酵素在废物处理中的应用潜力外文翻译资料

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酵素在废物处理中的应用潜力

Jean Karam amp; James A. Nicell

Department of Civil Engineering amp; Applied Mechanics, Mc Gill University, 817 Sherbrooke St. W.,

Montreal, Quebec, Canada H3A 2K6

(Received 11 July 1996 ; revised version received 8 November 1996 ; accepted 25 November 1996)

摘要：随着废物排放到环境中的标准执行得越来越严格，有必要发展更多可供选择的废物处理工艺。一份研究固体、液体和有害物质的酶处理系统的发展的综述提出，大量各种不同的植物和微生物的酵素被报道出在废水处理应用的一个环节中发挥了重要作用。酵素可以通过沉淀或转化到其他产品的方式作用于特定的顽固污染物。它也可以改变一个给定的废物的特点，使其更适合处理或帮助废物转换为增值品。在实现酵素的全部潜力成为可能之前，希望包括反应产物的鉴定和表征，反应产物的处理和降低处理成本等问题能在今后的研究工作中得到解决。

关键字：酵素；垃圾处理；

一、简介

在过去的二十年里，已经进行了大量的研究，来调查废物处理中的酶提供的新的可能性。

这些研究的起因有三个方面：（1）外源性化学物质和难降解的有机污染物进入环境的几率在上升，并且这些污染物使用传统的化学和生物方法做到符合标准的净化程度越来越难，因此，有必要发展比现有方法更快速、更便宜、更可靠、更简单实施的替代处理方法（2）有越来越多的人意识到，酵素可用于针对特定污染物的处理（3）生物技术的最新进展使得通过更好的分离纯化程序让酵素的生产更便宜和便捷。

无论是物理化学或生物过程，大多数废物处理过程都可以表征。酵素处理介于这两个传统类别之间，因为它涉及化学过程的基础的同时还有生物催化剂的作用。与常规治疗相比，酵素处理的潜在优势在于：对难降解化合物的应用；能在高、低浓度的污染中运行; 能在很宽的PH、温度、盐度范围内操作；无冲击负荷影响；生物适应性无延迟；减少污泥量（没有生物质产生）和控制过程的简单性和便捷性。

在认识到这些潜在的优势后，最近的研究集中在废水，固体废物，危险废物和土壤处理的酵素处理过程的发展中。这篇综述的目的是在废物处理领域的酵素研究提供一个总结，并简要介绍和评估这些酵素未来的全面应用潜力。综述已根据特定的废物类型和起源的类别来组织分类。

二、酚类污染物及相关的化合物

芳香族化合物，包括酚类和芳香族化合物胺，是构成污染物的主要类别之一，在许多国家都受到严格管制。它们在各种工业废水如煤转化、石油炼制、树脂及塑料、木材防腐、金属涂料、染料及其他化学品，纺织品，采矿和敷料，纸浆和纸的废水中被发现。

1. 大多数芳香化合物是有毒的，必须在废水排入环境之前从废水中去除。许多研究人员已经提出了酵素处理可以作为传统方法的一种潜在的替代方法。首先，酵素具有高选择性，能有效地处理甚至稀释废物。

2. 其次，他们不太可能被对生物体可能有毒的物质抑制，如果批量生产的市售酵素的话，他们的成本最终可能低于其他方法。此外，酵素能在一个广泛的芳香族浓度范围内操作，需要保留时间也相对低于其他处理方法。

3. 一些酵素已经被成功的使用，这些将在以下章节中介绍。

2.1过氧化物酶

过氧化物酶是由大量的微生物和植物产生的氧化还原酶。它们能催化的各种反应，但它们都需要过氧化物如过氧化氢的存在下激活，让过氧化氢酶首先氧化，进而再氧化底物。已用于水性芳香族污染物加热处理的过氧化物酶有辣根过氧化物酶、木素过氧化酶等一批来自不同来源的其他过氧化物酶。

