張 勇，陳 驥，張 鋒

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；2.安徽大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230601；3.Aarhus University Centre for Circular Bioeconomy, Department of Agroecology, Aarhus University, 8830 Tjele, Denmark；4.西北工業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境保護研究中心，陜西 西安 710072)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的有機廢棄物(作物殘體、畜禽糞便、生活垃圾、活性污泥等)急劇增加[1-2]。目前，我國總有機廢物排放量已超過40億t，由于處置不當或不徹底(焚燒、填埋、丟棄等)，不僅浪費資源和能源，還造成環(huán)境污染和溫室效應等惡劣生態(tài)環(huán)境問題[3-4]。例如，作物殘體大量焚燒后排放的氣體污染物會引起空氣污染，增加公眾健康風險，加劇氣候變化[4]；畜禽糞便施用后殘留的重金屬和抗生素等污染物進入土壤-植物-水體系統(tǒng)，通過食物鏈富集、系統(tǒng)耦合而引發(fā)生物毒性反應[5]。諸多生態(tài)環(huán)境問題日漸凸顯，阻礙了我國生態(tài)文明建設和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進程。因此，有機廢棄物資源化利用迫在眉睫。

其實我們理性看一下這個回應，我國沒有要求瑞典方道歉，因為外交交涉并不是強制他國給予當事人法律“后果”（比如給個處分、開除公職、罰款判刑之類），這是不尊重他國的主權的行為，我國自然不齒做這種事情。

有機廢棄物蘊含著豐富的有機質(木質素、纖維素、蛋白質、脂肪等)，生物可降解性強[3]。本著減量化、資源化、無害化原則，生物降解是實現(xiàn)有機廢棄物資源化利用的有效途徑之一[6-7]。微生物和酶主導的生物降解通常分為變質(biodeterioration)、礦化(mineralization/biofragmentation)和腐殖化(humification/assimilation)3個過程[7]。變質、礦化和腐殖化協(xié)同作用，相互影響。變質過程：微生物作用與非生物作用共同改變有機廢棄物表面的理化性質，削弱其結構穩(wěn)定性[7]；礦化過程：酶催化大分子有機質解聚為低聚物、二聚物和單體，同時生成鹽類、CO2、NH3、H2O等產(chǎn)物[7]；腐殖化過程：酶催化礦化過程的小分子中間產(chǎn)物再合成，形成腐殖質(主要成分為胡敏酸、富里酸和胡敏素等分子)和酶-腐殖質復合物，同時微生物代謝產(chǎn)生能量和代謝產(chǎn)物[7-9]。酶是一系列生物化學反應的催化劑，驅動著生物降解過程的礦化和腐殖化[8,10-11]，在有機廢棄物降解過程中發(fā)揮著關鍵作用，有效控制酶作用對實現(xiàn)有機廢棄物資源化利用具有重要意義。

研究顯示，酶作用受到酶種類和酶活性的影響[12]379-484。一方面，酶具有特異性，每種酶只作用于特定結構的底物、一類化合物或化學鍵；另一方面，酶具有高效性，能降低反應活化能而加快反應速率，且酶活性越高其催化能力就越強。然而，尚未有綜述系統(tǒng)闡明如何調控生物降解過程的酶作用。深入研究有機廢棄物降解過程的酶作用及其調控機制，不僅能全面認識生物降解的途徑與分子機制，還能推進酶降解技術的開發(fā)和應用。該文綜合分析國內外有機廢棄物降解方面的研究成果，以期：(1)探討酶對有機質中碳、氮、磷、硫等元素的降解轉化過程，以及對重金屬、抗生素毒性的削減作用；(2)總結生物降解過程中酶作用的調控機制；(3)展望有機廢棄物降解酶研究的挑戰(zhàn)和機遇。

