酶制劑在水環(huán)境保護(hù)方面的研究進(jìn)展

趙春紅,王 娟

(高密市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,山東 高密 261500)

隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，水環(huán)境與水生態(tài)問題日益突出，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生一定程度的影響和制約，水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度，水質(zhì)監(jiān)測(cè)、污水處理、污泥減量化等方面已成為水環(huán)境生態(tài)保護(hù)的重要研究領(lǐng)域。近年來，隨著酶制劑的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速， 在水環(huán)境保護(hù)方面也并取得了一定進(jìn)展。

1 酶的特性

酶又稱生物催化劑，是生物體細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的一種特殊蛋白質(zhì),具有高度的催化能力和專一性,能促進(jìn)各種化學(xué)反應(yīng)，其催化效率在常溫常壓下要遠(yuǎn)高于一般催化劑。酶催化反應(yīng)的條件溫和,不需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等劇烈條件，在接近生物存在條件的pH值和溫度下就能發(fā)揮最大的催化作用；酶的催化作用專一性高,且其反應(yīng)產(chǎn)物沒有毒性,安全程度高。

酶的種類較多,目前已知有1300多種。根據(jù)其作用的性質(zhì),一般分成水解酶、裂合酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、異構(gòu)酶、成酶六大類,這些酶的存在,既保證了各種生命活動(dòng)的完成,又為人類在生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用提供了廣闊的天地[1]。

2 作用機(jī)理

酶的催化機(jī)理和一般化學(xué)催化劑基本相同,也是先和反應(yīng)物(酶的底物)結(jié)合成絡(luò)合物,通過降低反應(yīng)的活化能來提高化學(xué)反應(yīng)，酶催化反應(yīng)經(jīng)過一個(gè)或幾個(gè)過渡態(tài),使反應(yīng)活化能大大降低,從而成就了酶催化的高效性(圖1)[2]。

圖1 酶催化的高效性

圖1酶參與反應(yīng)后改變了原來的反應(yīng)途徑，致使反應(yīng)活化能降低，從而使反應(yīng)速度加快。

3 酶的分離純化和固定化

酶分離純化的目的在于獲得一定量不含或含少量雜質(zhì)的酶制品或者提純結(jié)晶,以利于科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用,屬于生物技術(shù)的下游工程,包括粗制工藝和精制工藝。酶的分離純化研究進(jìn)展迅速,迄今為止,科學(xué)家們已制成了300多種純凈酶。酶的固定化是指用物理或化學(xué)手段,把酶束縛在一定的區(qū)域內(nèi),使其在一定的范圍內(nèi)起催化作用。固定化酶既具有酶的催化特性,又具有一般化學(xué)催化劑能回收、反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn),并且生產(chǎn)工藝可以連續(xù)化、自動(dòng)化，采用這種技術(shù)不僅能改善酶的特性,還能創(chuàng)造適應(yīng)特殊要求的新酶[3]。

4 酶在水環(huán)境保護(hù)方面的研究進(jìn)展

4.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)為水環(huán)境管理、污染源控制等提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)整個(gè)水環(huán)境保護(hù)、水污染控制及維護(hù)水環(huán)境健康起著至關(guān)重要的作用。近年來，酶生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中已取得了一定成果。酶?jìng)鞲衅饔捎谄錅?zhǔn)確、靈敏、快速的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，常用于水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中農(nóng)藥、硝酸鹽、酚類物質(zhì)、重金屬離子等的檢測(cè)。

國外在酶?jìng)鞲衅鞣矫娴难芯枯^多。Sergei V.Dzyadevych等[4]通過一種基于固定化膽堿酯酶的電位滴定和電導(dǎo)生物傳感器，對(duì)部分有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)(甲基對(duì)苯二甲酸甲酯，甲基對(duì)氧磷，乙基對(duì)氧磷，三氯甲苯，二異丙基fluorophosphates，氨基甲酸酯農(nóng)藥等)，表明其靈敏度較傳統(tǒng)分析技術(shù)更適合快速的環(huán)境監(jiān)測(cè)控制。Caballero-Díaz E等[5]采用氮摻雜的石墨烯量子點(diǎn)(N-GQDs)和乙酰膽堿酯酶(AChE)酶作為生物識(shí)別元素，測(cè)定河流水中的苯氧威農(nóng)藥。研究表明，在溶液中加入酶系統(tǒng)可以成功測(cè)定水樣中農(nóng)藥的含量，快速簡(jiǎn)單。Tsuyoshi Minami等[6]采用一種基于擴(kuò)展門式的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)酶?jìng)鞲衅鲗?duì)水中硝酸鹽進(jìn)行測(cè)定，靈敏度可以與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相媲美，為低成本現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水介質(zhì)中的硝酸鹽開啟了一種新方法。V.Sethuraman等[7]基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-還原氧化石墨烯-三氧化二鐵-多酚氧化酶(PEDOT-rGO-Fe2O3-PPO)復(fù)合改性玻碳電極，采用差示脈沖伏安法(DPV)法測(cè)定水中鄰苯二酚，鄰苯二酚檢測(cè)線性范圍為4×10-8～6.20×10-5M，檢測(cè)限為7×10-7M，且該酶生物傳感器在4℃的一定濃度的緩沖液中保存時(shí)間較長(zhǎng)(至少75天)。Basant Elsebai[8]研究了一種新型的過氧化氫酶抑制生物傳感器用于間接測(cè)定有毒汞離子，并對(duì)其他重金屬離子和有機(jī)農(nóng)藥的干擾進(jìn)行了分析，表明該傳感器對(duì)Hg2+的測(cè)定效果較好，且可應(yīng)用于不同類型水樣中汞離子的測(cè)定。

