趙春紅,王 娟

(高密市環(huán)境監(jiān)測站,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、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)過一個或幾個過渡態(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

水環(huán)境監(jiān)測為水環(huán)境管理、污染源控制等提供科學(xué)依據(jù)，對整個水環(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)測中已取得了一定成果。酶傳感器由于其準(zhǔn)確、靈敏、快速的檢測優(yōu)勢，常用于水環(huán)境污染監(jiān)測領(lǐng)域中農(nóng)藥、硝酸鹽、酚類物質(zhì)、重金屬離子等的檢測。

國外在酶傳感器方面的研究較多。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，對部分有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行檢測(甲基對苯二甲酸甲酯，甲基對氧磷，乙基對氧磷，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)酶作為生物識別元素，測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)可以成功測定水樣中農(nóng)藥的含量，快速簡單。Tsuyoshi Minami等[6]采用一種基于擴(kuò)展門式的有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)酶傳感器對水中硝酸鹽進(jìn)行測定，靈敏度可以與傳統(tǒng)的檢測方法相媲美，為低成本現(xiàn)場監(jiān)測水介質(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)法測定水中鄰苯二酚，鄰苯二酚檢測線性范圍為4×10-8～6.20×10-5M，檢測限為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間較長(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定有毒汞離子，并對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Hg2+的測定效果較好，且可應(yīng)用于不同類型水樣中汞離子的測定。

國內(nèi)在酶傳感器用于水環(huán)境監(jiān)測方面也有研究。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)測方法更為簡便和靈敏，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)場快速檢測及實(shí)際試樣中的優(yōu)勢,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)測領(lǐng)域的應(yīng)用。劉佳等[11]介紹了電化學(xué)酶傳感器制備過程中的酶固定化方法，以及電化學(xué)酶傳感器在監(jiān)測環(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)檢測結(jié)果的一致性進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩種方法檢測結(jié)果具有一致性,表明固定底物酶底物法可以用作評價醫(yī)療廢水微生物污染的參考方法。近年來，酶免疫檢測(EIA)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中運(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，能使測試生物反應(yīng)器270天內(nèi)高效的去除COD。Lopez-Molina等[16]對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，每個工作周期被測介質(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，并對其中的氨氮、COD及pH值的指標(biāo)進(jìn)行測定，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)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)。趙美麗[25]對白腐菌產(chǎn)漆酶及其對印染污水處理的研究，并對白腐菌產(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，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、二級、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,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)溫度和水解時間對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TN、TP的去除效果。同濟(jì)大學(xué)Boran Wu[37]對復(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]對水解酶對活性污泥系統(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]對利用延長生物池泥齡和投加酶制劑兩種方法對污水處理廠污泥減量技術(shù)應(yīng)用展開分析，并對結(jié)果進(jìn)行了比較。徐友等[41]從酶對污泥的作用機(jī)理、影響因素、處理效果等方面對國內(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，酶傳感器及酶聯(lián)免疫監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中得到廣泛應(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)。