1 有機廢棄物降解過程的酶作用

生物酶主要來源于微生物、動植物活體及其殘骸，是一類生物活性物質(蛋白質或RNA)[13]，具有高度催化能力及溫度和pH敏感性[12]379-483。它驅動著生物化學過程的物質轉化和能量流動[14-15]，其活性能表征有機廢棄物生物降解的速度和進程。光譜分析、熒光標記、同位素示蹤、酶試劑盒和色譜分析等[16]方法被廣泛應用于酶活性測定，能滿足大部分實驗需求；近幾年，生物芯片、單分子熒光成像、納米粒等技術也被用于酶測定，進一步加強了對酶機制和應用的研究[17-19]。有機廢棄物降解酶以水解酶和氧化還原酶為主，大部分來源于細菌和真菌，也有一小部分來源于動植物殘體(表1[20-44])。有機廢棄物降解礦化和腐殖化過程的潛在分子機制見圖1，其酶作用可從催化降解有機質、促進腐殖質合成和削減污染物毒性3個方面探討。

表1 參與有機廢棄物降解的酶

數(shù)字編號代表酶種類,詳見表1；紅、綠色編號分別表示氧化還原酶和水解酶。

1.1 催化降解有機質

蛋白酶分為內肽酶和端肽酶，內肽酶從中間切斷大分子蛋白質的多肽鏈形成相對分子質量較小的朊和胨，端肽酶從多肽的游離羧基末端或游離氨基末端逐一將肽鏈打斷生成氨基酸。氨基酸分解代謝生成α-酮酸和氨，氨代謝形成銨鹽和尿素[50]。氮素的轉化分為氨化、硝化和反硝化[38-39,51]3個過程。氨化過程指脲酶水解尿素生成氨、二氧化碳。硝化過程(NH3/NH4+→ NO2-→ NO3-)指氨氧化酶(氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶)將氨氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸氧化還原酶進一步將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽。反硝化過程(NO3-→ NO2-→ NO/N2O/N2/NH3)指硝酸還原酶將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，亞硝酸還原酶進一步將亞硝酸鹽還原為一氧化氮、笑氣、氮氣和氨氣等物質。近期研究報道cytochrome c nitrite reductase (ccNIR)、octahaem nitrite reductase (ONR)和octahaem tetrathionate reductase (OTR)也能催化亞硝酸鹽轉化為氨氣[39]，但是尚不清楚有機廢棄物降解過程是否存在ccNIR、ONR和OTR，以及ONR和OTR能否作用于微生物的呼吸、亞硝酸鹽或羥胺的解毒。

電力企業(yè)與人民群眾的生活和工作息息相關，人力資源管理工作直接影響企業(yè)經(jīng)濟效益和穩(wěn)定運行。近年，我國電力體制不斷改革，很多供電公司開始應用大數(shù)據(jù)，精準查竊電。前段時間，某國網(wǎng)電力公司與電商公司合作，聯(lián)合發(fā)布“能+”大數(shù)據(jù)公共服務平臺，加快推進電力大數(shù)據(jù)商業(yè)化運營及新型供電服務模式。將大數(shù)據(jù)應用到電力企業(yè)人力資源管理工作中，能夠對海量數(shù)據(jù)信息進行科學存儲和分析，使人力資源規(guī)劃、招聘、培養(yǎng)、績效考核等一系列工作更加科學、有效。

V表征著生物降解過程中酶作用的強弱(酶活性)，它受兩個方面因素的影響。一方面，酶具有特異性，每種酶只作用于特定結構的底物、一類化合物或化學鍵。產(chǎn)酶微生物的篩選[25]、接種[76]及特定酶的提取[77-78]、添加[6,79]可以調整生物酶的種類和濃度。另一方面，S(有機廢棄物)飽和可以忽略它的影響，ET和k是關鍵的控制因子，且k受理化因子約束?？刂泼笣舛?、T、pH等條件[79-82]或添加表面活性劑[83-84]能夠提高酶活性。此外，生物酶作為蛋白質易于分解，一旦從活體分離，其酶活性會迅速降低，并對外界環(huán)境因素異常敏感。酶的固定化技術克服了這一困難，固定化酶具有可重復利用、穩(wěn)定性高、易從產(chǎn)物中分離等優(yōu)勢[85]。因而有機廢棄物降解過程的酶作用主要有微生物(酶種類和酶濃度)、酶的固定化、理化因子(降解物料的溫度、pH和C/N等)和添加劑(激活劑和抑制劑)4個調控途徑。