國內(nèi)在酶?jìng)鞲衅饔糜谒h(huán)境監(jiān)測(cè)方面也有研究。周易勇[9]早在1999年就闡述過由于酶活性的變化往往先于細(xì)胞數(shù)目的變化,故酶學(xué)監(jiān)測(cè)方法更為簡(jiǎn)便和靈敏，可望成為特殊層次上的包含綜合信息且具有獨(dú)特含義的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。鄭藝華[10]介紹了量熱式酶生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)及實(shí)際試樣中的優(yōu)勢(shì),并展望了量熱式酶生物傳感器在農(nóng)藥殘留和重金屬等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。劉佳等[11]介紹了電化學(xué)酶?jìng)鞲衅髦苽溥^程中的酶固定化方法，以及電化學(xué)酶?jìng)鞲衅髟诒O(jiān)測(cè)環(huán)境中廣泛存在的有機(jī)污染物、無機(jī)污染物和重金屬等方面的應(yīng)用。劉信勇[12]對(duì)固定底物酶底物法與多管發(fā)酵法用于醫(yī)療廢水中糞大腸菌群(耐熱大腸菌群)檢測(cè)結(jié)果的一致性進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩種方法檢測(cè)結(jié)果具有一致性,表明固定底物酶底物法可以用作評(píng)價(jià)醫(yī)療廢水微生物污染的參考方法。近年來，酶免疫檢測(cè)(EIA)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中運(yùn)用的范圍不斷擴(kuò)大[13],該技術(shù)根據(jù)抗原抗體反應(yīng)具有高度的特異性,將酶標(biāo)記物的抗體作為標(biāo)準(zhǔn)試劑來鑒定未知的抗原。

4.2 水處理

酶應(yīng)用于廢水處理方面的研究較早，不同的酶可以應(yīng)用于處理各種不同成分的廢水。M.S.Ibrahim等[14]對(duì)酶催化煉油廢水脫酚進(jìn)行了研究。該方法中過氧化酶通過過氧化氫催化苯酚氧化物生成酚氧自由基，這些自由基通過酶的活性中心擴(kuò)散到溶液中，和未被酶催化的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，最終形成較高的低聚物和聚合物，研究發(fā)現(xiàn)95%～99%苯酚都可以用過氧化物酶除掉。L Masse等[15]研究了活性污泥系統(tǒng)中加入酶對(duì)乳制品廢水處理中沖擊脂肪負(fù)荷影響，得出在反應(yīng)器加入粗固體酶制劑，能使測(cè)試生物反應(yīng)器270天內(nèi)高效的去除COD。Lopez-Molina等[16]對(duì)酶法去除洋薊水溶液提取物中的酚類化合物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)提取物中兩種酶和過氧化氫是去除氧化單酚、氯酚最有效的方式，說明這些酶中過氧化物酶起主要作用。Sangave,Pc等[17]利用超聲和輔助酶生物降解釀酒廠廢水。與單獨(dú)有氧氧化相比，超聲酶預(yù)處理(US+E+AO)取得了較好的COD去除率。Sohel Dalal等[18]通過生物親和性分層法固定山葵過氧化酶處理含酚廢水。Efremenko,E等[19]對(duì)含多酶活性的新生物催化劑處理多種食品廢水進(jìn)行了研究，模擬的不同食品企業(yè)的5類廢水，利用固定化生物催化劑處理后，每個(gè)工作周期被測(cè)介質(zhì)的COD減少68%～79%。Fernanda R C Damasceno等[20]研究表明，胰脂肪酶250可以顯著減少屠宰廢水中豬肉脂肪顆粒大小，隨著酶濃度增加，顆粒減少的也增加。

