酶工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

酶工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用1酶學(xué)研究基礎(chǔ)酶是生物體內(nèi)一切生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，是生命活動的重要組成1878年，Kunne提出酶的名稱－enzyme1896年，Buchner發(fā)現(xiàn)發(fā)酵是酶的作用的化學(xué)本質(zhì)1894年，F(xiàn)isher提出鎖匙模型，解釋酶的專一性1913年，Michaelis和Menten提出米氏方程1926年，Sumner確立了酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)酶：具有生物催化活性的特殊蛋白質(zhì)第2頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶學(xué)研究基礎(chǔ)1958年，Koshland提出“誘導(dǎo)契合”理論，以解釋酶的催化理論和專一性1961年，Monod提出“變構(gòu)模型”，用以定量解釋酶活性的調(diào)節(jié)1969年，由氨基酸單體化學(xué)合成牛胰核糖核酸酶重組DNA技術(shù)用于酶學(xué)研究，能夠通過定點(diǎn)突變法改變酶的催化活性和專一性第3頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶學(xué)研究進(jìn)展酶并不一定就是蛋白質(zhì)：某些RNA也具有催化活性——酶是特殊的催化劑抗體酶：把抗體的高度選擇性與酶的高效催化性進(jìn)行結(jié)合酶的應(yīng)用：從現(xiàn)成的動植物或微生物的組織或細(xì)胞中進(jìn)行提取→發(fā)酵法生產(chǎn)（酶工業(yè)）酶工程：利用酶的催化作用進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，將酶學(xué)理論與化工技術(shù)相結(jié)合；研究領(lǐng)域涉及酶的生產(chǎn)、酶的分離純化、酶固定化、酶反應(yīng)動力學(xué)、酶反應(yīng)器、酶的應(yīng)用等第4頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶的催化特性酶是催化劑：改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但不改變化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，即不改變反應(yīng)的方向和平衡點(diǎn)；反應(yīng)前后酶的組成和質(zhì)量不發(fā)生變化酶是特殊的催化劑：高效率/高度專一性/活性可調(diào)節(jié)/反應(yīng)條件溫和/產(chǎn)物易純化非酶催化反應(yīng)的速度可能相差1016倍，但酶催化反應(yīng)相差無幾酶可以極大地降低反應(yīng)所需的活化能多種催化因素協(xié)同作用第5頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶的專一性/活性可調(diào)節(jié)一種酶只能催化一種或一類結(jié)構(gòu)相似的底物進(jìn)行某種類型的反應(yīng)高度的選擇性絕對專一vs.相對專一酶的活性可調(diào)控，其是代謝調(diào)控的基本方式酶濃度的調(diào)節(jié)生理調(diào)節(jié)或激素調(diào)節(jié)共價修飾調(diào)節(jié)酶原的活化抑制劑的調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)金屬離子和其他小分子化合物調(diào)節(jié)第6頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶催化反應(yīng)的影響因素最適pH：一定范圍，一定條件A：最適pH6.8，反應(yīng)速率最大B：穩(wěn)定pH5～8第7頁,共41頁，2024年2月25日，星期天最適溫度：