(2)木質素是苯丙烷結構單元組成的復雜有機聚合物，參與其降解過程的酶可分為木質素修飾酶(LMEs)和木質素降解輔酶(LDAs)[22]兩大類。LMEs包含酚氧化酶(PO)、木質素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)、多功能過氧化物酶(VP)等，LDAs包含乙二醛氧化酶(GLOX)、芳醇氧化酶、吡喃糖氧化酶、纖維二糖脫氫酶(CDH)、葡糖氧化酶等。LDAs雖然不能降解木質素，卻是木質素降解過程所必需的，其在催化反應中承擔傳遞電子、原子或基團的功能。例如，GLOX能氧化簡單的醇或醛生成具有強氧化性的H2O2(電子受體)[22]；CDH包含1個黃素和1個血紅素基團，能促進MnP的降解作用[45]?；贚DAs作用，木質素的Cα—Cβ鍵在H2O2、過氧化物酶(LiP、MnP、VP)催化作用下斷裂而解聚為芳香族醇、醛、酚類物質，有氧環(huán)境中PO還會氧化木質素生成醌類物質[22]。然而，木質素分子結構非常復雜，其降解酶系和催化機制至今尚未完全被認識。

(3)纖維素和淀粉的酶解過程通常分為兩步：多糖→寡糖→單糖。第1步，內切和外切葡聚糖酶(屬于纖維素酶)作用于纖維素表面，隨機攻擊β-1,4-糖苷鍵，截斷纖維素大分子形成寡糖(纖維二糖等)和葡萄糖；淀粉酶切割淀粉的α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵，水解形成麥芽糖、葡萄糖和糊精[46]。第2步，α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶分別水解麥芽糖和纖維二糖生成葡萄糖。木質纖維素內存在非常牢固的纖維素-半纖維素-木質素網(wǎng)絡結構[47]，首先需要木質素酶解聚外層木質素，纖維素酶才能進一步降解內層纖維素。對纖維素酶的探究還在繼續(xù)，最近BEESON等[48]和TAN等[49]發(fā)現(xiàn)纖維素解聚過程存在一種CDH和多糖單加氧酶參與的氧化機制。

1.1.2有機氮

二是知識產(chǎn)權轉移轉化資本參與度低。一方面知識產(chǎn)權轉移轉化過程漫長，從研發(fā)到工程化、產(chǎn)業(yè)化過程，少則幾年，多則數(shù)十年，投資回報慢，金融投資本身具有趨利性和短視性，因此投資機構不愿花費大量資金在這方面；另一方面政府引導支持范圍額度小，社會參與積極性不高，因而資本運作風險大，導致動能不足、效果不佳。大部分高校及科研機構也僅僅是設立知識產(chǎn)權行政性機構，缺乏知識產(chǎn)權轉化運營資金投入，這需要國家進行統(tǒng)一籌劃，長遠布局。

1.1.1有機碳

1.1.3有機磷和有機硫

45例周圍神經(jīng)鞘瘤患者經(jīng)病理證實確診，其中良性病變35例，所占比例為77.78%；惡性病變10例，所占比例為22.22%，病變所處部位方面：13例在頸部，所占比例為28.89%；8例在胸部，所占比例為17.78%；10例在腹部，所占比例為22.22%；14例在四肢部位，所占比例為31.11%。

酶的固定化指將游離酶束縛或限制在一定空間內，保留其催化活性，并可回收及重復使用的一類技術。酶的固定化能極大地改善和提升酶的催化活性和穩(wěn)定性。自20世紀70年代起，酶的固定化技術快速發(fā)展，廣泛地應用于食品、醫(yī)療、能源、環(huán)境等領域[90]。傳統(tǒng)固定化技術分為吸附、共價結合、包埋和交聯(lián)4大類；新型固定化技術聚焦固定化載體和固定化方式的創(chuàng)新，如復合新型載體、酶自固定化和多酶共固定化等[85]。這些技術已成功應用到脂肪酶、漆酶、過氧化物酶、葡糖氧化酶、淀粉酶、纖維素酶等游離酶的固定化，其酶活性提高8～54倍，酶回收率高達50%以上[85,91]。部分生物酶活性是與細胞能量代謝相聯(lián)系的，只有在活體中才能發(fā)揮作用，如硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等。SACHDEVA等[92]的研究突破了這一限制，該團隊利用銀納米顆粒作為載體固定化硝酸還原酶，準確地測定了土壤硝酸鹽含量。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，一些成熟的酶固定化技術已經(jīng)商業(yè)化。然而，當前酶的固定化技術尚缺乏普適性，需要根據(jù)酶的特性以及應用需求來選擇合適的固定化方法，加強對酶自固定化、多酶共固定化等新型固定化技術的研究是必然趨勢。

