木聚糖酶修復景觀水作用條件的研究

鄭巧霞，問清江，慕 娟，孫曉宇，丁 浩

(陜西省微生物研究所，陜西 西安 710043)

景觀水體易受污染、流動性差且自凈能力弱，許多城市景觀水體出現了不同程度的污染，嚴重影響了周圍的自然環境和居民的生活環境，且隨著城市化、工業化的快速發展，水資源短缺和水污染矛盾日益突出，治理乃至修復景觀污水刻不容緩[1]。

經過長期摸索研究實踐，人類對抗水污染的技術日益發達成熟。生物技術已成為處理污水的重要手段，其中微生物技術，包括活性污泥技術、生物膜技術等的不斷發展和成熟，成為污水處理工藝中不可或缺的環節[2，3]。然而生物手段有其固有的天然缺陷，如處理時間過長，占地面積過大，受環境氣候等的影響較大等，致使現有的水處理速度仍然不能滿足社會發展和人民生活需求。由于生物酶具有反應快，底物專一性強，條件更易于控制等特點，研究人員嘗試將生物酶制劑引入到污水處理工序中，較好地彌補了直接使用生物法處理污水工藝的不足，具有很好的應用前景[4]。

景觀水污染大部分來源于水體本身不斷衍生生物群落積累而成的有機物和藻類大量爆發[5]，這些植物性成分中含有大量木聚糖。木聚糖是一種存在于植物細胞壁中的異質多糖，約占植物次生細胞壁干重的15%～40%，是植物半纖維素的主要成分，是一種復雜的多聚五碳糖，在自然條件下很難降解[6，7]。木聚糖酶是指能夠降解半纖維素木聚糖的一組酶的總稱，能有效地將半纖維素降解為低聚木糖和木糖,是自然界循環的重要酶類。木聚糖酶在食品[8]、制漿造紙[9]、飼料[10]，紡織[11]等行業都取得了顯著的應用效果，目前尚無木聚糖酶在景觀水修復中的應用相關報道。利用木聚糖酶能有效地降解碳鏈大分子、疏松有機物基團、甚至能破壞部分細胞壁，釋放其中的營養物質的這一特性，筆者研究擬通過對木聚糖酶在景觀污水處理過程中的使用方法、酶的作用環境條件、酶作用的效果評價體系的建立等方面的研究，實現景觀污水的快速處理及重復利用，緩解水資源匱乏造成的壓力，提高現有的生物技術處理景觀污水的效率，改善生存生活環境，提高社會經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木聚糖酶為陜西省微生物研究所自制，樺木木聚糖 Sigma，3, 5-二硝基水楊酸 (DNS) (化學純)，硫酸銀(化學純)，重鉻酸鉀(工作基準試劑)，濃硫酸(優級純)，其余試劑均為分析純；電子天平、pH計、722分光光度計、消解儀、水浴鍋、移液管、酸式滴定管等。

1.2 景觀污水模型的建立

取適量自然泥沙、麥草、枯枝殘葉置于10 L玻璃缸中，充滿蒸餾水，接種適量景觀水，以鉆孔塑料膜覆蓋，室溫培養45 d左右，水樣變黃綠色且略微發臭即可使用。

1.3 木聚糖酶酶活的測定[12]

酶活力單位定義：在一定條件下，每分鐘釋放1 μmol還原糖(以木糖計)所需要的酶量定義為一個酶活力單位。

酶活計算公式：

E={[(Ae-Ao)+0.0945]/1.61}×Df×1 000/(Wm×t×v)

E-酶活(IU·g-1)；Ae-酶液反應吸光值；Ao-空白組吸光值；Df-樣品酶液稀釋倍數；Wm-木糖分子量；t-反應時間(min)；v-參加反應的酶液體積(mL)。

