環境領域中固定化酶的應用

摘要近些年來，固定化酶技術以其操作簡單、無二次污染和對底物特異性高等優點在環境領域的應用受到越來越多的關注。在此綜述了固定化酶在環境領域中的眾多應用，如高濃度有機廢水和低濃度含農藥廢水處理、污染土壤修復及環境監測等方面。

關鍵詞固定化酶；環境領域；污水處理；環境監測；清潔生產

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07171-04

Applications of the Immobilized Enzyme in Environmental Fields

LIU Xiuhong， CHANG Yanhong et al （Department of Environmental Science and Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083）

AbstractIn recent years， more and more attention is paid to the immobilized enzyme technology and its applications in environmental fields since it has advantages of simple operation， no secondary pollution， the high substrate specificity， etc. In this article， many applications of immobilized enzyme such as treatment of highconcentration organic wastewater and lowconcentration wastewater containing pesticides， soil remediation and environmental monitoring， were reviewed.

Key words Immobilized enzyme； Environmental fields； Sewage treatment； Environmental monitoring； Cleaner production

固定化酶技術是一種通過物理或化學手段，將游離酶定位于限定的空間區域內，并使其保持活性及可反復使用的技術手段，其在食品工業、醫藥和環境分析等領域中有廣泛的應用。因固定化酶具有較好的穩定性、專一性高、反應條件溫和、無污染、操作簡便及綠色環保等特性[1]，在環境領域中有很好的應用前景。

隨著環境污染日益嚴重，人們迫切需要開發出一種高效、快速、能連續處理污染物且無二次污染的技術。而利用固定化酶技術來治理環境則在這些方面顯示出巨大的優越性，不僅因其是一種在其他領域已經被證明為高效的新技術，且相比很多在環境治理中使用的常規化學處理方法，固定化酶的使用可以防止產生新的污染。經過多年的發展，固定化酶技術在有毒有害的有機廢水處理、環境監測和清潔生產等環境領域得到了廣泛的關注和應用[2]。在此，筆者綜述了固定化酶在環境領域中的眾多應用。

1固定化酶技術的研究和發展

為了克服游離酶的不穩定、易失活、不易分離等缺點，固定化酶技術在20世紀60年代發展起來的，且得到了非常快速的發展。在1971年第一屆國際酶工程會議上，正式提出固定化酶（immobilized enzyme）的名稱。目前，固定化酶已經受到許多學者的關注，無論在理論方面還是在應用研究方面均取得了眾多令人矚目的成果。

2 酶固定化的方法

傳統的制備固定化酶的方法主要有吸附法、交聯法、共價結合法和包埋法4種。最早出現的酶固定化方法為吸附法，而共價結合法卻是目前研究較多的一種固定化方法。隨著人們對固定化酶的研究，開發出許多新型的固定化方法及性能優良的新型或改性的固定化載體，如新型介孔二氧化硅載體、納米材料載體及復合修飾后的納米材料載體等[3-5]。

3固定化酶技術在環境領域的應用

3.1在污水處理中的應用高濃度有機廢水的處理方法分為物理化學法與生物法。由于物理化學法較生物法具有處理難度大、成本高且用到的藥劑可能會對環境造成二次污染等缺陷，生物法在高濃度有機廢水處理中的應用日益增加。而作為生物法中重要組成部分固定化酶技術以其顯著的優勢成為廢水處理方法研究領域的熱點。相較傳統的污水處理方法，固定化酶技術具有以下優點：①可以有效去除用其他方法難以去除的有機物質及其毒性；②反應速度快，酶比一般的化學催化劑催化效率高，能顯著地縮短處理時間且達到較好的去除效果；③污水處理的整個過程操作簡單易控制等。此外，某些有機化合物稱為微污染物，以很低的濃度存在于水中，以致于已經建立的很多方法均無法將其去除。這些微污染物中一些已知或被懷疑是內分泌干擾化學物質（EDCs），破壞生物的內分泌系統[6-7]。在過去的幾十年里，微污染物的去除已經成為發展中國家的主要環境問題之一。由于酶具有較好的專一性和對底物特異性高，在處理廢水中這些低濃度微污染物方面具有突出的優勢，如廢水中的低濃度難降解農藥成分。

