漆酶对环境污染物降解的研究_环境污染物之生物降解

2020-02-28 其他范文下载本文

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《环境生物技术》论文

——漆酶对污染物降解的研究

漆酶对环境污染物降解的研究

摘要：漆酶是一种含铜多酚氧化酶，该酶是一种氨基酸残基在500个左右的单体酶，一般都为酸性蛋白，漆酶的应用集中在以下几方面：生物漂白，环境治理，漆酶降解有害物质，工业废水处理；其他方面的应用；等等。本文进行了漆酶对废水降解的初步研究，并对染料废水的降解机理和部分影响因素进行了一定的分析探讨。

关键词：漆酶、应用、降解机理、影响因素。

漆酶是一种含铜的多酚氧化酶，和植物中的抗坏血酸氧化酶、哺乳动物的血浆铜蓝蛋白属铜蓝氧化酶家族中的同一小族，在结构和功能上存在着许多相似之处。它最早是从日本漆树的汁液中发现的，后来也发现其存在于多种植物、昆虫和高等真菌中【1】。不同来源的漆酶具有不同的催化性质．即使是相同来源，比如同一白腐菌菌种，可分泌多种具有不同性质的漆酶组分，包括氧化能力，酶蛋白分子量，最适pH值、底物的专一性等等…，因此所起的作用是各不相同的。在漆酶降解木素方面已进行了较多较深入的研究，漆酶除了能氧化木质素以外，还被证明能催化多种底物，如酚类化合物及其衍生物、芳胺及其衍生物、羧酸及甾体激素等【2】。由于许多漆酶氧化的底物为环境污染物，因此利用白腐真菌产生的漆酶处理印染废水，降解染料化合物的研究在环境保护中具有十分重要的意义。应用漆酶来实现纸浆的生物漂白正是研究的一个热点【3】；另外，漆酶还具有降解氯化有机物去除环境中有毒污染物毒性的作用，本文就漆酶的这一性质做一介绍。

1漆酶的催化机理

一般认为生物法降解主要有两种机理在起作用：吸附和降解，以降解为主。生物降解又分为两步：一是染料分子吸附到菌体上，部分透过细胞膜进入细胞体内；二是利用微生物产生的酶催化氧化还原染料分子，破坏不饱和共轭体系，达到去色的目的，中间产物进一步氧化还原分解并最终分解为C02和水或转化为所需的营养物质，组成新的原生质【4】。

根据对漆酶光谱学、动力学和晶体衍射的研究，漆酶催化底物的方式可能如下：底物结合于酶活性中心的I型铜原子位点，通过cys．His途径将其传递给三核位点，该位点进一步把电子传递给结合到活性中心的第二底物氧分子，使之还原为水。整个反应过程需要连续的单电子氧化作用来满足漆酶的充分还原，还原态的酶分子再通过四电子转移传递给分子氧，因此漆酶又被称为分子电池。在此过程中，氧还原很可能分两步进行，两个电子转移产生过氧化氢中间体，该中间体在另两单电子作用下被还原为水。

2漆酶的主要用途

2.1环境治理

生物整治包括染料脱色、工业废水处理和土壤修复等领域。因漆酶对底物的专一性要求不高，含介体的酶催化系统能氧化大范围的化合物，所以在环境污染控制中有广泛的应用。由于合成染料广泛的用于印染工业，目前已超过10，000种。合成染料被人们设计成防水、抗光照、抗氧化的生物难降解化合物，以通常的活性污泥方法处理纺织废水很难达到预期目的，同时存在着花费高和污泥再处理的问题。而筛选的染料降解细菌，对降解的染料结构有高度的专一性，不适用于化学结构多样性的纺织废水处理【5】。

由于漆酶具有降解残余木素、氧化去除有毒氯酚化台物的作用．因此不少研究者尝试将漆酶用于处理含酚的工业废水。效果还是比较显著的。木材剥皮废水中含有有色的酚型化台物，使用漆酶处理该废水。通过催化氧化聚合反应，可去除90％以上的鞣酸类和其他酚型化台物，废水经硫酸铝絮凝后，色度下降82％；同样的混台废水经漆酶处理lh随后经硫酸铝絮凝，由色谱分析证实86％的氯代酚，99％的氯代愈疮木酚和80％的氯代香草醛，92％的氯代儿荣酚可被去除掉。漆酶还可以降低造纸厂漂白车间碱抽提段废水，漆酶经固定化后，可进一步提高漆酶处理废水脱色的有效性，每一单位酶活所降低的废水色度值．就白腐菌处理废水与漆酶处理废水的脱色效果比较而言，白腐菌处理3天可使废水脱色30％-50％，与漆酶处理几小时的脱色效果相近。但随着处理时间的延长，白腐菌总的废水脱色率达到70％一80％，比用漆酶处理的废水的脱色率高20％～30％，这可能是由于白腐菌处理时，分泌出的多种酶所起的协同作用。因此结合使用两种或多种酶可能提高处理废水的效果【6】。