一定范圍，多種因素第8頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶催化反應(yīng)動力學(xué)－酶/底物濃度的影響研究內(nèi)容包括酶催化反應(yīng)速度以及影響此速度的各種因素酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系第9頁,共41頁，2024年2月25日，星期天中間產(chǎn)物假說1913年，依據(jù)快速平衡法推導(dǎo)出米氏方程1925年，依據(jù)擬穩(wěn)態(tài)方法推導(dǎo)出Briggs-Haldane方程第10頁,共41頁，2024年2月25日，星期天米氏常數(shù)的意義Km值的物理意義：其是酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，單位與底物濃度一致Km值是酶的特征常數(shù)之一，只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃度無關(guān)同一種酶對不同底物的Km值不同Km值受到pH和溫度的影響對同一種酶而言，Km值最小的底物是其最適底物Km不同于Ks第11頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶的抑制作用分為可逆抑制與不可逆抑制競爭性抑制，抑制劑與底物競爭和酶活性中心結(jié)合：vmax不變，Km增大非競爭性抑制，酶可同時與底物和抑制劑結(jié)合，兩者無競爭作用：vmax減小，Km不變反競爭性抑制，酶只有與底物結(jié)合后，才可和抑制劑結(jié)合：vmax減小，Km減小底物抑制作用：底物抑制時的速度曲線第12頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶的生產(chǎn)及分離純化微生物是主要的酶源：酶源廣泛、產(chǎn)量高、生長周期短、成本低、易管理、易提取酶必須經(jīng)過純化才可使用，一般認(rèn)為黑曲霉、酵母、枯草芽孢桿菌等是安全的酶生產(chǎn)菌株酶生產(chǎn)菌的選擇：不是致病菌/不產(chǎn)生毒素不易退化/不易感染噬菌體產(chǎn)量高/胞外酶原料廉價/發(fā)酵周期短/易培養(yǎng)第13頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶的分離純化一般包括預(yù)處理與酶抽提、粗分離、細(xì)分離、結(jié)晶等第14頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶分離純化的常用方法第15頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶提取生物材料的破碎：機(jī)械法、物理法、化學(xué)法、酶解法酶的提?。合嗨葡嗳?，酸、堿、鹽溶液，有機(jī)溶劑沉淀：鹽析法、PEG沉淀法、有機(jī)溶劑沉淀法、等電點(diǎn)沉淀法、熱處理沉淀法等層析：利用混合物中各組分的物理化學(xué)性質(zhì)不同，使各組分在兩相中的分布程度不同而達(dá)到分離。包括凝膠過濾層析、離子交換層析、親和層析、高效液相色譜層析等電泳：由于蛋白質(zhì)分子表面電荷的差異，可用電泳方法將其分離開來。常用的區(qū)帶電泳有聚丙烯酰胺凝膠電泳和等電點(diǎn)聚焦等第16頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酶固定化游離酶的穩(wěn)定性差，且不利于其和目標(biāo)產(chǎn)物分離和回收利用，固定化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生固定化酶是指固定在載體上并在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)的酶，其既保持了酶的活性，又可反復(fù)使用，且易于分離固定化方法包括吸附法、結(jié)合法和包埋法固定化方法第17頁,共41頁，2024年2月25日，星期天