1.2 促進腐殖質合成

腐殖質合成的機制，目前尚無統(tǒng)一認識。以木質素-蛋白質聚合學說、生物化學合成學說為主流的科學假說認為微生物和酶驅動著有機質分解為酚類、醌類、脂類等化合物，這些化合物再與氨基酸、氨和蛋白質發(fā)生聚合反應，形成腐殖質[55-56]。然而，現(xiàn)階段的實驗研究[57-59]僅能表明：腐殖質主要由碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素組成，有機碳解聚物構建了腐殖質的基礎碳骨架，氮、磷、硫組分為合成腐殖質的輔助原料。

酶作用貫穿有機廢棄物生物降解的始終，一方面為腐殖質合成提供充足的原材料(礦化過程的中間產(chǎn)物)和能量，另一方面能催化合成腐殖質。例如，三羧酸循環(huán)(TCA)是真菌體內普遍存在的代謝途徑之一(糖類、脂類、氨基酸的最終代謝通路和代謝聯(lián)系樞紐)，可以為微生物合成腐殖質提供能量。丙酮酸脫氫酶、丙酮酸羧化酶等酶催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A進入TCA后經(jīng)過系列酶促反應形成檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸和三磷酸腺苷等物質。丁杰等[57]對餐廚垃圾堆肥的研究認為TCA過程的產(chǎn)物可能參與腐殖質的合成，如乳酸和丁酸。此外，研究[56,60]報道多酚氧化酶(PPO)能催化醌類化合物與氨基酸、肽、胺等物質縮合生成腐殖質單體分子，如胡敏酸。由于腐殖質合成過程極其復雜，對其合成酶系的組分及機制的探究依舊很困難。

1.3 削減污染物毒性

研究顯示，有機污染物(包含抗生素)、金屬離子(包含重金屬離子)均已在畜禽糞便、生活垃圾等有機廢棄物中檢出[5,61-62]。有機污染物與金屬離子主要通過絡合反應引發(fā)金屬離子-有機物復合污染，且金屬有機絡合物的形成受到有機污染物官能團組成、金屬離子類型、有機物金屬離子相對含量等因素的影響[63]。例如，四環(huán)素類抗生素含有多個N、O官能團，能與Mn2+、Cu2+等重金屬離子發(fā)生螯合作用形成有色絡合物[5]。值得注意的是，生物酶對有機污染物、金屬離子毒性均有削減作用。一方面，酶和微生物聯(lián)系密切，能通過共代謝作用轉化難降解有機污染物[64-65]，或是基于脅迫應答機制降低金屬離子和自由基的毒性[7,66]；另一方面，酶能促進腐殖質合成，生成的腐殖質進一步與有機污染物、金屬離子發(fā)生絡合或吸附作用而改變這些污染物的存在形態(tài)[67-68]。生物酶對重金屬離子、抗生素、非抗生素有機污染物毒性的削減機制如下：

(1)在重金屬離子脅迫下，微生物細胞內會發(fā)生一系列代謝變化以達到解毒目的，比如釋放抗氧化性酶、激素。例如，王敏[69]報道Cu2+脅迫下微生物體內氧自由基迅速增多，菌體會釋放大量抗氧化性酶(超氧化物歧化酶等)和抗氧化劑(胡蘿卜素等)以解毒(清除氧自由基)。LUCAS等[7]報道木質纖維素降解過程中H2O2與Fe2+發(fā)生芬頓反應產(chǎn)生大量·OH(具有高度活性和非特異性)，白腐真菌為了不受·OH傷害，會加速分泌生物酶來解毒(酶能催化降解有機質產(chǎn)生大量小分子有機物，而這些小分子有機物具有良好的·OH親和性)。此外，腐殖質能鈍化重金屬離子，以削減重金屬毒性。酶作用合成的腐殖質含有羧基、羥基、氨基、硫基、硫酸根、磷酸根等官能團，能與重金屬離子發(fā)生絡合作用[68]；同時腐殖質(醌、酚等基團)還能通過電子傳遞機制發(fā)生化學吸附(水溶態(tài))或通過靜電力發(fā)生物理吸附(固相)[67]。

