微生物技术在废水处理中的应用-固定化技术在废水处理中的应用

固定化技术在重金属废水、含酚废水处理中的应用教学内容1.固定化酶2.酶的固定化方法3.固定化技术在重金属废水和含酚废水处理中的应用酶和细胞固定化技术酶有哪些优点？Question1Question3Question2酶有哪些缺点？为什么要固定化酶？催化效率高低耗能低污染专一性强反应条件温和酶的缺点易失活难回收难以反复利用不易与产物分离为什么要对酶进行固定化？如果你是工程技术人员，领导要你解决问题，你该怎么办？老板员工固定化酶：是指通过物理或化学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶束缚在一定的空间范围内，限制酶分子的自由流动，可以反复使用而能发挥催化作用的酶制剂。

德国的Schleith首先开始了酶固定化研究，并第一次实现了酶的固定化。1953年日本的千细一郎开始了氨基酰化酶固定化研究，开始了将酶应用在工业的第一步。1960年

千细一郎成功将氨基酰化酶反应用于DL-AA的光学分析，实现了酶连续反应的工业化，这是世界上固定化酶用于工业的开端。1969年

第一次国际酶工程会议上正式提出固定化酶的概念。1971年固定化酶技术被广泛研究并被应用70年代以后固定化酶的优点：可以在较长时间内反复使用，有利工艺的连续化、管道化；易将固定化酶与底物、产物分开；产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺；酶反应过程可以严格控制，有利于工艺自动化和微电脑化；固定化酶的优点：在绝大多数情况下提高酶的稳定性；能适应于多酶反应；酶的使用效率提高，产物得率提高，产品质量有保障，成本低。固定化酶的应用实例固定化酶和固定化细胞应用生产时间氨基酰基转移酶DL-氨基酸的旋光度解析1969年葡萄糖异构酶将葡萄糖异构变为果糖1973年天冬氨酸酶生产L-天冬氨酸1973年延胡索酸酶上产L-苹果酸1974年ß-半乳酸苷酶水解乳糖1977年L-天冬氨酸ß-脱羧酶生产L-丙氨酸1982年固定化所需载体和试剂较贵，成本高，投资大；固定化时，酶活力有损失；长期生产，易污染，载体易降解，酶易失活；只能用于可溶性底物，较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；与完整细胞相比，不适于多酶反应；酶的固定化方法：吸附法；包埋法；交联法；共价法；（一）吸附法——是指通过氢键、疏水作用、电子亲和力等物理作用，将酶吸附到固体吸附剂表面的方法。优点：操作条件温和，固定化时酶分子的构象较少或者不变化，载体廉价，可反复使用；缺点：酶与载体结合不牢固，易脱落；常用的吸附剂：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶等。氧化铝活性炭硅藻土（二）包埋法——是指将酶和含酶菌包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法。根据包埋材料和包埋方法的不同，可分为：凝胶包埋法和半透膜包埋法两类。1.凝胶包埋法将酶分子包埋在凝胶格子里。凝胶包埋法用得最多、最有效，但不适用于底物或产物分子很大的酶类的固定化。包埋材料天然凝胶：条件温和，操作简便，对酶活性影响小，但强度差。如，琼脂凝胶、海藻酸钙凝胶、角叉凝胶、明胶等；合成凝胶：强度高，对温度、pH值变化耐性强，需要特定的聚合条件，酶易变性。如，聚丙烯酰胺凝胶、光交联树脂等；琼脂海藻酸钠明胶天然凝胶：合成凝胶：聚丙烯酰胺2.半透膜包埋法（微囊化法）将酶包埋在各种高分子聚合物职称的小囊中，制成固定化酶。植物细胞孔径＞半透膜孔径小于半透膜孔径的小分子底物和产物可以自由进出，适用于底物和产物都是小分子的酶的固定化。半透膜：聚酰胺膜、火棉胶膜等。（三）结合法通过离子键使酶与载体结合在一起的固定化方法。载体：DEAE-纤维素、TEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。1.离子键结合法条件温和、操作简便、活力损失少。酶与载体结合不牢固，使用时需严格控制好pH、离子强度、温度等操作条件。优点缺点2.共价键结合法通过共价键使酶与载体结合在一起的固定化方法。载体：纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳质、氨基酸共聚物、甲基丙烯醇共聚物等。载体—活化—活化载体基团+酶分子基团。（四）交联法利用双功能试剂，在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶的方法。交联试剂：戊二醛、乙二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等。双功能试剂：

常用的是戊二醛交联反应可以发生在酶分子间，也可以发生在酶分子内。在低酶浓度下一般形成分子内交联，交联后的酶通常保持溶解状态。在酶浓度升高情况下，分子间交联比例不断上升，形成的固定化酶通常为不溶解状态。结合牢固，酶不会脱落，可长时间使用。交联反应条件激烈，酶的多个基团被交联，指示酶的活力损失大。制备的固定化酶颗粒较小，不便于使用。双重固定化载体或交联剂菌液搅拌混合固定固定化微生物微生物固定化的理想载体应具备以下特性：