2.1.1辣根过氧化氢酶

辣根过氧化物酶（HRP，EC 1.11.1.7）无疑是在相对较新的酶废物处理领域研究最多的酶之一。它一旦被HRP激活，可以催化H2O2的氧化，各种毒性芳香族化合物，包括苯酚，联苯酚，苯胺，联苯胺和相关的杂芳族化合物。反应产物通过非酶法生产聚合成形成水不溶性沉淀物，其可以通过沉淀或过滤的方式很容易地从水或废水中除去。 HRP特别适用于废水处理，因为它在较宽的p H和温度范围内保持其活性。

HRP行动的机制比较好理解，并且已经被数学模型化了。大多数应用都集中在酚类污染物的处理上。使用HRP处理污染物，包括苯胺，羟基喹啉和芳胺致癌物质如联苯胺和萘胺也已在实验室中得到证实。此外，HRP有能力协调沉淀某些难以去除的污染物，包括HRP的非底物，以及通过诱导与容易除去的化合物的聚合物产品类似的混合聚合物的形成，以及可移除的化合物。这种现象对于通常含有许多不同污染物的瓦斯有重要的实际意义。这种现象对于通常含有许多不同污染物的瓦斯具有重要的实际意义。当观察到可以通过与酚共沉淀从溶液中除去多氯联苯时，证明了这一原理对危险废物的延伸。然而，HRP的这种特殊应用似乎并没有在随后的任何研究中进行。相关努力旨在优化从水溶液中去除酚类的HRP。 已经通过以下方式实现了酶的使用寿命的改善，从而降低了处理成本：选择合适的反应器配置，酶固定，使用添加剂如硼酸钠，明胶和聚乙二醇来保护酶不会沉淀在沉淀聚合物中，以及添加吸附剂如滑石，保护酶免受氧化产物的抑制。

2.1.2木质素过氧化物酶

木质素过氧化物酶（Li P; EC未知）也被称为木质素酶或二丙基丙醛加氧酶，1983年首次报道。它是白腐真菌的细胞外酶系统的一部分。 Li P显示矿化各种顽抗性芳香族化合物并氧化一些多环芳香族和酚类化合物。 Li P在木质素解聚中的作用也得到了证实。其机理与HRP非常相似。

由于Aitken和Irvine研究了其在废物处理中应用酶的经济和技术可行性的稳定性。作者报道，Li P在低p H下容易灭活。酶的稳定性通过增加p H，增加酶浓度或在其底物藜芦醇存在下孵育酶而得到改善。还发现，酚类去除的优化分析包括高酶浓度，高于4.0的p H和Cornwell等人的受控加入。报道了LiP在多孔陶瓷载体上的固定化对LiPIuml;s稳定性没有不利影响，并表现出很好的环境持久性芳烃降解潜力。Venkatadri和Irvine开发了可用于危险废物处理和Li P生产的硅膜反应器。

2.1.3其他过氧化物酶

已经报道了来自海洋真菌的氯过氧化物酶（CPO; EC 1.11.1.10）氧化了几种酚类化合物。另外一直是显示催化某些氧转移反应如乙醇氧化成乙醛或氧化氯离子。后一种反应可能导致当将氯离子加入时产生不同程度的产物（其可能更具毒性）含有过氧化物酶的反应混合物。

还观察到由白腐真菌产生的锰过氧化物酶（Mn P; EC未知）催化几种单芳族酚和芳族染料的氧化，但这些反应取决于二价锰和某些类型的缓冲剂的存在。其实，在Mn（III）稳定配体的存在下催化Mn（II）氧化成Mn（III）。所得的Mn（III）配合物可以进行有机底物的氧化。