生物酶大多來源于微生物，因而微生物生長的影響因素(營養(yǎng)條件、環(huán)境條件)對酶活性也有一定影響。碳(C)和氮(N)是微生物生長的必需元素，底物C/N大小會影響微生物對養(yǎng)分的吸收量，進而影響微生物活性。當C/N小于20時，氮素相對過剩而釋放NH3，氮素利用效率降低；當C/N大于35時，微生物缺乏氮素營養(yǎng)而生長受限，其活性會減弱[100]。不同有機廢棄物的C/N存在差異[100]，秸稈、木材類C/N較高，糞便、污泥類C/N較低，因而需要調節(jié)堆肥物料初始C/N(表2[80,87-88,93-97])，比較適合的初始C/N范圍應為20～35。此外，微生物生長對環(huán)境條件也存在適應性。研究報道，有機廢棄物堆肥過程的最適水分范圍為50%～60%[100-101]，大多數(shù)微生物生長的適宜pH范圍為4～9，嗜溫微生物和嗜熱微生物的最佳生長溫度范圍分別為35～40和55～65 ℃[12]397-433。WEI等[87]研究認為有機廢棄物堆肥過程中酶活性、微生物和環(huán)境因子(T、pH和總氮)3者之間存在顯著相關性，這也是酶作用受微生物和理化因子影響的體現(xiàn)。堆肥條件的有效控制有利于酶活性的提升和維持。

兩組患者均無心源性死亡和再發(fā)心肌梗死（0例），治療組和對照組分別有5例、6例患者行靶血管重建。兩組患者MACE比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

(3)一般情況，生物酶通過其活性中心將普通有機污染物催化分解成結構簡單、毒性較低的小分子產(chǎn)物[65]。若遇到難降解有機污染物(多環(huán)芳烴、氯代有機物等)，可以通過人工外加生長基質來實現(xiàn)共代謝。共代謝降解作用以關鍵酶(加氧酶、LiP、MnP和PPO等)和微生物為核心[64]，其具體過程包括：a. 生長基質促進微生物生長繁殖；b. 生長基質(或非生長基質，即有機污染物)誘導微生物分泌關鍵酶；c. 生長基質和非生長基質同時與關鍵酶的活性中心結合，產(chǎn)生競爭性抑制；d. 生長基質被分解產(chǎn)生能量，非生長基質被降解轉化；e. 若非生長基質降解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物對關鍵酶有毒性抑制作用，微生物則會啟動自我恢復功能。此外，酶作用合成的腐殖質對有機污染物也有一定的吸附作用，包括共價吸附、“空穴”吸附、氫鍵作用和疏水性吸附等[74]。

2 酶作用的調控機制

酶通過改變反應路線和穩(wěn)定中間產(chǎn)物等方式減少反應激活能來提高化學反應速率。酶動力學[18]和熱力學[75]公式為

V=(kcatETS)/(KM+S)，

垃圾生物處理工藝較為關鍵的一步是將酶液與熱水混合后加入反應器，以促進有機物的分解[6]。有機廢棄物堆肥過程中，噴灑微生物菌劑(EM菌劑等)能夠增加生物酶分泌量，提高發(fā)酵速度[88]。無論是接種高效產(chǎn)酶微生物，還是添加特定酶液，其目的都是通過增加生物酶濃度來加快有機廢棄物的降解轉化。然而，酶分泌速度和酶提取效率受到限制，不能滿足當前的生產(chǎn)需求。構建高效基因工程菌或研發(fā)酶生化合成技術，有望實現(xiàn)酶的規(guī)?；a(chǎn)[89]。

(1)

k=Aexp [(lnγ-ΔGTS)/RT]。

(2)

