必需的。但是，如果这些矿质元素大量地进入水体

9、，就会如果这些矿质元素大量地进入水体，就会使藻类植物和其他浮游生物大量繁殖。这使藻类植物和其他浮游生物大量繁殖。这些生物死亡以后，先被需氧微生物分解，些生物死亡以后，先被需氧微生物分解，使水体中溶解氧的含量明显减少。接着，使水体中溶解氧的含量明显减少。接着，生物遗体又会被厌氧微生物分解，产生出生物遗体又会被厌氧微生物分解，产生出硫化氢、甲烷等有毒物质，致使鱼类和其硫化氢、甲烷等有毒物质，致使鱼类和其他水生生物大量死亡。他水生生物大量死亡。 发生富营养化的湖泊、海湾等流动缓慢发生富营养化的湖泊、海湾等流动缓慢的水体，因浮游生物种类的不同而呈现出的水体，因浮游生物种类的不同而呈现出蓝、红、褐等颜色

10、。富营养化发生在池塘蓝、红、褐等颜色。富营养化发生在池塘和湖泊中叫做和湖泊中叫做“水华水华”，发生在海水中叫做，发生在海水中叫做“ 赤潮赤潮 ”。工业废水、生活污水和农田排出。工业废水、生活污水和农田排出的水中含有很多的水中含有很多N、P 等植物必需的矿质元等植物必需的矿质元素，这些植物必需的矿质元素大量地排到素，这些植物必需的矿质元素大量地排到池塘和湖泊中，会使池塘和湖泊出现富营池塘和湖泊中，会使池塘和湖泊出现富营养化现象。池塘和湖泊的富营养化不仅影养化现象。池塘和湖泊的富营养化不仅影响水产养殖业，而且会使水中含有亚硝酸响水产养殖业，而且会使水中含有亚硝酸盐等致癌物质，严重地影响人畜的安全饮

11、盐等致癌物质，严重地影响人畜的安全饮水。水。环境污染物的酶修复环境污染物的酶修复 农药酶修复的意义农药酶修复的意义 农药生物修复中常用的酶类及修复机制农药生物修复中常用的酶类及修复机制 测定方法测定方法一、农药酶修复的意义一、农药酶修复的意义 农药是人们主动投放于环境中数量最农药是人们主动投放于环境中数量最大、毒性最广的一类化学物质。同时，由大、毒性最广的一类化学物质。同时，由于土壤中农药的化学性质比较稳定于土壤中农药的化学性质比较稳定, , 不易不易分解分解, ,农药的三性农药的三性( (致癌性、致畸性和致突致癌性、致畸性和致突变性变性) ) 又会随食物链时刻威胁人畜的健康又会随食物链时刻威

12、胁人畜的健康, ,对环境造成的危害较大对环境造成的危害较大, , 因而及时对土壤因而及时对土壤中农药进行生物修复中农药进行生物修复, , 是目前全球关注的是目前全球关注的重要环境和土壤课题之一重要环境和土壤课题之一, , 对其研究在理对其研究在理论和实践上具有十分重要意义。论和实践上具有十分重要意义。二、修复酶的种类二、修复酶的种类 酶修复是指直接利用某些特定酶来降解酶修复是指直接利用某些特定酶来降解有机农药。常用于农药修复的主要是水解有机农药。常用于农药修复的主要是水解和氧化还原酶类。水解酶类如磷酸酶、对和氧化还原酶类。水解酶类如磷酸酶、对硫磷水解酶、酯酶、硫基酰胺酶和裂解酶硫磷水解酶、酯酶

13、、硫基酰胺酶和裂解酶等等, , 它们将农药水解为结构简单的、毒性它们将农药水解为结构简单的、毒性较低的小分子化合物较低的小分子化合物, , 并且降低农药的生并且降低农药的生物专一性和稳定性物专一性和稳定性, , 提高产物的生物降解提高产物的生物降解性。性。 这类酶对作用农药的专一性要求不高这类酶对作用农药的专一性要求不高, , 水解农药的种类较多水解农药的种类较多, , 如酯酶和硫基酰胺如酯酶和硫基酰胺酶可水解的农药分别约为酶可水解的农药分别约为16 和和12 种种, , 此外此外酶促反应中不需要辅酶或辅助因子酶促反应中不需要辅酶或辅助因子, , 使用使用也较方便。也较方便。 氧化还原酶类可分