酶反應(yīng)器以酶為催化劑進(jìn)行反應(yīng)所需要的設(shè)備稱為酶反應(yīng)器根據(jù)反應(yīng)類型、動力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)器類型和流體流動狀態(tài)、熱傳遞及溫度的影響、生產(chǎn)量和工藝流程、操作穩(wěn)定性等選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該達(dá)到：容積生產(chǎn)率高、條件易控制、耗能低、污染少、反應(yīng)器加工簡便酶反應(yīng)器的類型第18頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2酶工程在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用腈化物降解酶氨氧化酶酶在廢水處理中的應(yīng)用含芳香族化合物廢水處理造紙廢水處理含氰（腈）廢水處理食品加工廢水處理酶在土壤修復(fù)中的應(yīng)用第19頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.1腈化物降解酶腈化物是指含有腈基的有機(jī)化合物（R-CN），是重要的化工原料，但其也具有強(qiáng)烈的生物毒性、致癌性和致突變性，因此是一種急需治理的有機(jī)污染物腈化物酶催化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物R和R‘分別代表烷基和芳基第20頁,共41頁，2024年2月25日，星期天腈化物降解酶的分布及應(yīng)用包括腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶，細(xì)菌中常見，植物和真菌中少見，其可利用腈化物為唯一碳源和氮源進(jìn)行代謝，微生物代謝機(jī)理尚不完全清楚已應(yīng)用于植物激素吲哚乙酸的生物合成、腈化物的生物轉(zhuǎn)化以及腈化物污染環(huán)境的生物修復(fù)等領(lǐng)域第21頁,共41頁，2024年2月25日，星期天腈化物的酶水解途徑腈化物的酶水解通過兩條途徑進(jìn)行腈化物水解酶直接水解腈化物，形成相應(yīng)的有機(jī)酸和氨腈化物水合酶催化有機(jī)腈水合，形成中間產(chǎn)物酰胺，然后在酰胺酶的作用下轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的有機(jī)酸和氨第22頁,共41頁，2024年2月25日，星期天腈化物水解酶可將腈化物直接水解成有機(jī)酸和氨是一個可溶性的金屬酶，在催化活性部位含有一個非血紅素鐵原子或非類可啉鈷原子，此外還含有相對分子質(zhì)量約為23000的兩個亞基，幾乎都以雜四聚體形式存在一些鐵類的腈化物水解酶的活性受光調(diào)節(jié)——“光復(fù)活”的作用機(jī)制根據(jù)底物專一性可分為：芳香腈水解酶、雜環(huán)腈水解酶和脂肪腈水解酶第23頁,共41頁，2024年2月25日，星期天腈化物水合酶可將腈化物轉(zhuǎn)化為酰胺是含有鈷和鐵的金屬酶可能的反應(yīng)機(jī)理腈化物接近與金屬結(jié)合的氫氧根離子，該離子作為親核試劑進(jìn)攻腈化物的碳原子與金屬結(jié)合的氫氧根離子作為一般的堿，激活水分子，然后進(jìn)攻腈化物中的碳原子，形成酰亞胺，最終重排成酰胺第24頁,共41頁，2024年2月25日，星期天腈化物水合酶的光激活和酶催化機(jī)理第25頁,共41頁，2024年2月25日，星期天酰胺酶能夠水解酰胺形成有機(jī)酸和氨少量微生物的酰胺酶與金屬結(jié)合酰胺酶催化反應(yīng)機(jī)理第26頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.2氨氧化酶硝化反應(yīng)是氮循環(huán)的重要步驟，氨氧化過程是其限速步驟氨氧化細(xì)菌屬于專性化能自養(yǎng)菌，從氧化NH4+為NO2-的過程獲得能量，利用CO2為碳源進(jìn)行細(xì)胞合成NH4+氧化為NO2-的過程經(jīng)過兩個步驟氨單氧合酶（AMO）催化的反應(yīng)：2H++NH4++2e-+O2→NH2OH+H2O+2H+羥胺氧化還原酶（HAO）催化的反應(yīng)：NH2OH+H2O→HONO+4e-+4H+