式(1)～(2)中，V、kcat、ET、S和KM分別為反應速率、催化常數(shù)、總酶濃度、底物濃度和米氏常數(shù)；k、A、R、T、γ和ΔGTS分別為反應常數(shù)、指前因子、氣體常數(shù)、熱力學溫度、透射系數(shù)和過渡態(tài)激活能。

(1)脂肪酶攻擊酯鍵，將脂肪逐步水解成甘油和脂肪酸等物質。脂肪酶具有水溶性，其活性位點包含天冬氨酸、組氨酸和絲氨酸(解聚酶的催化三聯(lián)體)[7]3種氨基酸殘基，該催化三聯(lián)體去質子化后生成的氧基負離子(—O-)攻擊脂肪的酯鍵形成羥基末端(甘油)和?；?酶復合物，隨后水分子攻擊酰基-酶鍵形成羧基末端(脂肪酸)和游離酶。

在進行輸出以前，還要設置相關的求解控制參數(shù)，包括計算時間控制(設為100 ms)、輸出頻率、沙漏控制類型、沙漏系數(shù)以及缺省設置。由LS-DYNA EXPORTE模塊輸出K文件，打K文件設置內存空間,以及為提高計算速度而適當進行質量縮放[6]的修改。設置K文件中的參數(shù)需要具有一定的理論基礎，難度比較大，但是正確的設置會大大提高求解效率，縮短仿真時間，將復雜的仿真模型快速求解。

2.1 酶種類和酶濃度

每種微生物主要分泌一種或少數(shù)幾種降解酶，每種降解酶只能催化特定結構的底物或化學鍵。通過宏基因組學技術可以識別編碼降解酶的功能基因，并篩選具有特異功能基因的微生物配制復合微生物菌劑。例如，XIE等[86]通過添加具有amoA(AOA，編碼氨單加氧酶) 基因的氨氧化古菌，顯著加快發(fā)酵速度,縮短堆肥時間。針對不同類型底物，可以接種高效產(chǎn)酶微生物或添加有效生物酶來加速降解有機質(表1)。例如，若需要降解纖維素和木質素含量較高的有機廢棄物(秸稈等)，可以接種芽孢桿菌、白腐菌等菌株或添加纖維素酶、木質素酶等酶液。MAKI等[25]報道從類芽孢桿菌(Paenibacillus)和芽孢桿菌(Bacillus)中分離出的纖維素酶具有高熱穩(wěn)定性、低pH敏感性、高酶活性，從產(chǎn)黃纖維單胞菌(Cellulomonasflavigena)和船蛆桿菌(Terendinibacterturnerae)等菌株分離出的新型多功能纖維素酶能夠降解多種底物。WEI等[87]研究發(fā)現(xiàn)接種微生物菌劑〔包含鏈霉菌屬(Streptomycessp.)、分支桿菌屬(Mycobacteriumsp.)、小單孢菌屬(Micromonosporasp.)和糖單孢菌屬(Saccharomonosporasp.)〕提高了堆肥過程關鍵酶(纖維素酶、木聚糖酶、MnP、LiP和PO)活性，促進了纖維素、半纖維素和木質素的降解。馮沖凌等[79]研究了添加酶液(LiP和MnP)對堆肥過程微生物群落代謝能力及木質纖維素降解的影響，發(fā)現(xiàn)微生物對中間產(chǎn)物類碳源的代謝能力得到改善，有機質的降解效率顯著提高。

第三，由于各路管線眾多、管道網(wǎng)絡復雜，在施工過程中必須要對管線網(wǎng)絡進行統(tǒng)籌考慮，并加強對管線的保護和避讓，嚴格按照規(guī)范要求做好規(guī)范化施工，以確保工程質量。

2.2 酶的固定化

磷和硫是生物體必需的化學元素，它們在微生物代謝過程中至關重要[52]。通常認為，磷酸酶先催化水解大分子有機磷化合物得到磷酸二酯和磷酸單酯，它們進一步被水解形成PO43-和·OH[53]。硫酸酯酶催化水解脂肪族和芳香族有機硫化合物，使硫酸酯鍵斷裂從而形成無機硫酸鹽、醇類、H2S等物質[54]。然而，現(xiàn)階段對這兩大酶系的深入研究相對缺乏，今后還需要進一步識別它們的組分和作用機制。

