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1、酶在废水中的应用第1页，本讲稿共29页酶的应用（一）废水处理（二）能源（三）食品第2页，本讲稿共29页一 废水处理含有高浓度生化难降解有机污染物、氨氮化合物、悬浮物的各种工业废水日益增多。工业废水又以高浓度有机废水为主，一般是指由造纸、皮革及食品等行业排出的COD在2000mg/L以上的废水。其性质和来源各异，成分复杂,毒性高,有异味且具有强酸强碱性均对环境水体的污染程度大,且处理难度高，采用传统的废水治理方法已无法满足净化处理的技术和经济要求。（一）高浓度有机废水第3页，本讲稿共29页1、按污染物性质分类通常分为有机废水、无机废水、重金属废水、放射性废水、受热污染废水等。低浓度有机废水常用好
2、氧生物处理技术。高浓度有机废水常采用厌氧生物处理法与好氧生物处理法结合处理，酸、碱废水用中和法处理，重金属废水用离子交换、吸附法等物化法处理。2、按产生废水的工业部门分类通常分为冶金工业废水、化学工业废水、煤炭工业废水、石油工业废水、纺织工业废水、轻工业废水和食品工业废水等。3、按废水的来源与受污染程度分类(1)生活污水（2）冷却水（3）洗涤废水（4）工业废水（5）地表径流（雨水）（二）工业废水分类第4页，本讲稿共29页目前主要有物化法和生物法1、物化处理法如化学混凝法、氧化吸附法、焚烧法、萃取法、湿式催化氧化法、电化学法和膜分离法等,单独利用具有处理难度大、成本高1,2的特点。常作为废水预处
3、理，降低污染物的浓度及毒性,来提高废水的可生化性。化学混凝法由于去除效率高、去除范围广、价格低廉等优点而广受研究者的青睐。2、生物处理：利用微生物的代谢作用,氧化、分解、吸附水中可溶性有机物以及部分不溶性有机物,使其转化为无害的稳定物质从而使水体得到净化3。已成为高浓度有机废水处理主要手段,具有处理能力大、设备自动化程度高、易于调控、经济可行、无二次污染等特点。生物处理技术主要有好氧活性污泥法、厌氧法、生物膜法、酶生物处理技术以及发酵工程等。（三）常规处理高浓度有机废水的方法第5页，本讲稿共29页3、固定化技术3.1 定义：用物理或化学方法使酶成为不溶性衍生物，或使细胞成为不易从载体上流失的形
4、式，制成生物反应器，用以催化生化反应或细胞增殖等，重复和连续使用的现代生物工程技术4,5。包括固定化酶技术和固定化细胞技术。3.2 优点(1)处理能力明显高于普通活性污泥,且抗水力和有机负荷能力强（高达常规活性污泥的37倍）,污泥生成量少。(2)生长繁殖速度缓慢的微生物通过固定化,能有效缩短启动时间,使处理稳定进行。(3)微生物细胞固定后,利于反应中固、液、气三相分开,且产物分离容易,能有效克服某些反应过程中存在的产物抑制问题。(4)固定高活性高浓度的微生物因其抗逆性、抗毒性强、对环境适应性强,在处理有毒及难降解物质方面十分有效。第6页，本讲稿共29页3.3固定化微生物技术分类吸附法(载体结合
5、法)、交联法、包埋法和共价键结合法、介质截留、无载体固定自身固定化法又称无载体固定化法，是利用某些微生物具有自絮凝形成颗粒的特性，使微生物产生自固定，成为无载体固定化技术6。由于绝大多数微生物本身带有电荷，故可以使用投加化学试剂的方法加快微生物胶体的絮凝，以使其他微生物或者自身微生物吸附其上，达到固定化的效果。这种固定化方法是一种全新的概念:在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微生物的适宜生态环境，使之有利于微生物代谢之间的协调7第7页，本讲稿共29页3.4固定化载体理想的固定化载体特征:机械强度高、使用寿命长、价格低廉、性质稳定、不易被微生物降解,固定化过程简单、常温下易于成形,且对微生物细胞