第27頁,共41頁，2024年2月25日，星期天氨氧化途徑及其相關(guān)基因第28頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.3酶在廢水處理中的應(yīng)用酶法處理污染物與生物法相比的優(yōu)勢：可以處理生物難降解化合物可以處理各種濃度污染物，尤其是低濃度有機(jī)污染物可以在各種pH/溫度/鹽度環(huán)境下使用不存在沖擊負(fù)荷效應(yīng)不存在與生物生長及其適應(yīng)相關(guān)的滯后效應(yīng)不產(chǎn)生污泥過程控制簡易第29頁,共41頁，2024年2月25日，星期天含芳香族化合物廢水處理芳香族化合物，包括酚和芳香胺，屬于優(yōu)先控制污染物很多酶可用于芳香族化合物廢水處理酶具有高度選擇性，能處理低濃度廢水不易被有生物毒性的物質(zhì)所抑制可在較大濃度范圍內(nèi)發(fā)揮作用停留時間較短第30頁,共41頁，2024年2月25日，星期天過氧化物酶是微生物或植物產(chǎn)生的一類氧化還原酶，在過氧化物的激活下，才可用于氧化底物辣根過氧化物酶（HRP）：是酶處理廢水領(lǐng)域中應(yīng)用最多的一種酶，可催化多種芳香族化合物，包括酚/苯胺/聯(lián)苯胺/及其異構(gòu)體等，反應(yīng)產(chǎn)物是沉淀，易去除，pH值和溫度范圍較廣木質(zhì)素過氧化物酶（LiP）：可處理很多難降解芳香族化合物和多環(huán)芳烴、酚類物質(zhì)，穩(wěn)定性是其應(yīng)用的關(guān)鍵，固定化是有效方法植物來源的酶第31頁,共41頁，2024年2月25日，星期天聚酚氧化酶屬于另一類能夠催化酚類物質(zhì)氧化的氧化還原酶酪氨酸酶，也叫酚酶或兒茶酚酶，催化兩個連續(xù)的反應(yīng)單分子酚與氧分子通過氧化還原反應(yīng)形成鄰苯二酚鄰苯二酚再脫氫形成苯醌，苯醌不穩(wěn)定，通過非酶催化聚合反應(yīng)形成沉淀

漆酶，由真菌產(chǎn)生，通過聚合反應(yīng)去除酚類，且能同時對多種酚類產(chǎn)生作用第32頁,共41頁，2024年2月25日，星期天造紙廢水處理廢水漂白過程中會產(chǎn)生黑褐色廢水，且含有有毒和致突變的氯化物辣根過氧化物酶和木質(zhì)素過氧化物酶均可用于造紙廢水脫色造紙制漿和脫墨操作中產(chǎn)生的污染，含有大量的纖維素，可由纖維素酶、纖維二糖水合酶、β-葡萄糖酶等組成的混合酶系脫除并產(chǎn)生乙醇等有用能源物質(zhì)第33頁,共41頁，2024年2月25日，星期天含氰（腈）廢水處理氰化物是新陳代謝抑制劑，具有致命危害氰化物酶能夠把氰化物轉(zhuǎn)化成氨和甲酸鹽，一步反應(yīng)硫氰化物可以通過常規(guī)廢水處理工藝得到處理，但降解機(jī)理尚不完全清楚含腈廢水可以通過腈化物水解酶、腈化物水合酶和酰胺酶去除硫氰化物水解酶的可能作用機(jī)理第34頁,共41頁，2024年2月25日，星期天食品加工廢水處理易于分解或轉(zhuǎn)化為飼料等經(jīng)濟(jì)價值產(chǎn)品蛋白酶：水解酶，可水解蛋白質(zhì)得到營養(yǎng)飼料，在魚肉加工工業(yè)廢水中得以廣泛應(yīng)用淀粉酶：多糖水解酶，將多糖轉(zhuǎn)變?yōu)閱翁?，可用于發(fā)酵產(chǎn)酒精等，可用于大米加工等含淀粉廢水處理；淀粉酶和葡萄糖酶還可用于光降解和生物降解塑料的生產(chǎn)脂酶：用于脂類物質(zhì)（三酰甘油酯）的轉(zhuǎn)化，可用于水/有機(jī)兩相反應(yīng)，可用于被污染環(huán)境的生物修復(fù)及廢物處理，如石油泄漏、餐飲廢物等第35頁,共41頁，2024年2月25日，星期天廢水酶處理的注意事項(xiàng)酶處理或預(yù)處理過程應(yīng)使其下一流程中污染物更易于去除，而且不能產(chǎn)生有毒物質(zhì)產(chǎn)生的沉淀物要妥善處理，燃燒處理時要控制有害氣體的產(chǎn)生高濃度污染物不適合采用酶法處理，低濃高毒的較適宜由于其價格較高，必須考慮酶的費(fèi)用

第36頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.4酶在土壤修復(fù)中的應(yīng)用生物修復(fù)主要利用微生物、植物以及微生物-植物的聯(lián)合作用，特別是其強(qiáng)大的酶系統(tǒng)催化功能，改變有機(jī)污染物的結(jié)構(gòu)和毒性，或者使它們完全礦化，形成無害的無機(jī)終端產(chǎn)物生物修