2.3 溫度、酸堿度和碳氮比

溫度對酶活性的影響是極其顯著的：一方面它會改變酶的穩(wěn)定性，在5～50 ℃范圍內，大部分酶活性隨溫度上升而增加，>60 ℃條件下有些酶活性開始降低直至完全失活；另一方面，溫度會改變酶的動力學和熱力學特征，包括速率常數(shù)(k)、平衡常數(shù)(Keq)、吉布斯自由能變(ΔG)等[12]425-438。例如，k的溫度敏感性(Q10)可表示為Q10≈10(ΔGTS-lnγ)/RT2。Top范圍大致為30～65 ℃，基本趨勢為水解酶Top低于氧化還原酶Top，碳轉化酶Top低于氮轉化酶Top(表2[80,87-88,93-97])。通過控制堆肥溫度，MIYATAKE等[81]研究認為牛糞堆肥的微生物比增長率和酶活性顯著提升(54 ℃)；張相鋒等[98]研究認為秸稈堆肥中有機質降解率大幅增加(60 ℃)；常會慶等[99]研究認為污泥堆肥中腐殖質含量提高5.52%(25 ℃)。

蛋白質是α-氨基酸的線性聚合物，其側鏈基團帶有電荷，因而蛋白質構成的酶具有pH依賴性；電子傳遞過程中，H+濃度會影響化學鍵的斷裂、酶-底物復合物的形成，進而影響酶催化速率和腐殖質合成效率[12]397-398。酶活性隨pH增加的變化趨勢呈“鐘”型曲線或“S”型曲線，酶作用的適宜pH范圍為 4～9[12]398-403。如表2[80,87-88,93-97]所示，pHop范圍約為5～9，淀粉酶和蛋白酶pHop較低。姜新有等[82]通過添加過磷酸鈣和石灰控制堆肥初始pH(6.42～6.83)，不僅減少氮素損失，還提高有機質降解率。此外，緩沖液也能調節(jié)催化過程pH，以維持酶活性穩(wěn)定[12]412-416。

表2 生物降解過程的最大酶活性及其對應理化性質

(2)有機廢棄物主要含有四環(huán)素類、喹諾酮類、磺胺類、大環(huán)內酯類、聚醚類抗生素[70]5大類抗生素。生物酶能夠破壞抗生素分子的某些脆弱化學鍵或阻斷抗生素與靶點的結合，從而降低抗生素的毒性作用[71-72]。自1940年首次使用抗生素以來，大量生物酶已被確認可以修飾和降解不同類別抗生素，包括β-內酰胺類、氨基糖苷類、酚類和大環(huán)內酯類等抗生素[72]。例如，夏湘勤等[73]報道白腐菌(white-rot fungi)、肉毒鏈霉菌(Streptomyce)分泌的木質素酶能有效降解諾氟沙星、氧氟沙星和環(huán)丙沙星等喹諾酮類抗生素，其毒性可降低70%～90%。

2.4 激活劑和抑制劑

添加劑對酶活性的調控途徑包括環(huán)境條件、底物和酶系特征[12]379-391。常用的酶激活劑是表面活性劑，其作用機制[102]如下：(1)改變底物結構，增強底物與酶的接觸和作用；(2)對生物酶構象產(chǎn)生影響，提高酶的活性和穩(wěn)定性，改善酶的失活問題；(3)促進生物酶在底物上的有效吸附。如表3[83-84,97,102-111]所示，某些金屬離子(Fe2+、Cu2+、K+等)在適宜濃度下，能夠活化生物酶功能，因而表現(xiàn)出激活作用。另外，由于堆肥中、后期氮素損失嚴重，原位保氮的需求促使脲酶抑制劑和硝化抑制劑應運而生，它們能有效減少氮流失[103-104]。與此同時，添加劑對生物酶的調節(jié)作用還受到激活劑(或抑制劑)濃度、底物結構特性(疏水性、氫鍵、官能團、可及度等)、水解/氧化還原條件(水分、pH、攪拌等)、酶系特征(種類和濃度等)的影響[102]。例如，豬糞堆肥過程中低濃度Cu2+(起始濃度為255 mg·kg-1，降解過程為26～117 mg·kg-1)刺激脲酶活性，而高濃度Cu2+(起始濃度為554 mg·kg-1，降解過程為106～518 mg·kg-1)抑制脲酶活性[112]；雞糞和菌糠共堆肥過程中N-正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)只作用于脲酶，以達到保氮目的[103]。酶激活劑和抑制劑對酶活性、酶需求量、有機物降解率、產(chǎn)品質量的控制效果顯著(表3[83-84,97,102-111])。