制作过程简单易行对细胞无毒害作用不易被微生物分解性质稳定强度高、寿命长价格便宜固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用：1.含酚废水的处理用海藻酸钙包埋热带假丝酵母菌，在三相流化床反应器中连续处理含酚废水，进水酚浓度为300mg/L，出水酚浓度0.5mg/L，酚的最大容积负荷比活性污泥高1倍，其污泥发生量仅为活性污泥的1/10。海藻酸钙凝胶包埋法海藻酸钙凝胶流化床反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。反应时，底物溶液以足够大的流速从反应器底部向上通过固定化微生物柱床，便能使固定化微生物颗粒始终处于流化妆台。由于反应器内混合程度高，因此，传热、传质情况良好。固定化细胞处理含苯酚等芳香族有机废水2.含重金属废水的处理由于微生物经固定化后，起稳定性增强，抗生物毒性物质的能力大大增强。因此，可以被广泛用于有机废水中重金属离子的去除。

（1）M.Iqbal等用一种新型经济的多孔载体丝瓜瓤固定黄孢原毛平革菌（Phanerochaetehysosporium），制成吸附剂用以吸附溶液中Pb2+、Cu2+和Zn2+，并与悬浮液做了对比研究。

在pH为6.0时，吸附1h达到平衡，Pb2+、Cu2+和Zn2+

3种离子的去除率分别是88.2%、68.7%和39.6%，相对于悬浮液，取出来吧分别提高了14.6%、12.8%和16.1%。

（2）M.Y.Arica等将黄孢原毛平革菌（Phanerochaetehysosporium）固定在海藻酸钙中，用于吸附人工静态模拟废水中30~600mg/L的Pb2+和Zn2+，对其吸附容量做了细致研究。

结果表明，在pH5.0~6.0间，吸附60min后，加热灭活菌对Pb2+、和Zn2+

的吸附容量为355mg/g、48mg/g，大于活菌球的282mg/g、和37mg/g。

（3）严国安等利用褐藻酸钙包埋固定普通小球藻，对人工配制的含汞废水进行静态净化实验。结果表明，固定藻对汞的去除明显高于悬浮藻，如下表所示。小球藻对汞的去除比较一览表固定化细胞技术在废水处理领域中具有独特的优势，但要实现处理废水的规模化，还需要解决几个问题：（1）研究开发性能稳定、强度高、寿命长、费用低、传质阻力小的新型固定化载体；

（2）开发多种微生共生的固定化体系，筛选、构建高效、抗逆性的高性能微生物。

（3）开发高效的废水处理工艺，固定化生物反应器和固定化细胞批量生产装置。相信固定化细胞计数将在废水处理领域中会发挥越来越广泛，重要的作用。固定化微生物技术的发展趋势其他有机废水及水环境监测中的生物传感器教学内容1.生物传感器的概念2.生物传感器的结构和原理3.生物传感器的类型4.生物传感器的应用1.电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦？2.电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温？3.全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程？4.自动门为什么会自动开启？

…………这一切，都要归功于现代传感器的发展和应用？什么是传感器？传感器三要素：

（1）直接触被测物；

（2）可传递性；

（3）输出信号与被测参数有明确的关系，最好是线性关系。脑信息处理

中心眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）舌（味觉）皮肤（触觉）气体传感器味道传感器（有机盐传感器无机盐传感器）温度传感器压力传感器光传感器声传感器（化学量传感器）（物理量传感器）温度传感器红外线传感器——实现无接触测量应用领域：航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器……生物传感器传感器——用以检测和识别生物体内化学成分SBA-70型固定化酶生物传感仪BOD生物传感器

生物传感器：是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元（如酶、蛋白质、微生物、DNA、抗原或抗体等）作为识别原件，将生化反应转变为可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。生物传感器的概念功能：被测物质浓度生物传感器可传递信号数字量生物传感器的结构敏感元件:酶、抗体、核酸、细胞等。转换器:电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。酶（Enzyme）抗体（Antibody）DNA待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用产生信息，如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。生物传感器的工作原理生物传感器的分类根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件分为五类：酶传感器微生物传感器细胞传感器组织传感器免疫传感器酶传感器测定项目酶固定化方法使用电极稳定性/天测定范围（mg/ml）葡萄糖葡萄糖氧化酶共价氧电极1001~5Х102胆固醇胆固醇脂酶共价铂电极3010~5Х103青霉素青霉素酶包埋pH电极7~1410~1Х103尿素尿素酶交联铵离子电极6010~1Х103磷脂磷脂酶共价铂电极30102~5Х103乙醇乙醇氧化酶交联氧电极12010~5Х103尿酸尿酸酶交联氧电极12010~1Х103L-谷氨酸谷氨酸脱氨酶吸附铵离子电极210~1Х104L-谷酰胺谷酰胺酶吸附铵离子电极210~1Х104L-铬氨酸L-铬氨酸脱羧酶吸附二氧化碳电极2010~1Х104测定项目微生物测定电极检测范围（mg/L）葡萄糖荧光假单细胞菌O25~200乙醇云台丝孢酵母O25~300亚硝酸盐硝化菌O251~200维生素B12大肠杆菌O2谷氨酸大肠杆菌CO28~800赖氨酸大肠杆菌CO210~100维生素B1发酵乳杆菌燃料电池0.01~10甲酸梭状芽胞杆菌燃料电池1~300头孢菌素费式柠檬酸细菌pH烟酸阿拉伯糖乳杆菌pH微生物传感器测定项目组织膜基础电极稳定性/天线性范围（mol/L）谷氨酸木瓜CO272Х10-4~1.3Х10-2尿素夹克豆CO2943.4Х10-5~1.5Х10-3L-谷氨酰胺肾NH3301Х10-4~1.1Х10-2多巴胺香蕉O214丙酮酸玉米芯CO278Х10-5~3Х10-3过氧化氢肝O2145Х10-3~2.5Х10-1组织传感器根据生物传感器的换能器即信号转换器分为：生物电极传感器半导体生物传感器光生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器1.水环境监测