2.2漆酶降解有害物质

2.2.1 氯酚类有机化合物

氯酚类物质是一类非常重要的工业有机化合物，被广泛应用于许多商品如染料、颜料、防腐剂、除草剂、杀虫和杀菌剂等一由于氯酚类化合物具有不同程度的毒性．因此，生产这些物质所排放的工业废物是一污染源；另外，如石油相关产业，纺织工业以及造纸工业纸浆氯漂废水以及饮用水使用氯气杀菌过程都产生一些氯酚及其衍生物，对环境和人类健康造成严重危害。过氧化物酶和酪氯酸酶具有降解环境中这类有毒有害物质的能力。据报道，漆酶具有与这两种酶相似的性质但漆酶在反应中不需要添加过氧化氢。研究表明．漆酶具有转化酚型底物的能力，其中包括氯酚、甲基酚和甲氧基酚等。在底物聚合过程中．有氯离子溶液中破释放出来【1】。

2.2.2 漆酶降解取代苯胺

苯胺取代物也是一类有机污染物，可由不同途径进八环境中，如多种杀虫剂苯脲、氨基甲酸苯酯，除草剂酰基酰苯胺及杀菌剂硝基苯胺的微生物代谢产物，也有些是在制造染料时作为废物排放而进入环境成为污染物。漆酶活性一般是表现在氯化酚型底物上的，但也有例外。当胺上含有2个氨基基团，某些漆酶对芳香胺类也具有活性。如苯二胺，常常用于测定漆酶的活性并眦此来区别于其他的聚酚氧化酶

2.3 生物漂白

生物漂白是利用微生物或者其分泌的酶处理纸浆，达到脱除木素或有利于脱木素，并改善纸浆的可漂性或提高纸浆白度的过程。生物漂白主要包括两方面的研究：(1)微生物直接作用于纸浆进行漂白：(2)生物酶对纸浆的漂白。目前研究或应用的酶，主要有半纤维素酶和木素酶二类。半纤维素酶包括木聚糖酶和聚甘露糖酶；木素酶有木素过氧化酶、锰过氧化酶和漆酶。漆酶和木聚糖酶是当前制浆造纸工业中研究应用最多的二种酶，其中木聚糖酶已在工厂使用。木聚糖酶可以提高浆料的可漂性，而漆酶在介体和氧气的存在下，有很好的脱木素选择性【7】。

2.4其它

我国是世界上漆树资源最丰富的国家，从漆树中分泌出的一种灰白色浊液，即为生漆或称天然漆。作为一种超耐久性的涂料，生漆在中国及东南亚地区已经使用了几千年，长久以来享有“涂料之王”的美誉【8】【1】。漆树漆酶是生漆的重要组成部分。由于漆酚的毒性非常大，所以漆树的汁液经常被用来研究植物对真菌和昆虫的防卫反应，在有氧气存在的条件下，漆树的汁液会变成韧性很强的固体，保护伤口，除了空气的直接氧化作用外，漆酶氧化漆酚形

成高聚物对汁液的固化起了非常重要的作用【9】。基于同样的原理，漆酶可催化染色剂中酚或芳胺类化合物在毛发上氧化成醌或黑色素使毛发染成黄色或黑色。在某些方面也有应用，如有机合成、酶免疫分析(EIA)、基于漆酶的生物传感器在化学分析中进行痕量物质的检测乙醇生产、酒类去酚食品的保鲜及改良等。漆酶作用于碘化物，可将碘负离子转化为碘，用于化妆品和药品当中能脱除黑素，也可用于洗涤剂，染发剂和纺织物染色剂中【10】。

3漆酶活力的影响因素：

3.1pH

一般来说，每种酶都有自己最适宜的pH值范围，因为酶的活性部分一般含有重要的酸性或碱性基团，这些基团随着pH值的变化可以处于不同的离解状态。pH值对酶活性的影响主要有以下几个方面：(1)酸或碱使酶的空问结构改变，引起酶的活性丧失；(2)酸或碱影响酶活性部分的离解状态，使得底物不能被分解；(3)酸或碱破坏了底物的离解状态。PH值在4．0--7．0之间时漆酶活力变化不大；但pH8．0时【11】，则会抑制菌株漆酶的分泌，菌株产酶量都将显著下降。说明在该条件下，只要pH值不过高或过低，对漆酶的分泌影响不大。