1.4 pH對木聚糖酶去除景觀水化學需氧量(COD)的影響

準確稱取0.1 g初始酶活為22 774 IU·g-1的木聚糖酶粉末，加適量蒸餾水磁力攪拌溶解1.5 h，以蒸餾水定容至100 mL(22.8 IU·mL-1)備用。取適量景觀水，以單層紗布濾除大塊漂浮物，量取200 mL過濾后水樣備用。加入17.5 μL酶活為22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，分別用1 mol·L-1硫酸和1 mol·L-1氫氧化鈉調節水樣pH至5、6、7、8、9，混勻。將樣品置于55℃水浴鍋中保溫11 h，測定不同pH下水樣COD的變化情況，以酶修復前水樣與修復后水樣的COD之差作為水樣COD降低量。

1.5 作用時間對木聚糖酶去除景觀水COD的影響

量取400 mL過濾后水樣備用。加入52.6 μL酶活為22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，混勻。用移液管量取混勻后水樣，緩慢滴加硫酸銀-硫酸阻止酶繼續作用，后加入重鉻酸鉀消解，測定酶修復0 h水樣COD。取完酶修復前水樣后將樣品置于55℃水浴鍋中保溫，分別量取水浴鍋保溫1～21 h的水樣測定酶修復不同時長水樣的COD，以酶修復0 h水樣與修復不同時間水樣的COD之差作為水樣COD降低量。

1.6 酶濃度對木聚糖酶去除景觀水COD的影響

取1 mL酶活為22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，以蒸餾水稀釋5倍備用。于200 mL紗布過濾后的水樣分別加入43.9 μL酶活為4.56 IU·mL-1的木聚糖酶以及17.5 μL、26.3 μL、35.1 μL、43.9 μL酶活為22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，混勻，使作用濃度分別為1 IU·L-1、2 IU·L-1、3 IU·L-1、4 IU·L-1、5 IU·L-1。將樣品置于55℃水浴鍋中保溫13 h，測定不同酶濃度下水樣COD的變化，以酶修復前水樣與修復后水樣的COD之差作為水樣COD降低量。

1.7 溫度對木聚糖酶去除景觀水COD的影響

量取200 mL紗布過濾后水樣，加入26.3 μL酶活為22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，混勻。分別將樣品置于45℃、50℃、55℃、60℃、65℃水浴鍋中保溫11 h，測定不同溫度下水樣COD的變化。

1.8 木聚糖酶修復景觀水更合適的作用條件優化

將作用時間(11 h、13 h、15 h)、酶濃度(2 IU·L-1、3 IU·L-1、4 IU·L-1)、溫度(50℃、55℃、60℃)進行3因素3水平的正交試驗，確定木聚糖酶修復景觀水更合適的作用條件。

1.9 景觀水COD的測定

采用重鉻酸鹽法測定水樣COD[13，14]。為了使酶終止反應，取完水樣后先滴加硫酸銀-硫酸后加入重鉻酸鉀。

2 結果與討論

2.1 景觀水模型

圖1 模擬景觀水

2.2 木聚糖酶酶活

圖2 木糖標準曲線

所測木聚糖酶酶活為：22 774 IU·g-1，后續試驗均使用該酶。

2.3 pH對COD的去除的影響

由圖3可知，隨著pH增大，COD降低量先增大后減小，pH為7時COD降低量最多，可達19.19 mg·L-1，去除率為9.84%。pH偏酸性或偏堿性木聚糖酶依然能去除少量景觀水中有機污染物，說明pH對木聚糖酶修復景觀水的作用效果有一定的影響，實際修復景觀水pH應盡量保持中性。筆者試驗中木聚糖酶修復景觀水更合適的pH即為水樣初始pH，故后續試驗不再調節pH值。

圖3 pH對COD的影響time=11 h; E=2 IU·L-1;T=55℃;pH=5～9

2.4 作用時長對COD的去除的影響

由圖4可知，24 h內隨著木聚糖酶修復時長的增加，COD去除率先增大后略減小最后趨于穩定；木聚糖酶作用7～9 h時，COD快速降低，至11h時COD降幅最大，降低19.36 mg·L-1，去除率為10.86%；24 h內更合適的作用時長范圍為11～15 h，因模擬景觀水底物濃度有限，15 h后隨著時間的延長有機物含量變化不明顯，基本進入平臺期，實際景觀水中半纖維素類物質含量可能更高，可進一步延長作用時間。