污水處理中常用到的酶有辣根過氧化物酶、漆酶以及酪氨酸酶等。固定化辣根過氧化物酶對含酚類和苯胺類化合物的廢水具有良好的催化氧化作用，且辣根過氧化物酶具有價格便宜、易制備、比活性高及能適應較寬的污染物濃度、溫度和pH等優點，因而在含酚廢水處理過程中倍受青睞。鮑騰等將辣根過氧化物酶固定在由凹凸棒石粘土、可溶性淀粉及工業水玻璃為原材料制備的凹凸棒石粘土基顆粒上，并將該固定化酶應用于含苯酚的廢水處理中，一定條件下循環使用6次后，苯酚的處理效果仍可達62.3%；其降解污水中的五氯酚（PCP），取得較好的催化效果[8]。王翠等利用聚乙烯亞胺誘導生成的納米氧化硅來固定辣根過氧化物酶來降解處理含苯酚廢水，去除率可達73.1%[9]。

固定化漆酶作為一種高效綠色的催化劑，即延長了漆酶的使用壽命，提高了酶的穩定性和耐受性，降低了處理成本，使其在造紙廢水、含有毒的酚類廢水及農藥廢水等方面較傳統的物理化學方法有很大的優勢，因而具有廣闊的應用前景。漆酶可以在溫和的條件下有選擇性地催化降解木質素而不產生其他有毒物質，同時可用于漂白廢水中的有機氯、COD、BOD及色度的去除，因而在降解造紙廢水方面有巨大的應用前景。趙鑫銳等以尼龍網為載體和戊二醛作為交聯劑，固定化真菌漆酶并應用于反應器中降解低濃度造紙廢水，當廢水COD 的濃度控制在3 000 mg/L 左右，降解26 h后COD 去除率可達35%[10]。Liu 等將漆酶固定在雙峰碳基介孔磁性復合材料上，該固定化漆酶在1 h內可以去除78%的苯酚和84%的對氯苯酚[11]。Nair等將漆酶固定在介孔二氧化硅球上，研究發現該固定化酶對雙酚A（BPA）、雙氯芬酸（DF）和甾體類激素等微污染物有較好的降解效果[12]。尤其等以戊二醛為交聯劑，將真菌漆酶固定在殼聚糖載體上，并用該固定化酶降解微量農藥氯苯嘧啶醇，結果表明固定化漆酶在酸性條件下對氯苯嘧啶醇降解率可達30%，且載體也對農藥中的氯苯嘧啶醇具有一定的吸附作用[13]。酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）廣泛存在于哺乳運動、植物和微生物體內。酪氨酸酶可以催化單酚化合物經一系列轉化為醌類化合物，最終自身聚合或與其他物質聚合形成不溶于水的大分子物質而沉淀。利用海藻酸鈉/二氧化硅（ALG/SiO2）雜化凝膠固定化酪氨酸酶（ALG/SiO2-TYR）對苯酚的去除率達89.5%。反應后固定化酪氨酸酶可以很方便地從體系中取出，用水沖淋，直接進行下一批次反應，重復多次使用后酶的活性降低較小，進而降低處理成本，這就為固定化酪氨酸酶在處理含酚廢水方面應用奠定堅實的基礎[14-15]。

隨著對固定化酶技術的深入研究，許多其他種類的固定化酶及固定化方法在廢水處理中受到越來越多的關注。張慶慶等以聚丙烯負載二氧化鈦膜為載體固定農藥降解酶，并用其降解農藥甲基對硫磷，研究發現甲基對硫磷在30 min內降解了70%以上[16]。以海藻酸鈉為載體固定化黑曲霉J6 有機磷農藥降解酶，能夠有效地去除污水中的有機磷農藥[17]。聚乙烯醇-海藻酸鈉（PVASA）直接固定含一些胞外氧化酶（如錳過氧化氫酶及木質素過氧化氫酶）的白腐菌培養液，該共固定化酶能夠有效地去除造紙廢水的COD且可用于有色廢水脫色，這種方法不僅不需要進行酶的分離提純，且在多種不同特點的酶的協同作用下，減少反應時間和步驟，實現連續生產，提高處理效果[18]。

42卷21期劉秀紅等環境領域中固定化酶的應用3.5在污染土壤修復中的應用固定化酶應用于污染土壤修復也受到廣泛的關注。以可生物降解的高分子外消旋聚乳酸（PDLLA）為原料，采用乳液電紡技術將漆酶包埋固定在納米纖維中，可去除土壤中的持久性有機污染物多環芳烴（PAHs）菲、熒蒽、苯并[a]蒽和苯并[a]芘[38]。以海藻酸鈉和聚陰離子纖維素為載體，對阿特拉津降解酶進行固定化并用該固定化酶對阿特拉津污染土壤進行修復，研究結果表明具有較好的修復效果[39]。