3.2 缓冲液对漆酶活力的影响

随着培养时间的增加，培养体系的pH值往往会有所波动。如果体系pH值变化比较大的话，则将会直接影响到微生物的代谢途径，如生长繁殖缓慢甚至死亡、代谢产物分泌减少等。对酶的影响可以分为两个方面，一方面为酶量的影响，一方面为酶活力的影响。故我们有必要初步研究不同缓冲液对分泌漆酶的影响情况。产漆酶菌生长的最适pH值为5．5。我们把缓冲体系的pH值均调至5．5，在此pH值条件下，微生物分泌漆酶较多。缓冲体系为琥珀酸钠溶液时，所测漆酶活力最高。而无缓冲性的体系所得漆酶活力明显低于有醋酸和琥珀酸钠缓冲体系的漆酶活力。由此可以说明，体系pH值波动较大时，将不利于漆酶的分泌【4】。

3.3金属离子对漆酶活力的影响

Cu2+离子对漆酶产量的影响由于添酶是一种含铜的多酚氧化酶，故CuS04可作为漆酶产生的诱导物通过改变产酶培养基中cu2+离子的浓度，研究其对漆酶产量的影响。实验表明，当加入离子的浓度为2．0 u mol／L时酶活可增大近3倍，无CuS04诱导时漆酶活力仅为18．33U／mL，如果cu2+离子的浓度为0--2．0p mol／L时都提高了产酶量。cu2+对漆酶有激活作用与Cu2+是漆酶的一个活性中心，也是漆酶分子的一个重要组成成分的特点一致【4】。

3.4诱导物对漆酶活力的影响

愈创木酚和旺．萘酚、苯甲醇是很好的漆酶诱导物。苯甲醇诱导能力最强，产漆酶相对活力可达294．01％，漆酶活力增大近3倍，无诱导物时漆酶活力为16．53 U／mL。当所加诱导物为愈创木酚时所测的漆酶活力也较高一定浓度的苯甲醇、愈创木酚和旺．萘酚都能促进漆酶的分泌，各有不同的诱导能力。苯甲醇、愈创木酚和a一萘酚对漆酶的诱导机理是因为三种化合物的分子结构中均含有芳基和羟基，而芳基和羟基是漆酶作用底物的特征官能团，所以它们能够诱导菌体分泌更多的漆酶。但要注意的是，正如Cu2+离子一样，诱导物浓度也不能过低或过高，因为浓度过低促进作用不明显，过高则会抑制漆酶的分泌。有时诱导物的添加对漆酶的产生还起着不可或缺的作用，如取代酚、胺能诱导香菇在深层液体中产生大量漆酶，在这些诱导物不存在时将不产生漆酶【4】。

3.5 温度对漆酶活性以及稳定性的影响

不同来源的漆酶的最适温度不尽相同，大多数漆酶的适宜反应温度通常在30～50℃之间。通常在最适温度以内，漆酶催化反应速率随温度的升高而增加，高于最适温度后，反应速率迅速下降，酶开始迅速失活。现在也有耐高温漆酶生产菌株的报道。梦茹等【12】的毛柄金钱菌漆酶温度达到80℃时，酶活为最高酶活的51％。

4结语

目前，我国工业废水对环境的污染十分严重，尤其是造纸工业的氯漂废水，除含有较高的BOD、COD和具有较高色度外，还含有大量有毒难以被传统处理方法降解的有机氯化物。漆酶具有较强的转变去除氯酚和苯胺化台物的能力，因此利用漆酶处理造纸氯漂废水和其他含酚工业废水将是一条有效的途径之一，并且要根据不同的影响因素选着不同的降解处理机制，使漆酶活力达到最适宜，提高降解效率。

参考文献：

【1】科学院广州化学研究昕纤维索化学开放实验室．秦文娟，寸时雨

【2】陈琼华.真菌漆酶高产菌株的筛选广州大学学报（自然科学版）

【3】郭梅.路福平.基因工程菌漆酶降解2-氯苯酚的研究河北农业大学学报

【4】白腐真菌产漆酶对染料废水降解的研究南京理工大学邹建炫

【5】侯红漫，周集体，陈丽。腐菌漆酶特性及异生芳香化合物的降解．林产化学与工业

【6】山东轻工业学院腐菌的发酵培养及其漆酶在氯漂废水处理中的应用周喜燕

【7】王习文，詹怀宇．麦草烧碱-AQ浆的漆酶／介体体系与术聚糖协同漂白．中国造纸

【8】Du Yu—min．New Advance Oil Study Chinese Lacquer．Chem Bull

【9】王国栋，陈晓亚等．漆酶的性质、功能、催化机理和应用植物学通报。

【10】李光日．付时雨，秦文娟等漆酶催化活性中心结构及应用的研究进展．纤维素科学

【11】Crstini C，D’Annibale A，Giovannozzi Sermanni G．Aqueous plant stimulators