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在酶反应器的操作过程中,防止微生物污染的主要措施有:
a)保证生产环境的清洁、卫生,要求符合必要的卫生条件。
b)反应器在使用前后,都要进行清洗和适当的消毒处理。
c)在反应器的操作过程中,要严格管理、经常检测、避免微生物污染。
d)必要时,在反应液中添加适当的对酶催化反应和产品质量没有不良影响的物质,以抑制微生物的生长,防止微生物的污染。
第5章现代环境生物技术原理
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5.2.6酶在污染治理中的应用
酶在废水处理中的应用越来越受到重视，这是因为：
①难降解有机污染物的排放日益增多，使用传统的化学和生物处理方法已很难达到令人满意的去除效果，这就需要找到一个比现行方法更快捷、更经济、更可靠、更简便的方法；
②人们已逐渐认识到酶能用来专门处理某些特定的污染物；
③生物工程技术的发展使酶的生产成本降低
大多数废水处理过程可分为物理化学过程和生物处理过程。酶的处理介于二者之间，因为它所参与的化学反应是建立在生物催化剂作用的基础上的。
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与传统处理过程相比，酶处理有以下几个优点
①能处理难以生物降解的化合物；
②高浓度或低浓度废水都适用；
③操作时的pH 、温度和盐度的范围均很广；
④不会因生物物质的聚集而减慢处理速度，处理过程的控制简便易行。
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1.含酚废水处理
芳香族化合物，包括酚和芳香胺，属于优先控制污染物（Priority pollutant ）。石油炼制厂、树脂和塑料生产厂、染料厂、织布厂等很多工业企业的废水中均含有此类物质。大多数芳香族化合物都有毒，在废水被排放前必须把它们去除。
很多酶已用于废水处理以取代传统的处理方法。其原因是：
①酶具有高度选择性，能处理低浓度废水；
②不易被有生物毒吐的物质所抑制；
③相对于其他处理方法，酶可在较大污染浓度范围内发挥作用，而且所要求的停留时间也少。
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下面介绍几种具体的酶类及其应用
（1）过氧化物酶（Peroxidase )
由微生物或植物所产生的氧化还原酶。它们能催化很多反应，但都要求有过氧化物，如过氧化氧（H2O2）的存在来激活。过氧化氢首先氧化酶，然后酶才氧化底物。现在研究和应用较多的过氧化物酶有辣根过氧化物酶( horseracish peroxidase , HRP）、木质素过氧化物酶（lignin peroxidase , IIP）及其他酶类。
1)辣根过氧化物酶（HRP , EC1.ll. 1.7）
酶处理废水领域中应用最多的一种酶。有过氧化氢存在时，它能催化氧化很多种有毒的芳香族化合物，其中包括酚、苯胺、联苯胺及其相关的异构体。反应产物是不溶于水的沉淀物，这样就很容易用沉淀或过滤的方法将它们去除。
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HRP特别适于废水处理还在于它能在一个较广的pH 值和温度范围内保持活胜。HRP 的很多应用都集中在含酚污染物的处理方面，使用HRP处理的污染物包括苯胺、羟基喹啉、致癌芳香族化合物（如联苯胺、萘胺）等。而且，HRP可以与一些难以去除的污染物一起沉淀，去除物形成多聚物而使难处理物质的去除效率增大。这个现象在处理含多种污染物的废水时有着重要的实际应用。
提高酶的使用寿命和减少处理费用有以下几种方法：选择合适的反应器结构，将酶固定化，使用添加剂（如硼酸钾、明胶、聚乙二醇）防止酶被沉淀的多聚物带走，增加诸如滑石之类的吸收剂的量以防止酶被氧化产物抑制。
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2）木质素过氧化物酶
木质素过氧化物酶，也叫木质素酶（ligninase )，是Phanerochaete chrysosporium 白腐真菌细胞酶系统的一部分。LIP可以处理很多难降解的芳香族化合物和氧化多种多环芳烃、酚类物质。LIP在木质素解聚中的作用已被证实。它的作用机理与HRP 十分相似。LIP的稳定性是它在废水处理应用方面经济和技术可行险的关键因素。LIP在低pH值状态下被抑制。
随着pH 值的升高和在酒精存在清况下培养酶以提高酶的浓度，LIP的稳定新性也提高。去除酚类的优化条件是：酶的浓度高，pH值大于4.0，一定用量的过氧化氢。LIP 固定在多孔陶瓷上并不影响它的活性，并表现出降解芳香族物质的良好性能。现在，一种能用于有害废物处理和生产LIP的硅膜反应器已研制出来。