胡雪蓮等[21]采用生物酶改良劑+SBR反應(yīng)器處理醫(yī)院污水,加入生物酶原液50000mg/L，經(jīng)處理后COD去除率達(dá)90%以上。王方圓等[22]對(duì)果膠酶強(qiáng)化處理柑橘罐頭生產(chǎn)廢水進(jìn)行研究，開展了相關(guān)試驗(yàn)并了一定成效。郭洪英等[23]利用一種新型生物酶處理生活污水，并對(duì)其中的氨氮、COD及pH值的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，得出氨氮去除效率達(dá)95.0%以上，COD去除率達(dá)89.0%以上，pH值≈7.0，大大提高了處理速度和處理效果，降低了污水處理的投資成本和運(yùn)行成本。齊愛玖等[24]研究了生物酶催化技術(shù)在卡拉膠廢水處理中的應(yīng)用，通過在生化系統(tǒng)建立酶體系，利用生物酶催化作用，提高廢水中難降解有機(jī)物的可生化性與可處理性，從而使出水達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。趙美麗[25]對(duì)白腐菌產(chǎn)漆酶及其對(duì)印染污水處理的研究，并對(duì)白腐菌產(chǎn)漆酶如何脫色及降解染料進(jìn)行了分析。李興峰等[26]介紹了一種采用由微生物及酶制劑組成的生物酶水質(zhì)穩(wěn)定劑對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行處理的技術(shù)。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中投加一定量的生物酶水質(zhì)穩(wěn)定劑，通過生物酶及微生物的作用，能起到除垢、防銹、降低有機(jī)物含量、抑制菌藻生長(zhǎng)等作用，表明酶制劑可用于循環(huán)水處理工藝。姜澎濤[27]探究了固化酶(固化果膠酶,固化木聚糖酶,固化脂肪酶)處理造紙白水的效果。當(dāng)該三種固化酶質(zhì)量比為3∶1∶2時(shí)，DCS水樣的pH值下降了21.8%,電導(dǎo)率上升了17.5%,陽離子需求量下降了72.8%,COD下降了13.2%，表明復(fù)配固化酶能有效的分解果膠質(zhì)類物質(zhì)、脂肪酸和酯類等DCS成分，從而可有效提高造紙過程水循環(huán)的次數(shù)和效率。

4.3 污泥減量技術(shù)

隨著城市廢水處理量的增加,污泥減量技術(shù)逐漸成為國際學(xué)術(shù)界共同關(guān)心的熱點(diǎn)領(lǐng)域，剩余污泥的處理在污水處理中占用較高的費(fèi)用。污泥減量技術(shù)方法有很多，其中外加酶水解污泥技術(shù)不但可以縮短消化時(shí)間,改善污泥消化性能,而且經(jīng)濟(jì)高效,易控制,其產(chǎn)物對(duì)環(huán)境也無污染副作用，還可以實(shí)現(xiàn)廢水的高效生物降解和沼氣產(chǎn)能的增加,應(yīng)用前景良好。因此，國內(nèi)外酶污泥減量方面的研究較多。

早在2001年，N Parmar[28]就研究了微生物酶對(duì)減少污泥中可處理固體含量的影響,按等重量比例混合的工業(yè)纖維素酶、蛋白酶和脂肪酶混合，能減少30%～50%的總懸浮固體(TSS)并提高固體的沉降性。brahim Gar Al-Alm Rashed[29]研究了不同城市污水處理廠污泥(一級(jí)、二級(jí)、消化)混合污泥的酶預(yù)處理效果。實(shí)驗(yàn)采用6種商業(yè)可用的酶，結(jié)果表明，25%的消化污泥和0.1%劑量的Viscosyme酶能非常有效的減少污泥量，較空白高16.3%；在另一組試驗(yàn)中,25%的消化污泥和0.5%劑量的酶(Termamyl)減少污泥量較空白提高了13.5%，這說明酶預(yù)處理可以作為城市污水處理廠污泥混合料的預(yù)處理步驟。

