摘要近些年來，固定化酶技術(shù)以其操作簡單、無二次污染和對底物特異性高等優(yōu)點在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。在此綜述了固定化酶在環(huán)境領(lǐng)域中的眾多應(yīng)用，如高濃度有機廢水和低濃度含農(nóng)藥廢水處理、污染土壤修復(fù)及環(huán)境監(jiān)測等方面。

關(guān)鍵詞固定化酶；環(huán)境領(lǐng)域；污水處理；環(huán)境監(jiān)測；清潔生產(chǎn)

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)是一種通過物理或化學(xué)手段，將游離酶定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，并使其保持活性及可反復(fù)使用的技術(shù)手段，其在食品工業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)境分析等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。因固定化酶具有較好的穩(wěn)定性、專一性高、反應(yīng)條件溫和、無污染、操作簡便及綠色環(huán)保等特性[1]，在環(huán)境領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們迫切需要開發(fā)出一種高效、快速、能連續(xù)處理污染物且無二次污染的技術(shù)。而利用固定化酶技術(shù)來治理環(huán)境則在這些方面顯示出巨大的優(yōu)越性，不僅因其是一種在其他領(lǐng)域已經(jīng)被證明為高效的新技術(shù)，且相比很多在環(huán)境治理中使用的常規(guī)化學(xué)處理方法，固定化酶的使用可以防止產(chǎn)生新的污染。經(jīng)過多年的發(fā)展，固定化酶技術(shù)在有毒有害的有機廢水處理、環(huán)境監(jiān)測和清潔生產(chǎn)等環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[2]。在此，筆者綜述了固定化酶在環(huán)境領(lǐng)域中的眾多應(yīng)用。

1固定化酶技術(shù)的研究和發(fā)展

為了克服游離酶的不穩(wěn)定、易失活、不易分離等缺點，固定化酶技術(shù)在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，且得到了非?？焖俚陌l(fā)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(jīng)受到許多學(xué)者的關(guān)注，無論在理論方面還是在應(yīng)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(tǒng)的制備固定化酶的方法主要有吸附法、交聯(lián)法、共價結(jié)合法和包埋法4種。最早出現(xiàn)的酶固定化方法為吸附法，而共價結(jié)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(fā)出許多新型的固定化方法及性能優(yōu)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(fù)合修飾后的納米材料載體等[3-5]。

3固定化酶技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1在污水處理中的應(yīng)用高濃度有機廢水的處理方法分為物理化學(xué)法與生物法。由于物理化學(xué)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(huán)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(yīng)用日益增加。而作為生物法中重要組成部分固定化酶技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢成為廢水處理方法研究領(lǐng)域的熱點。相較傳統(tǒng)的污水處理方法，固定化酶技術(shù)具有以下優(yōu)點：①可以有效去除用其他方法難以去除的有機物質(zhì)及其毒性；②反應(yīng)速度快，酶比一般的化學(xué)催化劑催化效率高，能顯著地縮短處理時間且達(dá)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(jīng)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(nèi)分泌干擾化學(xué)物質(zhì)（EDCs），破壞生物的內(nèi)分泌系統(tǒng)[6-7]。在過去的幾十年里，微污染物的去除已經(jīng)成為發(fā)展中國家的主要環(huán)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(yōu)勢，如廢水中的低濃度難降解農(nóng)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(yīng)較寬的污染物濃度、溫度和pH等優(yōu)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(yè)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(yīng)用于含苯酚的廢水處理中，一定條件下循環(huán)使用6次后，苯酚的處理效果仍可達(dá)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(dǎo)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(dá)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(wěn)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(nóng)藥廢水等方面較傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法有很大的優(yōu)勢，因而具有廣闊的應(yīng)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(zhì)素而不產(chǎn)生其他有毒物質(zhì)，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(yīng)用前景。趙鑫銳等以尼龍網(wǎng)為載體和戊二醛作為交聯(lián)劑，固定化真菌漆酶并應(yīng)用于反應(yīng)器中降解低濃度造紙廢水，當(dāng)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(dá)35%[10]。Liu 等將漆酶固定在雙峰碳基介孔磁性復(fù)合材料上，該固定化漆酶在1 h內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(lián)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(nóng)藥氯苯嘧啶醇，結(jié)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(dá)30%，且載體也對農(nóng)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(nèi)。酪氨酸酶可以催化單酚化合物經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化為醌類化合物，最終自身聚合或與其他物質(zhì)聚合形成不溶于水的大分子物質(zhì)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(dá)89.5%。反應(yīng)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(jìn)行下一批次反應(yīng)，重復(fù)多次使用后酶的活性降低較小，進(jìn)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(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)[14-15]。