（1）BOD的测定

（2）氨氮、亚硝酸盐的测定

（3）重金属的测定

（4）酚类微生物传感器

（5）阴离子表面活性剂传感器

（6）水体富营养化监测传感器生物传感器在环境监测中的应用2.大气环境监测

（1）对酸雨的监测

（2）氨传感器

（3）甲烷传感器

（4）CO2传感器（1）BOD的测定

常规的BOD测定方法是用稀释与接种法来测定，需要5d的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大、不宜现场监测。

采用BOD生物传感器可在10~15min监测出BOD值，可对水质状况实行在线监测，具有广阔的应用前景。水环境监测：BOD生物传感器一般是将微生物膜固定在溶解氧的探头上，当样品溶液通过传感器监测系统时，渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周围的溶解氧减少，使氧电极电流随时间急剧减小。18min内达到稳态。稳态指示着微生物消耗的氧与样品溶液扩散到膜上的氧达到平衡。稳态电流的大小取决于样品溶液的BOD浓度，而传感器的响应时间（即电流达稳态的时间）则取决于样品的类型，对乙酸溶液为8min，对葡萄糖为18min。废水BOD(mol/L)传感器法5d培养法偏差/%食品厂1551522食品厂（淀粉糖化）425040006棕榈油制造厂12400984026用传感器法和5d培养法测定不同类型的工业废水BOD值，结果如下：

不同类型工业废水的BOD值一览表（2）氨氮、亚硝酸盐的测定

国外有一种氨氮和硝酸盐微生物传感器，它是从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成，用它对河水的Nox进行测量，其效果较好，且可以再黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐（NO2-）并在盐环境下测量可不受其他种类氮的氧化物影响。（3）重金属的测定

科学家在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光，人们可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于水环境监测。

在国外已经将荧光素导入大肠杆菌中，用来检测砷的有毒化合物。

用于测量污水中锌浓度的生物传感器已经研制成功，它使用嗜碱性细菌，对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其效果很好。

（4）酚类微生物传感器用酶电极安培传感器检测酚类化合物，电极表面的酶分子被氧（当酶是酚氧化酶，如铬氨酸酶、漆酶时）或过氧化氢（当酶是过氧化氢酶时）氧化，接着被酚类化合物重新还原，酚类主要转化为苯醌或酚自由基，这些产物通常具有电化学活性，能在相对饱和甘汞电极以下的电位还原，还原电流正比于溶液中酚类化合物的浓度。

用LAS降解细菌制成的微生物传感器，可检测阴离子表面活性剂的浓度。这种反应型的传感器由一固定化LAS降解细菌柱和流通池型氧电极构成，菌种从污水处理厂的活性污泥中提取而得。

测量依据的原理是：当阴离子表面活性剂存在时，LAS降解菌的呼吸活性会增加，导致溶解氧变化。（5）阴离子表面活性剂传感器（6）水体富营养化监测传感器

生物传感器可实现对水体富营养化的在线监测。由于蓝细菌的细胞体内有藻青素存在，其现实出的荧光光谱不同于其他的微生物，用这种对荧光敏感的生物传感器就能监测蓝细菌的浓度，可以预报藻类急剧繁殖的情况。

SO2是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的监测方法很复杂。将亚细胞类脂质（含亚硫酸盐氧化酶的肝微颗粒）固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对SO2形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，10min可以得到稳定的测试结果。大气环境监测：（1）对酸雨的监测（2）氨传感器I.Karube等发现，一种硝化细菌利用氨作为唯一的能源，通过呼吸作用消耗氧，而另一种硝化细菌则将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，新型安培型氨传感器用氧电极和两种硝化细菌制成。硝化细菌在需氧呼吸过程中降解氨，消耗溶解氧。

该传感器不仅可用于监测大气中的氨，还可用于