14、为过氧化物酶和氧化还原酶类可分为过氧化物酶和多酚氧化酶多酚氧化酶, , 其中过氧化物酶可由植物和其中过氧化物酶可由植物和微生物分泌产生微生物分泌产生, , 如棘根过氧化物酶如棘根过氧化物酶, , 其其包含一个铁的卟啉环包含一个铁的卟啉环, , 需要过氧化氢才能需要过氧化氢才能发生酶促反应能催化芳香族化合物等一大发生酶促反应能催化芳香族化合物等一大类反应类反应, , 包括木质素的聚合和解离反应。包括木质素的聚合和解离反应。如辣根过氧化物酶能催化酚和苯胺的聚合如辣根过氧化物酶能催化酚和苯胺的聚合反应。反应。 多酚氧化酶中主要是酪氨酸酶和漆酶多酚氧化酶中主要是酪氨酸酶和漆酶, , 它们与酚氧化的机制

15、有所不同它们与酚氧化的机制有所不同, , 酪氨酸酶酪氨酸酶氧化母本化合物形成氧化母本化合物形成O- -二苯酚二苯酚, , 随后释放随后释放出一个较高活性氧化物出一个较高活性氧化物O- -醌醌, , 在碱性环境在碱性环境中中, , 醌类化合物通过自然氧化进行缓慢的醌类化合物通过自然氧化进行缓慢的聚合聚合, , 最终构成腐殖质的前体物质。最终构成腐殖质的前体物质。 漆酶是含有漆酶是含有4个铜原子的酚类氧化酶个铜原子的酚类氧化酶, , 其主要来源于植物和真菌其主要来源于植物和真菌, , 其氧化苯酚类其氧化苯酚类化合物形成活性很高的阴离子自由基化合物形成活性很高的阴离子自由基, , 可可以和其它酚类化

16、合物进一步发生非酶促氧以和其它酚类化合物进一步发生非酶促氧化、还原或聚合反应化、还原或聚合反应, , 结果将农药转移进结果将农药转移进腐殖质中腐殖质中, , 形成的产物往往比母本化合物形成的产物往往比母本化合物的毒性要低。两种酶的酶促反应都需要分的毒性要低。两种酶的酶促反应都需要分子氧子氧, , 但不需要辅酶。但不需要辅酶。 酶修复是一种有效、可行与可靠的修复酶修复是一种有效、可行与可靠的修复技术。目前主要是采用现代生物技术对生技术。目前主要是采用现代生物技术对生物系统基因进行改造物系统基因进行改造, , 从而生产更多的从而生产更多的, , 高效、专一性更强的酶。高效、专一性更强的酶。三、酶的

17、提取方法三、酶的提取方法 酶是活细胞产生的具有催化作用的有机酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，除少数物，除少数RNARNA外几乎都是蛋白质。可用分外几乎都是蛋白质。可用分离纯化蛋白质的方法提取酶。离纯化蛋白质的方法提取酶。1.蛋白质的制备蛋白质的制备 蛋白质的制备一般分为以下四个阶段：蛋白质的制备一般分为以下四个阶段：选择材料和预处理，细胞的破碎及细胞器选择材料和预处理，细胞的破碎及细胞器的分离，提取和纯化，浓细、干燥和保存。的分离，提取和纯化，浓细、干燥和保存。 2.蛋白质的分离纯化蛋白质的分离纯化 大部分蛋白质都可溶于水、稀盐、稀酸大部分蛋白质都可溶于水、稀盐、稀酸或碱溶液，少数与脂类

18、结合的蛋白质则溶或碱溶液，少数与脂类结合的蛋白质则溶于乙醇、丙酮、丁醇等有机溶剂中，因些，于乙醇、丙酮、丁醇等有机溶剂中，因些，可采用不同溶剂提取分离和纯化蛋白质及可采用不同溶剂提取分离和纯化蛋白质及酶。酶。（1）水溶液提取法水溶液提取法 稀盐和缓冲系统的水溶液对蛋白稀盐和缓冲系统的水溶液对蛋白质稳定性好、溶解度大、是提取蛋白质最质稳定性好、溶解度大、是提取蛋白质最常用的溶剂，通常用量是原材料体积的常用的溶剂，通常用量是原材料体积的1-5倍，提取时需要均匀的搅拌，以利于蛋白倍，提取时需要均匀的搅拌，以利于蛋白质的溶解。提取的温度要视有效成份性质质的溶解。提取的温度要视有效成份性质而定。而定。（