6、无毒害作用等。主要可分为三大类:第一类无机载体,如多孔玻璃、活性炭、沸石、硅藻土等。第二类有机载体又可分为两类,其一为高分子凝胶载体,如琼脂、角叉菜胶和海藻酸钠等，另一类为有机合成高分子凝胶载体,如聚丙烯酰胺()凝胶、聚乙烯醇()凝胶、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等;其中因无毒、价廉、抗微生物分解和机械强度高等特点被认为是目前最有效的固定化载体之一。第三类复合载体是由无机载体和有机载体材料复合，性能互补性能优良的新型或改性的固定化载体，如新型介孔二氧化硅载体、纳米材料载体及复合修饰后的纳米材料载体等第8页，本讲稿共29页3.5固定化微生物反应器主要有两大类,即纯种和混合种群固定化反应器。纯种固定化
7、微生物反应器对废水中特定污染物的降解。或利用人工纯化的形式,筛选并富集特定的微生物种群。常应用的是流化床生物反应器、固定填充床、搅拌槽反应器和膜生物反应器等几种类型。混合种群微生物：对于成分复杂,需要发挥不同种类微生物的协同代谢优势,实现多种物质的同时降解,或使某种难降解物质,通过不同阶段相应类型的微生物的持续代谢而得到去除。通过合理控制反应器的营养结构、投加必要的核心物质、控制反应器的水力流态,而使微生物实现自身固定化,如污泥的颗粒化等。主要有、等生物处理工艺,而其中又以高效厌氧反应器为主8。第9页，本讲稿共29页3.6应用3.6.1固定化微生物在生物脱氮中的应用基本过程 包括硝化和反硝化两
8、个阶段。硝化阶段是在好氧条件下将氨氮转化为硝酸盐的过程反硝化阶段是在缺氧条件下，利用反硝化菌（脱氮菌）将亚硝酸盐还原为氮气而从废水中逸出的过程现有的废水生物脱氮效果都不是很理想，原因1、硝化细菌是好氧自养菌，生长缓慢，世代周期长，无法在和异养菌的竞争中取得优势。2、硝化细菌易受外界环境的干扰，尤其是有毒有害物质非常敏感3、硝化和反硝化过程一般都是先后发生在不用的反应器中，难以在时间和空间上形成统一，这样造成占地面积大，基础投资高等缺点。第10页，本讲稿共29页固定化微生物技术正好可以弥补现有废水脱氮系统的缺点通过包埋法同时固定硝化和反硝化细菌来处理含氮废水，能在固定化小球内部形成好氧区，从而实
9、现了同时硝化和反硝化硝化细菌和反硝化细菌由于包埋材料的覆盖，高分子包埋材料对外界环境变化起着阻挡和缓冲作用曹国民等10报道了一种单级生物脱氮新技术，即以廉价的PVA作为载体，采用循环冷冻法把固定化细胞制成平板膜状，利用固定化细胞膜（膜中固定有硝化和反硝化细菌）将脱氮反应器一分为二，膜的一侧与好氧的含氮废水接触，另一侧与缺氧的乙醇水溶液接触，固定于膜中的硝化细菌将氨氮化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，随即被同一膜中的反硝化细菌还原成氮气，硝化菌与反硝化菌混合固定于膜中的氨氮化速率约为硝化菌单独固定时的二倍。日本在固定化技术应用于生物脱氮上取得较快的进展，已经从实验室和小规模试验阶段进入大规模的生产试验阶
10、段。第11页，本讲稿共29页3.6.2在酚类废水处理中的应用酚类化合物种类繁多，以苯酚、甲酚污染最突出。酚类化合物是一种原型质毒物，可通过与皮肤、黏膜的接触不经肝脏解毒直接进入血液循环，致使细胞破坏并失去活力，也可通过空腔侵入人体，造成细胞损伤。高浓度的酚液能使蛋白质凝固，并能继续向体内渗透，引起深部组织损伤，坏死乃至全身中毒，即使是低浓度的酚液也可使蛋白质变性。人如果长期引用被酚类污染的水能引起慢性中毒出现贫血，头晕，记忆力减退以及各种神经系统疾病，严重的会引起死亡，如果使用含酚废水灌溉农田，则会使农作物减产或枯死。所以含酚废水排出需经过治理。POD中的辣根过氧化物酶（HRP），木质素过氧化
11、物酶，漆酶和氯过氧化物酶（CPO）在废水处理方面的应用最为广泛第12页，本讲稿共29页3.6.2.1漆酶白腐真菌是一类丝状真菌,所产生的参与木质素降解的酶系主要由木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等组成,研究又以漆酶为主。白腐真菌中的代表种黄胞原毛平革菌,其生物降解活动只发生在次生代谢阶段,降解对象有毒污染物细胞外即可得到有效降解。非专一性降解的特性使之能降解大量结构不同的化学物质,有更广的适用性。降解人工合成的染料为CO2和H2O,具有良好的脱色效果24,25。白腐菌直接处理漂白废水,将漂白废水中的有机氯化物转变成为无机氯和CO2,H2O和菌体本身,从而破坏和消除发色基团组织和结构,达到去