梁艷[30]對(duì)污泥投加酒曲酶解溶出有機(jī)物的可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明投加酒曲酶能強(qiáng)化污泥的水解酸化,明顯有利于SCOD的生成。羅琨[31]等通過在污泥中外加酶促進(jìn)污泥中懸浮固體的溶解和大分子有機(jī)物的降解。研究表明，復(fù)合酶的水解效果比單一酶效果好,當(dāng)水解溫度為50℃,蛋白酶：淀粉酶=1∶3時(shí),水解效果最佳,VSS去除率達(dá)68.4%。Kun Luo等[32]通過加入鈣離子對(duì)酶增強(qiáng)厭氧消化污泥脫水率影響進(jìn)行了研究，表明通過添加CaCl2可以提高酶促厭氧消化污泥的脫水能力。田大江[33]等研究了污泥齡和投加酶制劑對(duì)剩余污泥產(chǎn)量的影響,得出投加酶制劑能提高污泥減量、提高系統(tǒng)出水水質(zhì)是一種較理想的污泥減量方法。周海濱等[34]在污水處理系統(tǒng)中加入固定化生物催化劑(IBC)來實(shí)現(xiàn)污泥源頭減量。實(shí)驗(yàn)表明，IBC投加到污水處理系統(tǒng)中，能優(yōu)化原系統(tǒng)微生物菌落構(gòu)成，促進(jìn)污水處理系統(tǒng)中有機(jī)物的快速降解，使其轉(zhuǎn)化為CO2、N2、H2O等無害物質(zhì)，從源頭實(shí)現(xiàn)減少污泥產(chǎn)生量，通過污水廠連續(xù)進(jìn)行106天試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加藥池比對(duì)照池減產(chǎn)污泥21.04%，且加藥池污泥沉降性能得到了明顯改善。周來豐[35]對(duì)金屬鐵卟啉作為細(xì)胞色素P450單加氧酶的仿生酶強(qiáng)化污泥厭氧水解，實(shí)現(xiàn)污泥減量化，并探討了固定化仿生酶的投加量、反應(yīng)溫度和水解時(shí)間對(duì)剩余污泥厭氧水解的影響。結(jié)果表明強(qiáng)化污泥厭氧水解的最優(yōu)化條件為：投加量仿生酶100mg、反應(yīng)溫度50℃、水解時(shí)間7h；該優(yōu)化條件SCOD/TCOD和VSS去除率分別從空白組中的13.2%和17.0%增加到了25.7%和35.3%。陳禮洪[34]等采用仿生態(tài)復(fù)合酶制劑在某污水處理廠進(jìn)行剩余污泥減量試驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在常規(guī)活性污泥法且運(yùn)行操作相同條件下，酶制劑投加量為處理水量0.01%和0.02%條件下，剩余污泥減量較未投加酶制劑的分別達(dá)到了38.4%、56.7%,并且提高了對(duì)TN、TP的去除效果。同濟(jì)大學(xué)Boran Wu[37]對(duì)復(fù)合水解酶增強(qiáng)廢活性污泥脫水效果進(jìn)行了研究，并對(duì)酶促反應(yīng)過程中疏水(HPO)、跨界和親水(HPI)組分的遷移和轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，酶解脫水的主要機(jī)制是酶解能促進(jìn)親水組分從緊密結(jié)合性聚合物轉(zhuǎn)化為松散型聚合物。宋勇[38]對(duì)水解酶對(duì)活性污泥系統(tǒng)的污泥減量進(jìn)行研究，表明在溶連續(xù)運(yùn)行活性污泥系統(tǒng)中現(xiàn),溶菌酶添加系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的污泥減量效果達(dá)37.33%，在系統(tǒng)處理效能方面,溶菌酶投加系統(tǒng)降解COD類、氮類有機(jī)污染物更有利于長(zhǎng)期運(yùn)行，且溶菌酶作用下的活性污泥系統(tǒng)中的生物群落與微生物種類與對(duì)比系統(tǒng)相比沒有明顯區(qū)別。張宇[39]利用檸檬酸結(jié)合酶制劑(蛋白酶、纖維素和脂肪酶單獨(dú)或等比例混合)對(duì)活性污泥增溶及減量效果進(jìn)行了研究,搖瓶實(shí)驗(yàn)表明檸檬酸處理能使污泥增溶約30%;復(fù)合酶制劑能夠使污泥濃度減小約33.6%；小試裝置中投加檸檬酸和復(fù)合酶制劑協(xié)同處理表明，污泥沉淀性及污泥濃度分別降低24.3%和26.6%,且COD去除效率并未發(fā)生明顯降低。趙宇翔[40]對(duì)利用延長(zhǎng)生物池泥齡和投加酶制劑兩種方法對(duì)污水處理廠污泥減量技術(shù)應(yīng)用展開分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。徐友等[41]從酶對(duì)污泥的作用機(jī)理、影響因素、處理效果等方面對(duì)國內(nèi)外污泥的酶處理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

5 結(jié)語

酶是具有高度的催化能力和專一性生物催化劑，酶?jìng)鞲衅骷懊嘎?lián)免疫監(jiān)測(cè)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。酶可以用來處理各種行業(yè)廢水，包括含酚廢水、食品、屠宰、釀造、印染廢水及生活污水等，在污水處理廠污泥減量方面也有較為廣泛的應(yīng)用。目前，由于技術(shù)及成本原因，我國酶制劑的研制及應(yīng)用較少，但隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高和國家對(duì)環(huán)保要求的越來越高，酶制劑必將廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的各方面，高效專一、成本低廉的酶制劑將是將來的研發(fā)重點(diǎn)。