19、2）有机溶剂提取法）有机溶剂提取法 一些和脂质结合比较牢固或分子中非极一些和脂质结合比较牢固或分子中非极性侧链较多的蛋白质和酶，不溶于水、稀性侧链较多的蛋白质和酶，不溶于水、稀盐溶液、稀酸或稀碱中，可用乙醇、丙酮盐溶液、稀酸或稀碱中，可用乙醇、丙酮和丁醇等有机溶剂，它们具的一定的亲水和丁醇等有机溶剂，它们具的一定的亲水性，还有较强的亲脂性、是理想的提脂蛋性，还有较强的亲脂性、是理想的提脂蛋白的提取液。但必须在低温下操作。白的提取液。但必须在低温下操作。2.蛋白质的分离纯化蛋白质的分离纯化 （1）根据蛋白质溶解度不同的分离方法根据蛋白质溶解度不同的分离方法 蛋白质的盐析蛋白质的盐析 中性盐对蛋白

20、质的溶解度有显著影响，中性盐对蛋白质的溶解度有显著影响，一般在低盐浓度下随着盐浓度升高，蛋白一般在低盐浓度下随着盐浓度升高，蛋白质的溶解度增加，此称盐溶；当盐浓度继质的溶解度增加，此称盐溶；当盐浓度继续升高时，蛋白质的溶解度不同程度下降续升高时，蛋白质的溶解度不同程度下降并先后析出，这种现象称盐析。并先后析出，这种现象称盐析。 将大量盐加到蛋白质溶液中，高浓度的将大量盐加到蛋白质溶液中，高浓度的盐离子（如硫酸铵的盐离子（如硫酸铵的SO4 4和和NH4 4) )有很强的有很强的水化力，可夺取蛋白质分子的水化层，使水化力，可夺取蛋白质分子的水化层，使之之“失水失水”，于是蛋白质胶粒凝结并沉淀析，于

21、是蛋白质胶粒凝结并沉淀析出。盐析时若溶液出。盐析时若溶液pHpH在蛋白质等电点则效在蛋白质等电点则效果更好。由于各种蛋白质分子颗粒大小、果更好。由于各种蛋白质分子颗粒大小、亲水程度不同，故盐析所需的盐浓度也不亲水程度不同，故盐析所需的盐浓度也不一样，因此调节混合蛋白质溶液中的中性一样，因此调节混合蛋白质溶液中的中性盐浓度可使各种蛋白质分段沉淀。盐浓度可使各种蛋白质分段沉淀。等电点沉淀法等电点沉淀法 蛋白质在静电状态时颗粒之间的静电斥蛋白质在静电状态时颗粒之间的静电斥力最小，因而溶解度也最小，各种蛋白质力最小，因而溶解度也最小，各种蛋白质的等电点有差别，可利用调节溶液的的等电点有差别，可利用调节

22、溶液的pHpH达达到某一蛋白质的等电点使之沉淀，但此法到某一蛋白质的等电点使之沉淀，但此法很少单独使用，可与盐析法结合用。很少单独使用，可与盐析法结合用。 低温有机溶剂沉淀法低温有机溶剂沉淀法 用与水可混溶的有机溶剂，甲醇，乙醇用与水可混溶的有机溶剂，甲醇，乙醇或丙酮，可使多数蛋白质溶解度降低并析或丙酮，可使多数蛋白质溶解度降低并析出，此法分辨力比盐析高，但蛋白质较易出，此法分辨力比盐析高，但蛋白质较易变性，应在低温下进行。变性，应在低温下进行。 3.根据蛋白质分子大小的差别的根据蛋白质分子大小的差别的分离方法分离方法 （1）透析与超滤透析与超滤 透析法是利用半透膜将分子大小不同的透析法是利用