圖4 作用時長對COD的影響

2.5 酶濃度對COD的去除的影響

由圖5可知，當水樣初始COD為180～188 mg·L-1時，隨著木聚糖酶酶投加量的增加，COD先降低后升高，作用酶濃度為3 IU·L-1，COD去除率最高，此時COD降低31.97 mg·L-1，去除率為17.02%。最適作用酶濃度會隨著底物濃度的變化而發生改變，實際修復景觀水應針對性地改變木聚糖酶的投加量，酶的投加量不宜過大，過大會可能會增加水的COD值。

圖5 酶濃度對COD的影響

2.6 溫度對COD的去除的影響

由圖6可知，隨著溫度的升高木聚糖酶對景觀水COD的去除率先升高后降低，木聚糖酶修復景觀水更合適的作用溫度為55℃，此時COD降低18.16 mg·L-1，去除率可達9.39%。木聚糖酶在一定溫度范圍內均能維持其活力，能夠耐受60℃高溫，溫度低于50℃時，在11 h內酶的作用不明顯，低溫作用可進一步延長反應時間。

圖6 溫度對COD的影響

2.7 木聚糖酶修復景觀水作用條件的優化

木聚糖酶修復景觀水作用條件的優化結果見表1。其中COD降低量最高的為試驗號為9(A3B3C1)，COD降低36.14 mg·L-1，去除率可達18.25%。從極差分析可知，C>B>A，其中影響最大的是時間，最好的組合為A3B1C1，由于該結果不在表中之列，所以進一步進行驗證試驗。

表1 正交試驗極差分析/L9(33)(COD降低量均值±標準偏差)

將表中COD降低量較大的試驗組合1(A1B1C1)、4(A2B1C1)、9(A3B3C1)與A3B1C1進行比較，驗證結果見表2。A3B1C1為最佳，木聚糖酶修復景觀水更合適的作用條件為：酶濃度4 IU·L-1、溫度50℃、作用時間11 h，該條件下景觀水COD降低57.06 mg·L-1，去除率可達29.53%。

表2 正交試驗驗證結果

傳統的廢水處理工藝存在其不可避免的弊端，將生物酶制劑引入污水處理工序中，與傳統污水處理聯合起來，利用酶制劑的高效性，減少傳統工藝中環境危害性物質的使用，采用更溫和的處理方式，建立一種環境友好型低能耗的污水處理體系，具有很好的發展前景。Ely C等發現辣根過氧化物酶(HPR)和Fenton工藝聯合處理工業廢水，能有效地提高生物需氧量、化學需氧量以及總有機碳的去除率[15]。目前尚無木聚糖酶修復景觀水的相關研究報道，筆者研究將木聚糖酶引入景觀水修復中，發現木聚糖酶能夠降解景觀水中部分有機物，該酶有望應用于景觀水修復工藝中。進一步研究pH、作用時間、酶濃度、溫度等因素對木聚糖酶修復景觀水的影響，得到更合適的修復條件，更好地應用于景觀水修復工藝。筆者試驗酶投加量非常少，但對水質的修復作用較明顯，不會引入其它污染物，保證了實際應用少量、高效且安全。實際修復景觀水升溫會增加處理成本，還可能帶來環境負荷，應進一步嘗試降低反應溫度、延長反應時間、聯合其它酶制劑、加入絮凝劑[16]、引入固定化酶技術[17]等，以期得到一種溫和環境友好型的景觀水修復的酶法工藝。

3 結論

木聚糖酶能有效地去除景觀水中部分有機污染物，可用于景觀水修復。作用時間、溫度、酶濃度、底物濃度、pH等因素對木聚糖酶修復景觀水的效果均有一定的影響，其中更合適的作用條件區間為pH 6～7、反應時長11～15 h、溫度50～55℃、酶濃度3～4 IU·L-1。僅使用木聚糖酶修復景觀水也能有較好的修復效果，在pH 7.0、溫度50℃、作用時長11 h、酶濃度4 IU·L-1時，COD去除率最高可達29.53%。