隨著對固定化酶技術(shù)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(guān)注。張慶慶等以聚丙烯負(fù)載二氧化鈦膜為載體固定農(nóng)藥降解酶，并用其降解農(nóng)藥甲基對硫磷，研究發(fā)現(xiàn)甲基對硫磷在30 min內(nèi)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(nóng)藥降解酶，能夠有效地去除污水中的有機磷農(nóng)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(zhì)素過氧化氫酶）的白腐菌培養(yǎng)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(jìn)行酶的分離提純，且在多種不同特點的酶的協(xié)同作用下，減少反應(yīng)時間和步驟，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高處理效果[18]。

42卷21期劉秀紅等環(huán)境領(lǐng)域中固定化酶的應(yīng)用3.5在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用固定化酶應(yīng)用于污染土壤修復(fù)也受到廣泛的關(guān)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(shù)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(huán)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(jìn)行固定化并用該固定化酶對阿特拉津污染土壤進(jìn)行修復(fù)，研究結(jié)果表明具有較好的修復(fù)效果[39]。

3.6在合成生物柴油方面的應(yīng)用生物柴油作為一種綠色環(huán)保、可再生并可替代化石柴油的新能源， 在石油能源替代戰(zhàn)略和城市空氣污染治理中具有十分重要的地位。酶法生產(chǎn)生物柴油較目前工業(yè)生產(chǎn)所采用的化學(xué)法具有很多優(yōu)勢，如條件溫和、對原料要求低、產(chǎn)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(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯（即生物柴油），生物柴油的最高產(chǎn)率可以達(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為甲基酯，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行7 h時，轉(zhuǎn)化率可達(dá)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(fā)高效、穩(wěn)定和綠色環(huán)保的固定化酶合成生物柴油的工藝打下堅實的基礎(chǔ)，進(jìn)而推動生物柴油代替環(huán)境污染嚴(yán)重的化石燃料的進(jìn)程。

3.7 其他應(yīng)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?jié)B試驗結(jié)果表明，添加土壤固化酶能夠顯著改善抗?jié)B透性能[49]?，F(xiàn)有的剩余污泥處理技術(shù)處理周期長且成本高，因此開發(fā)高效、經(jīng)濟的污泥處理方法已成為亟待解決的問題。應(yīng)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(zhì)在環(huán)境領(lǐng)域中極具應(yīng)用潛力[50-51]。固定化酶技術(shù)還應(yīng)用于污水生物處理工藝。于宏兵等開發(fā)了一套新型兩相厭氧處理系統(tǒng)，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(yīng)器，產(chǎn)甲烷相則是接種了經(jīng)長期馴化培養(yǎng)的高溫厭氧污泥，該反應(yīng)器對黃漿廢水有良好的處理效果[52]。

4 固定化酶技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的展望

近年來對固定化酶技術(shù)的研究非?；钴S，發(fā)展較快，其應(yīng)用前景不可估量。其主要優(yōu)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(yīng)用于其他方法難以去除的有毒物質(zhì)及微量的污染物的去除；②固定化酶反應(yīng)快速、高效、靈敏且具有專一性，可廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)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(yīng)過程中有毒有害試劑的使用；④固定化酶技術(shù)使酶可回收重復(fù)使用，可有效地降低成本；⑤酶的催化反應(yīng)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(yīng)用于反應(yīng)器中，使反應(yīng)過程能夠高效連續(xù)地進(jìn)行。

在眾多學(xué)者的關(guān)注下，一些新的固定化方法不斷地被開發(fā)采用。為了處理某些含復(fù)雜難降解污染物的廢水，向生物反應(yīng)器中投加一定量的特種微生物的生物強化技術(shù)成為有效手段。將生物強化技術(shù)有效地結(jié)合傳統(tǒng)的生物修復(fù)方法和分析化學(xué)提供的新方法進(jìn)行監(jiān)測、評價，已經(jīng)逐漸成為污染土壤、地下水等生物修復(fù)發(fā)展的一種趨勢。將不同特點來源的酶共同固定化或?qū)⒚负图?xì)胞進(jìn)行共同固定化，充分利用協(xié)同作用，發(fā)揮各自優(yōu)勢，提高其催化效率。能夠縮短反應(yīng)時間簡化操作步驟，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。隨著固定化技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，有待開發(fā)研究的內(nèi)容仍然很多，如固定化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新、開發(fā)合成性能優(yōu)良的新型固定化載體、固定化載體對酶活性、傳質(zhì)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(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，加大固定化酶技術(shù)的研究與開發(fā)力度，充分利用固定化酶技術(shù)的優(yōu)點并結(jié)合其他技術(shù)，開發(fā)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(yuǎn)的意義。

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