23、半透膜将分子大小不同的蛋白质分开。蛋白质分开。 超滤法是利用高压力或离心力，强使水超滤法是利用高压力或离心力，强使水和其他小的溶质分子通过半透膜，而蛋白和其他小的溶质分子通过半透膜，而蛋白质留在膜上，可选择不同孔径的泸膜截留质留在膜上，可选择不同孔径的泸膜截留不同分子量的蛋白质。不同分子量的蛋白质。（2）凝胶过滤法凝胶过滤法 也称分子排阻层析或分子筛层析，这是也称分子排阻层析或分子筛层析，这是根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的方法之一。柱中最常用的填充材料是葡萄方法之一。柱中最常用的填充材料是葡萄糖凝胶（糖凝胶（Sephadex ged）和琼脂糖凝胶）和琼

24、脂糖凝胶（agarose gel）。）。 4.根据蛋白质带电性质进行分离根据蛋白质带电性质进行分离 蛋白质在不同蛋白质在不同pH环境中带电性质和电荷环境中带电性质和电荷数量不同，可将其分开。数量不同，可将其分开。（1）电泳法电泳法 各种蛋白质在同一各种蛋白质在同一pH条件下，因分子量条件下，因分子量和电荷数量不同而在电场中的迁移率不同和电荷数量不同而在电场中的迁移率不同而得以分开。值得重视的是等电聚焦电泳，而得以分开。值得重视的是等电聚焦电泳，这是利用一种两性电解质作为载体，电泳这是利用一种两性电解质作为载体，电泳时两性电解质形成一个由正极到负极逐渐时两性电解质形成一个由正极到负极逐渐增加的增

25、加的pH梯度，当带一定电荷的蛋白质在梯度，当带一定电荷的蛋白质在其中泳动时，到达各自等电点的其中泳动时，到达各自等电点的pH位置就位置就停止，此法可用于分析和制备各种蛋白质停止，此法可用于分析和制备各种蛋白质。（2）离子交换层析法）离子交换层析法 离子交换剂有阳离子交换剂（如：羧甲离子交换剂有阳离子交换剂（如：羧甲基纤维素；基纤维素；CM-纤维素）和阴离子交换剂纤维素）和阴离子交换剂当被分离的蛋白质溶液流经离子交换层析当被分离的蛋白质溶液流经离子交换层析柱时，带有与离子交换剂相反电荷的蛋白柱时，带有与离子交换剂相反电荷的蛋白质被吸附在离子交换剂上，随后用改变质被吸附在离子交换剂上，随后用改变p

26、H或离子强度办法将吸附的蛋白质洗脱下来。或离子强度办法将吸附的蛋白质洗脱下来。5.根据配体特异性的分离方法根据配体特异性的分离方法亲和色谱法亲和色谱法 亲和层析法是分离蛋白质的一种极为有亲和层析法是分离蛋白质的一种极为有效的方法，它经常只需经过一步处理即可效的方法，它经常只需经过一步处理即可使某种待提纯的蛋白质从很复杂的蛋白质使某种待提纯的蛋白质从很复杂的蛋白质混合物中分离出来，而且纯度很高。这种混合物中分离出来，而且纯度很高。这种方法是根据某些蛋白质与另一种称为配体方法是根据某些蛋白质与另一种称为配体的分子能特异而非共价地结合。的分子能特异而非共价地结合。环境污染物酶修复的前景环境污染物酶修复的前景 采用酶修复土壤农药污染在理论和实践采用酶修复土壤农药污染在理论和实践上均具有重要意义上均具有重要意义, , 不仅可降低或去除农不仅可降低或去除农药的毒性药的毒性, , 而且使得农药生物修复更向高而且使得农药生物修复更向高效、低耗、安全和实用等方面发展。效、低耗、安全和实用等方面发展。 应用于土壤农药修复的两种酶类主要来应用于土壤农药修复的两种酶类主要来自微生物和植物自微生物和植物, , 对固定化后酶及土壤中对固定化后酶及土壤中本身存在的漆酶和过氧化物酶特征了解较本身存在的漆酶和过氧化物酶特征了解较少少, , 需要对酶活性影响因素需要对酶活性影响因素