12、除有机氯化物、COD、BOD和色度的目的。其应用研究体现在以下两大方面:一是利用其或者其所产的过氧化物酶系应用于工业上预处理某些原料以降低工业能耗,且实现清洁生产;二是利用其对底物的非专一性降解污染物而应用于环境污染治理。第13页，本讲稿共29页木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶是在既限碳、又限氮条件下产生的严格次级代谢产物,在工业废水中碳、氮源营养物的存在限制了细胞对酶的分泌,在降解有机污染物时,需要大量的H2O2作为辅助剂,这在现实情况下很难实现,限制了其在实际生产中的应用。机理：漆酶主要分为漆树漆酶和真菌漆酶两大类,是一种发现较早的含铜的多酚氧化酶,它可催化氧化酚类或芳胺类等多种底物,同时分
13、子氧被还原为水。可在碳和/或氮存在条件下由菌体分泌,更重要的是漆酶具有780mv氧化还原电位,能把分子氧直接还原为水,在没有H2O2和其它次级代谢产物存在下,可催化有机污染物的氧化。因此,漆酶在生物技术和环境保护方面有着巨大的应用潜力。第14页，本讲稿共29页漆酶的诱导剂多为结构和木质素有关的低分子芳香化合物或木质素降解的碎片化合物,如香草酸,香豆酸,阿魏酸,单宁酸,焦儿茶酚,芦黎醇,愈创木酚吐温,卞醇等18,19,这些物质都有一个共同点,即芳核上有一OH或一NH:基团。研究表明2,5一二甲代苯胺作为最有效的诱导剂可明显提高白腐真菌分泌漆酶的能力20,21。铜是它的活性基的组成成分,它对漆酶有
14、活化作用22,培养基中适量的Cu2+对菌株漆酶的合成及活性是必不可少的。但过多的Cu2+又抑制菌株漆酶的分泌23，另外Mn2+对漆酶也有重要作用。固定化漆酶延长了漆酶的使用寿命，提高了酶的稳定性和耐受性，降低了处理成本，使其在造纸废水、含有毒的酚类废水及农药废水等方面较传统的物理化学方法有很大的优势，因而具有广阔的应用前景。可用于漂白废水中的有机氯及色度的去除，因而在降解造纸废水方面有巨大的应用前景。第15页，本讲稿共29页目前漆酶酶活的测定方法有分光光度法、测2法、高效液相色谱法、极谱法、脉冲激光光声分析法、微量热法等,其中分光光度法因为具有操作简单、快速、无需配备昂贵仪器设备等特点,所以被
15、广泛采用。分光光度法测定漆酶酶活的基本原理是选定某种漆酶作用的底物,底物在漆酶催化作用下首先形成底物自由基,底物自由基在特定的光波波长下有最大的吸光系数,随着底物自由基浓度的增加,吸光度值增大,依据吸光值()随时间变化的关系计算出酶活。第16页，本讲稿共29页3.6.2.2HRP固定化辣根过氧化物酶对含酚类和苯胺类化合物的废水具有良好的催化氧化作用，且辣根过氧化物酶具有价格便宜、易制备、比活性高及能适应较宽的污染物浓度、温度等优点，因而在含酚废水处理过程中倍受青睐。将过氧化物酶大量吸附在磁石上,可以保证其100%的活力,并且比粗酶有了20倍以上的净化效果。因为可以对水中的氯酚选择性吸附,所以该
16、固定化酶对水中的氯酚基本上可以100%清除第17页，本讲稿共29页HRP酶活测定1、HRP的辅基和酶蛋白最大吸收光谱分别为403nm和275nm，一般以OD403nm/OD275nm的比值Rz表示酶的纯度。高纯度的酶RZ值应在3.0左右(最高可达3.4)。RZ值越小，非酶蛋白就越多。2、愈创木酚法：以愈创木酚为氢给体，有色产物四邻甲氧基连酚（470nm）生成的速度与底物过氧化氢以及氢供体愈创木酚的浓度有关。测定底物减少速度第18页，本讲稿共29页3.6.2.3其他梁沈平等13采用凹凸棒粘土颗粒和塑料环为载体固定的高效脱色菌,大大缩短了反应时间,提高了脱色率。等14采用豆制品加工废水培养出了好氧