然而，酶对Mn（III）浓度的要求使得废水处理应用的可行性令人怀疑。最近研究了使用来自鬼伞属微生物过氧化物酶作为HRP替代从废水中除去芳族化合物的替代物。其性能被发现比较有利于HRP，因为它可以催化相同的反应，尽管它显着更容易灭活。 Chapsal等人建议使用血红蛋白（EC 1.14.99.3）作为HRP替代物。并从成本和效率的角度来看是可行的。

2.1.4植物材料的使用

艾德勒等使用从番茄和水葫芦植物提取的过氧化物酶聚合酚类底物。还使用实际植物根进行体内实验的污染物去除。研究的过氧化物酶完成了良好的测试底物愈创木酚和植物根系在根表面沉淀出酚类污染物。作者建议使用植物根作为天然固定化酶体系，从水生系统和土壤中去除酚类物质。他们认为过氧化物酶根部中含有的物质将通过在根表面沉淀而使酚类物质吸附到植物中.

Bollag也报道了植物材料成功利用去除酚类化合物污染的水。使用来自切碎的辣根，马铃薯和白萝卜的过氧化物酶去除2,4-二氯苯酚，至850mg/dm3实现的清除率是与纯化的HRP相当。 辣根的优化研究表明，去除率取决于反应混合物的p H，切割辣根的粒度，辣根的量和加入量以及孵育的持续时间。 Cooper和Nicell成功地使用辣根根汁的粗提取物来处理铸造废物。当比较粗提物和HRP的纯化物质的性能时，处理的程度和效率是相似的。

2.2多酚氧化酶

多酚氧化酶代表另一个氧化还原酶家族，也已经显示催化酚类化合物的氧化反应。 它们被细分为两个亚类：酪氨酸酶和漆酶。 两个酶组都需要存在双分子氧作为活性，但不需要辅酶。

2.2.1酪氨酸酶

酪氨酸酶（EC 1.14.18.1）也称为多酚氧化酶，酚酶或儿茶酚酶，催化两个连续的反应：（1）单酚与分子氧的羟基化形成邻二酚;和（2）邻二酚与氧气脱氢形成邻醌。醌类大多是不稳定的，并进行非酶聚合，产生可以通过简单的过滤容易地除去的水溶性物质。

Atlow等人报道了成功沉淀和随后除去浓度范围为0.01〜1.0 g dm〜3的酚类来自工业废水。然而，Wada等人报道的结果与Atlow等人的结果明显相冲突;也就是说，由于通过酪氨酸酶的聚合而没有形成沉淀，而是观察到从无色到深棕色的溶液颜色变化。Wada等人假设酪氨酸酶纯度的程度可能在沉淀物形成中起决定性的作用。由于没有观察到沉淀物的形成，它们使用甲壳质和壳聚糖吸附形成的反应产物。壳多糖是一种丰富且便宜的多糖，可作为壳状废物，而壳聚糖是衍生自几丁质的产品。虽然壳聚糖比甲壳素更好地去除有色反应产物，但都很快吸附产品。 Sun等人也报道了成功使用壳聚糖吸附酪氨酸酶产生的醌类和其他中间体。

这种方法的主要优点是废物从壳体转换行业到有用的产品。然而，如果壳聚糖被吸附材料剥离并重新使用，则考虑到醌对壳聚糖的强烈吸附，这种操作的成本可能很高.Wada等人使用固定化酪氨酸酶与壳聚糖一起处理苯酚并观察到100％苯酚在2小时内清除。酪氨酸酶的固定具有将酶保留在反应器中的优点并通过与醌反应来保护它们免于灭活。固定化的酪氨酸酶在10个循环后保持其活性。因此，看来，固定化酪氨酸酶与壳聚糖的组合是去除有毒酚类的有效手段。然而，尽管与使用氧气作为氧化剂相关的节省，但是蘑菇酪氨酸酶的成本目前非常高。