3.6在合成生物柴油方面的應用生物柴油作為一種綠色環保、可再生并可替代化石柴油的新能源， 在石油能源替代戰略和城市空氣污染治理中具有十分重要的地位。酶法生產生物柴油較目前工業生產所采用的化學法具有很多優勢，如條件溫和、對原料要求低、產物易分離、無污染物排放等，因而日益受到人們的青睞[40-42]。Li等以大孔樹脂和陰離子交換樹脂固定化脂肪酶，并用其催化黃連木黃連籽油轉化為脂肪酸甲酯（即生物柴油），生物柴油的最高產率可以達94%[43]。固定化脂肪酶Candida sp. 99125可以用于高酸值油和脂肪酸的催化轉化為生物柴油[44-45]。Li等使用固定化擴展青霉脂肪酶將游離脂肪酸含量較高的廢油脂催化轉化為甲基酯，當反應進行7 h時，轉化率可達92.8%[46]。自然界的眾多微生物提供了多種多樣的脂肪酶及其他可催化制備生物柴油的酶[47-48]，這就為開發高效、穩定和綠色環保的固定化酶合成生物柴油的工藝打下堅實的基礎，進而推動生物柴油代替環境污染嚴重的化石燃料的進程。

3.7 其他應用李淑展等在城市污水廠的脫水污泥中加入高嶺土和土壤固化酶，制得垃圾填埋場的防滲材料，抗滲試驗結果表明，添加土壤固化酶能夠顯著改善抗滲透性能[49]。現有的剩余污泥處理技術處理周期長且成本高，因此開發高效、經濟的污泥處理方法已成為亟待解決的問題。應用不同的溶菌酶溶解污泥，不僅可以提高消化效率且可以大大減少剩余污泥的量，因而固定化溶菌酶以其特有的性質在環境領域中極具應用潛力[50-51]。固定化酶技術還應用于污水生物處理工藝。于宏兵等開發了一套新型兩相厭氧處理系統，其酸化相是采用大孔樹脂固定化酶作生物載體的水解酸化反應器，產甲烷相則是接種了經長期馴化培養的高溫厭氧污泥，該反應器對黃漿廢水有良好的處理效果[52]。

4 固定化酶技術在環境領域應用的展望

近年來對固定化酶技術的研究非常活躍，發展較快，其應用前景不可估量。其主要優勢為：①固定化酶因具有種類多樣性和對底物的特異性，可應用于其他方法難以去除的有毒物質及微量的污染物的去除；②固定化酶反應快速、高效、靈敏且具有專一性，可廣泛地應用于環境監測或傳感器等方面；③固定化酶易于與底物分離，獲得高純度生成物，簡化了提純工藝，減少反應過程中有毒有害試劑的使用；④固定化酶技術使酶可回收重復使用，可有效地降低成本；⑤酶的催化反應過程更易控制且無二次污染；⑥固定化酶具有一定的機械強度，可以用攪拌方式應用于反應器中，使反應過程能夠高效連續地進行。

在眾多學者的關注下，一些新的固定化方法不斷地被開發采用。為了處理某些含復雜難降解污染物的廢水，向生物反應器中投加一定量的特種微生物的生物強化技術成為有效手段。將生物強化技術有效地結合傳統的生物修復方法和分析化學提供的新方法進行監測、評價，已經逐漸成為污染土壤、地下水等生物修復發展的一種趨勢。將不同特點來源的酶共同固定化或將酶和細胞進行共同固定化，充分利用協同作用，發揮各自優勢，提高其催化效率。能夠縮短反應時間簡化操作步驟，實現連續生產。隨著固定化技術應用范圍越來越廣，有待開發研究的內容仍然很多，如固定化技術進行創新、開發合成性能優良的新型固定化載體、固定化載體對酶活性、傳質阻力的影響研究以及固定化酶半衰期的延長和成本的降低等方面。 在人類面臨資源短缺、環境污染日益嚴重的情況下，加大固定化酶技術的研究與開發力度，充分利用固定化酶技術的優點并結合其他技術，開發高效能、低消耗、低成本、簡單、安全、自動、無污染及廢物綜合利用工藝具有深遠的意義。

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