17、颗粒污泥,在有机负荷为6/(3)时,去除率高达99%。采用“曝气生物蠕动床”处理炼油,分为9级,每级采用下进水、上出水逐级溢流的方式;池内装填高效生物载体并接种高效微生物,此填料具有大孔网状结构、比表面积约为1202/、孔隙率高(96%),且具有抗生物降解的能力,在载体中引入大量的活性和强极性基团,采用固定化技术,将大量变异菌和酶制剂固定在载体上。周珊15等研究发现，使用竹炭固定化假单胞菌在处理高浓度苯酚时具有效率更高和处理量大的优势。竹炭固定化假单胞菌对苯酚的降解效率在pH58范围内，以200mL水样中固定化假单胞菌添加量为20g时最高。李二平16等研究发现，利用PVA-硫酸铵包埋法对硫酸盐
18、还原菌污泥进行固定，采用上流式厌氧反应器对含锌废水进行处理，结果表明，Zn2+去除率达98%以上，出水Zn2+达到国标要求。李正魁17等研究发现，辐射聚合固定化反硝化菌对污水中硝酸盐去除率可达到78%。第19页，本讲稿共29页3.7培养驯化微生物的培养和驯化效果关系到整个过程中反应器对废水中有机污染物的负荷能力和处理效率。(1)适应培养微生物抗毒性功能,在含高浓度毒性有机物废水中较为正常的生长代谢和繁殖(2)利用 在没有正常的营养源时,一些特异和高效的菌落能够将毒性有机物作为自身新陈代谢和繁殖的碳源和能源。培养驯化的生物学原理(1)新诱导酶的合成及显性表达,在微生物的培养驯化初期微生物细胞自动
19、地启动诱导酶的合成,通过诱导和阻遏两种机制来协调和控制使新产生的诱导酶能够适应新的底物环境,经历生长停滞期后产生了适应性诱导酶的菌群缓慢成长为微生物菌落的主体的过程。(2)微生物细胞发生正向自发、低频和随机突变,在培养驯化过程中,改变了多种细胞的结构,从而使适应高效降解有机物的菌群缓慢成长为微生物菌落的主体。在相当长的时间内逐渐加大微生物降解有机物作用的过程,该过程可以使微生物达到毒性条件下的菌群稳定状态,并且对毒性难降解有机物的降解负荷值很高。第20页，本讲稿共29页3.8研究进展与发展趋势第一,开发新型价廉、易得、耐用的优良载体是目前及今后相当长一段时间的研究重点。第二,生化反应器满足当今
20、水处理领域中低能耗、小投资、高效率的要求。第三,将生物工程与环境工程微生物有机的结合,发挥两者优势,寻找高效特种菌种,使水处理技术更加具有针对性。第四,将固定化微生物技术与其他传统处理工艺相结合第五，深入研究微生物固定化机理以及传质和反应动力学，为理想的载体选择、高效微生物的选育、高效生物反应器的设计提供依据和相应参数。第21页，本讲稿共29页二 固定化酶在能源开发中的应用（一）生产乙醇固定化细胞及固定化酶技术在酒精行业均有所应用。白凤武29,30等使用无载体固定化酵母细胞进行酒精连续生产，不仅发酵速度快后劲强、设备生产强度大大提高、糖分出酒率高、单耗低，而且由于酵母细胞固定化彻底，使发酵醪经
21、过滤、精馏后塔釜液的COD比传统工艺低。陈明31等采用海藻酸钙凝胶包埋法固定基因重组酵母，酒精发酵周期缩短，乙醇得率提高。此外，固定化酵母对乙酸的耐受性明显增强，乙酸耐受质量浓度提高。沈飞32等使用三亚乙基四胺和戊二醛来处理海藻酸钙固定化酵母粒子，使平均乙醇得率提高。李丹33-34等使用泡沫多孔陶瓷固定酵母细胞，有效富集酵母细胞。在纤维乙醇研究领域，纤维素冷冻粉碎之后，利用固定化纤维素酶水解成葡萄糖，以纤维素水解液为原料，通过固定化酵母的发酵作用，可连续产生乙醇。针对生产成本高的问题，研究人员选育高产复合系纤维素酶35，并尝试进行固定化技术以提高酶的利用率36。王振斌37等尝试通过使用超声波来