2.2.2漆酶

漆酶（EC 1.10.3.2）由几种真菌产生，似乎能够通过聚合过程降低酚类化合物的毒性。此外，由于其相对非特异性，它可以诱导污染酚与天然存在的酚的交叉耦合。事实上，漆酶可以将酚类化合物氧化成它们相应的高反应性的阴离子自由基。在对真菌Rhizoctonia praticola的漆酶进行的研究中，Bollag等人证实了酶对某些测试的酚类化合物进行解毒的能力。特定苯酚的脱毒似乎取决于酶转化化合物的能力，如母体苯酚消失所证明的。然而，反应产物没有确定。 Bollag等结论是漆酶解毒含有酚的溶液的能力似乎是待处理的具体化合物，酶的来源和其他环境因素的功能。

3. 纸浆和废纸

3.1过氧化物酶和漆酶

在木材制浆中广泛使用的牛皮纸工艺在纸浆中留下5-8％（w / w）的残余木质素。该残留物是造成纸浆特征棕色的原因，并通过使用漂白剂如氯和氧化氯在商业上去除。漂白操作产生黑色的有色污水，其中含有有毒和致突变的氯化产物，构成环境危害。

许多研究集中在微生物在漂白废水处理中的应用，最近有兴趣使用酶如过氧化物酶和漆酶进行相同的任务。Ferrer等人报道了辣根过氧化物酶和木质素过氧化物酶（Li P）在去除牛皮纸粉碎废水中的用途。发现这两种酶具有相当大的潜力，并且还观察到在所有情况下，酶的固定形式比游离形式更有效。也发现来自P.chrysosporium的Li P在漂白废水的去除色素中起积极作用，并解释说，Li P为认为通过催化芳族单元氧化成可自发分解的阳离子自由基来降解木质素。漆酶也被认为是漂白工厂废水处理的可能候选者。

在一项关于通过沉淀从漂白废水中去除氯酚和氯代木ign素的研究中，Milstein等人报道，漆酶可以聚合低分子量的苯酚，从而通过与聚乙烯亚胺的反应和沉淀促进它们的去除。Royer等注意到，真菌Coriolus versicolor的细胞内酶（未鉴定）对流出物脱色有一定的影响。而其中使用的酶是自由的形式引起轻微脱色，固定化酶具有更显着的结果。

3.2纤维素分解酶

已经有一些关于纤维素分解酶在制浆和脱墨操作中用于污泥处理的报道。 Duff等人进行研究，研究水解由纸浆和纸张操作产生的高度纤维素淤泥以产生能量来源如乙醇的可能性。由于每吨生产的纸浆平均产生60公斤的初级污泥，所以乙醇生产显然是降低生产污泥处理和处理污泥量的有吸引力的方法。使用的酶包括纤维二糖水解酶（EC 3.2.1.91），纤维素酶（EC 3.2.1.4）和beta;-葡糖苷酶（EC 3.2.1.21）的混合物。在另一项研究中，Duff等着重于低价值纤维素从纤维回收和脱墨操作到可发酵糖的底物的转化。使用的酶不受高油墨含量的抑制，并且观察到表面活性剂的存在增加了酶水解的速率，特别是在反应的早期阶段。

4农药

包括除草剂，杀虫剂和杀真菌剂在内的农药在当今世界广泛应用于作物保护，预计这种用途将继续增长。潜在的不利影响农药行业对生产环境和农药配制过程中形成的废弃物，农药容器和喷雾罐的解毒以及污染物的污染，都会对环境产生影响的农药流失地表水和地下水。

常见的处理方法包括焚烧，化学方法和填埋，但是它们具有严重的局限性，包括成本高，产品危险化学品，化学试剂的处置以及敏感的生物处理系统对冲击载荷的敏感性。

已经提出了一种也称为磷酸三酯酶的对硫磷水解酶（EC未知），用于农药解毒，似乎代表了更常见的治疗方法的可行替代方法。对硫磷水解酶由许多细菌产生，包括假单胞菌属（Pseudomonas sp。）

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