酶工程在环境污染治理中的应用

酶工程在环境污染治理中的应用1第一页，共四十一页，编辑于2023年，星期二1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－enzyme1896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2第二页，共四十一页，编辑于2023年，星期二酶学研究基础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3第三页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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4第四页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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5第五页，共四十一页，编辑于2023年，星期二酶的专一性/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6第六页，共四十一页，编辑于2023年，星期二酶催化反应的影响因素最适pH：一定范围，一定条件A：最适pH6.8，反应速率最大B：稳定pH5～87第七页，共四十一页，编辑于2023年，星期二最适温度：一定范围，多种因素8第八页，共四十一页，编辑于2023年，星期二酶催化反应动力学－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9第九页，共四十一页，编辑于2023年，星期二中间产物假说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10第十页，共四十一页，编辑于2023年，星期二米氏常数的意义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Ks11第十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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12第十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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13第十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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14第十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期二酶分离纯化的常用方法15第十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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16第十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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17第十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期二

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18第十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期二2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19第十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期二2.1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20第二十页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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21第二十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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22第二十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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23000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23第二十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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24第二十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期二腈化物水合酶的光激活和酶催化机理25第二十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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26第二十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期二2.2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-+O2→NH2OH+H2O+2H+羟胺氧化还原酶（HAO）催化的反应：NH2OH+H2O→HONO+4e-+4H+

27第二十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期二氨氧化途径及其相关基因28第二十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期二2.3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29第二十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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30第三十页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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31第三十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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32第三十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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、β-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33第三十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期二含氰（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34第三十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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35第三十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期二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

36第三十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期二2.4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