22、对固定化纤维素酶进行预处理使酶活性提高了9.75%。第22页，本讲稿共29页有些微生物或蓝藻含有氢化酶系，能产生氢。但氢化酶系极易失活，而将菌体固定化之后，可以提高氢化酶系稳定性。利用固定化酶或固定化微生物也可以制造燃料电池（生物化学电池，微生物电池），将化学能转变成电能。例如将固定化葡萄糖氧化酶装到铂电极上，制成酶电极，与银电极组成燃料电池。第23页，本讲稿共29页（二）沼气过程在秸秆发酵生产沼气过程中接种厌氧纤维素酶产生菌能够提高秸秆利用率和沼气产量、质量。第24页，本讲稿共29页1、纤维素酶的研究现状国内研究概况选育纤维素酶菌种。如1968年北京选育出一批纤维素酶菌种；1970年后中国科
23、学院上海植物生理研究所等单位利用诱变方法获得了产酶能力较高的突变株，并进行了生产试验；1975年广东微生物研究所分离筛选出纤维素酶产生菌株长梗木霉38；20世纪90年代中科院微生物研究所获得一株突变株康宁木霉CP8832939。20世纪90年代初在沈阳农业大学陈祖洁教授和曹淡君教授的亲自指导首个产2000吨纤维素酶生产线投产，使我国成为继美国、日本、丹麦之后世界上第4个能生产纤维素酶的国家。目前，国内关于纤维素酶的特性、作用机理、培养条件、应用试验等方面的报道文献虽然较多，但至今仍未能规模化生产，满足不了市场的需要。真正规模生产的酶制剂只有a-淀粉酶、糖化酶和碱性蛋白酶等3-4个产品。目前国内
24、对纤维素酶的需求量很大，正是供求矛盾的存在促使了人们对纤维素酶进行更深入地研究。第25页，本讲稿共29页2 作用方式纤维素酶一种多种组分协同作用的复合酶，主要包括C1酶、CX酶和-葡萄糖苷酶三种组分酶，不同的微生物所产的纤维素酶也不相同。自然界能产生纤维素酶的微生物很多，包括细菌、放线菌和真菌。其中对纤维素作用最强的菌株是木霉属、曲霉属、青霉属。微生物破坏纤维素有两种可能的方式1、先外部，再逐渐向内。细菌一般是粘在纤维素纤维上，从纤维的表面向内部增生，在接触点处纤维素被溶解，使纤维表面呈锯齿蚀痕，被细菌破坏后的纤维，如果被某种溶液溶胀，由于不存在初生壁、次生壁均匀润涨、外观为伸直纤维，很容易被
25、分解。2、由内向外破坏霉菌是线状的，对纤维素纤维的降解集中在纤维的端部，并不断生长，由内向外消化纤维素，使纤维逐渐被分解破坏。第26页，本讲稿共29页3纤维素分解菌的筛选方法纤维素是葡萄糖残基以-1,4糖苷键连接而成的线状大分子物质，纤维素酶能够催化水解-1,4糖苷键使其变成纤维二糖和葡萄糖。纤维素分解菌能在纤维素物质的诱导下产生纤维素酶，在平板初筛时纤维素分解菌落周围会出现水解圈40，根据水解圈可以筛选出纤维素分解菌。目前筛选培养基的纤维素物质主要是微晶纤维素、滤纸、羧甲基纤维素钠。采用刚果红双层平板初筛和厌氧发酵测定酶活复筛，筛选出一株兼性厌氧纤维素酶产生菌，通过紫外线和亚硝酸单独和复合诱
26、变选育高产纤维素酶突变株。第27页，本讲稿共29页4纤维素酶活性的测定酶活力的测定是在底物过量存在的条件下，测定酶促反应的初速度。纤维素酶是多组分酶，各组分间有协同作用，形成多种产物和涉及多种反馈控制机理。这样，测初速度的原则也就难以反映底物特性，这就使得确定酶活力测定方法非常困难。目前，测定纤维素总没获得方法主要有以下几种方法：1滤纸崩溃法41由于滤纸的纤维素结构同天然纤维素相似，滤纸片作为底物加入到装有酶液的试管中，最适条件下微振荡，直至观察到滤纸发生崩溃现象。计算滤纸完全崩溃所需的时间，求得酶活力。2棉线切断法41将细棉线的一段浸入到含有适量酶液的试管中，最适条件下测定纱线被切断所需的时
27、间，计算酶活力。第28页，本讲稿共29页3分光光度计法42用CMC钠盐作底物，以2-羟基-3,5-二硝基苯甲酸作显色剂的分光光度计法。当酶促反应发生，生成的糖类物质与显色剂发生显色反应，再用分光光度计在500nm左右的波长范围内测定吸光度，换算成还原糖含量，然后计算出酶活力。选用索默季氏砷钼酸盐作显色剂，提高了分析的精度。4粘度测定法4142由于纤维素酶能液化粘度较大的羧甲基纤维素钠溶液，而且发现酶活力与溶液的液化程度成正相关，所以粘度测定法得到了应用，一般有旋转粘度计法和工研法两种。5染色纤维素法用Remazol亮兰使滤纸、纤维素粉或微晶纤维素染色，酶解后测定着色化合物溶液的吸光度，以其代表酶活。第29页，本讲稿共29页