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表3 參與有機廢棄物降解的酶激活劑和抑制劑

3 研究展望

酶降解高效、環(huán)保、可控，是有機廢棄物資源化利用的有效解決方案之一。雖然目前對酶降解作用過程及其調控機制的認識尚存在諸多限制和挑戰(zhàn)，但是隨著分子方法和模型方法的發(fā)展與應用，將會逐步揭示微生物-酶-有機廢棄物系統(tǒng)的復雜機制，并為進一步高效調控酶作用夯實基礎。未來研究中，以下幾個方面有待于進一步加強：

(1)有機廢棄物酶降解的途徑與分子機制。目前人們對有機廢棄物主要成分的酶降解過程已有初步了解，但對降解酶系的種類、催化途徑和分子機制還不完全清楚，比如木質素降解酶系、有機磷和有機硫轉化酶系等。腐殖質的合成機制仍是一個黑匣子，木質素降解酶系催化機制的深入研究有望驗證木質素-蛋白質聚合學說的正確性。

(2)微生物-酶-有機廢棄物系統(tǒng)的新陳代謝。微生物物種、酶種類、功能基因數(shù)量和有機廢棄物組分繁多，其形成的代謝網(wǎng)絡更是錯綜復雜。研究微生物-酶-有機廢棄物系統(tǒng)的代謝途徑與分子機制是系統(tǒng)認識生物降解過程、研發(fā)酶激活劑、調控酶作用的基礎和關鍵。同位素示蹤、基因測序和網(wǎng)絡模型等方法有助于對該新陳代謝機制的識別。

1.2.2 樣品近紅外光譜掃描及數(shù)據(jù)預處理 采用Nicolet Antaris II型FT-NIR光譜儀對407個樣本進行光譜采集，光譜掃描范圍為1 000～2 500 nm，掃描次數(shù)64次，分辨率為0.5 nm。3次重復，取平均值作為該樣品的最終光譜數(shù)據(jù)。對煙葉近紅外光譜數(shù)據(jù)進行分析和處理時需對其進行適當?shù)臄?shù)學操作預處理，最大程度地去除冗余信息，以降低或消除非目標因素對光譜信息的影響[17]，從而更利于從復雜的光譜中提取有效信息，在一定程度上提高校正模型的穩(wěn)健性。在此，通過使用多元散射校正和二階導數(shù)的方法分別對光譜數(shù)據(jù)進行預處理操作。

(3)激活劑對酶作用的調控。深入研究激活劑對酶系組分之間的協(xié)同作用關系，激活劑與有機廢棄物組分之間的作用力、動力學和熱力學特征，以及激活劑對酶-底物耦合關系的影響，有利于掌握各種激活劑的功能特征和使用方法。

其次，“方便”和“便宜”是影響留學生購買決策的兩個重要因素。大多數(shù)留學生的可支配收入較低，甚至生活費都是他們父母提供的，所以他們可能更關心產(chǎn)品的價格。因此，在保證自身利益的前提下，網(wǎng)上零售商最好提供最大的優(yōu)惠價格，以促進他們的網(wǎng)上消費。

(4)酶的固定化技術。固定化技術是改善和提升酶活性和穩(wěn)定性的關鍵。一方面，當前固定化技術缺乏普適性，需要進一步深入研究以完善技術；另一方面，需要與企業(yè)緊密對接，推動酶的固定化技術在實際生產(chǎn)中的應用。

(5)降解酶的規(guī)模化生產(chǎn)與應用。通過構建高效基因工程菌來提高降解酶的表達量或者利用生化合成技術來批量生產(chǎn)酶制劑，在生物降解的基礎和應用研究方面都具有重要意義和價值。此外，還需要減少酶需求量和提高酶解效率以降低成本，優(yōu)化工藝流程和削減污染物毒性以保護環(huán)境。