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3）植物来源的酶
从西红柿中提取的过氧化物酶可用来使酚类化合物聚合。一些植物的根也可用于污染物的去除。
植物过氧化物酶在处理2 , 4 二氯酚浓度高达850mg/L 的废水时，去除速率与纯的HRP 差不多。去除速率与反应混合体系的pH 值、植物原料颗粒大小、原料用量、是否有过氧化氢参与等因素有关。
（2）聚酚氧化酶（polyphenol oxidascs )
聚酚氧化酶代表另外一类催化酚类物质氧化的氧化还原酶。已们可分为两类：酪氨酸酶和漆酶。它们都需要氧气分子的参与，但不需要辅酶。
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1）酪氨酸酶（tyrosinase )
酪氨酸酶（EC1.14. 18.1) ，也叫酚酶或儿茶酚酶，催化两个连续的反应：(a）单分子酚与氧分子通过氧化还原反应形成邻苯二酚; (b）邻苯二酚脱氢形成苯醌，苯醌非常不稳定，通过非酶催化聚合反应形成不溶于水的产物，这样用简单的过滤即可去除。
酪氨酸酶已成功地用于从工业废水中沉淀和去除浓度为0.01-1.0g/L 的酚类。酪氨酸酶用甲壳素固定化后处理含酚废水，2h内去除率达100％。固定化酪氨酸酶可防止被水流冲走及与苯醌反应而失活。固定化酪氨酸酶使用10次后仍然有效。因此，固定酪氨酸酶于甲壳素上可有效去除有毒酚类物质。
2）漆酶（laccase)
漆酶由一些真菌产生，通过聚合反应去除有毒酚类。而且，由于它的非选择性，能同时减少多种酚类的含量。事实上，漆酶能氧化酚类成十分活泼的相应阴离子自由基团。漆酶的去毒功能与被处理的特定物质、酶的来源及一些环境因素有关。
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2. 造纸废水处理
（1）过氧化物酶和漆酶
木材造纸工业纸浆中含有5-8g/100ml的木质残余物，使得纸浆呈褐色。现在的漂白剂是用氯气或二氧化氯。但漂白操作过程会产生黑褐色废水，包含有对环境有毒有害和致突变的氯化物。在经过使用微生物治理漂白废水后，现正积极考虑使用酶进行治理。辣根过氧化物酶和木质素过氧化物酶已应用于造纸废水脱色。
它们的固定化形式的处理效果比游离形式好。LIP 作用的机理为：通过将苯环单元催化氧化成能自动降解的阳离子基团而降解木质素。漆酶还可通过沉淀作用去除漂白废水中的氯酚和氯化木质素。
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（2）分解纤维素的酶（cellulolytic enzymes)
这类酶主要用于造纸浆和脱墨操作中的污染处理。纸浆和造纸操作中的废水处理产生的污泥纤维素含量高，可用于生产乙醇等能源物质。每生产1t纸大约产生60kg污泥，这样就可得到有经济价值的产品。
使用的酶是由纤维二糖水合酶（EC3.2.1.91）、纤维素酶（EC3.2.1.14）和β-葡萄糖酶（EC3 .2.1. 21）组成的混合酶系。脱墨操作中产生的低含量纤维质废物可转化为可发酵的得糖类。所使用的酶在高浓度墨存在时不被抑制。
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3.含氰废水处理
据估计全世界每年使用的氰化物为300万t ，主要是在化学合成、人造织物、橡胶工业、制药工业、矿石浸取、煤处理、电镀等领域。而且，很多植物、微生物和昆虫也能分泌自己体内的氰化物。因为氰化物是新陈代谢抑制剂，对人类和其他生物有致命的危害，因此处理氰化物非常重要。
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（1）氰化物酶
氰化物酶能把氰化物转变为氨和甲酸盐，因此是一步反应历程。Alcaligenes denitnficans（一种革兰氏阴性菌）可产生氰化物酶，该酶有很强的亲和力和稳定性，且能处理浓度低于0.02mg/L的氰化物。
氰化物酶的动力学性能服从米-门方程。氰化物酶的活性既不受废水中常见阳离子（如Fe2+、Zn2+和Ni2+）的影响，也不受诸如醋酸、甲酰胺、乙睛等有机物的影响。最适pH 范围是7.8～8.3。
适合于氰化物酶的反应器有扩散型平板膜反应器，它的优点在于防止酶被大分子冲刷和保护用来固定酶的基质不被破坏。氰化物通过半透膜与膜里面的酶反应，反应产物再渗透回溶液。
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（2）氰化物水合酶
氰化物水合酶（EC4.2.1.66)，也叫甲酰胺水解酶，能水解氰化物成甲酸胺。这类酶可由很多种真菌获得，它们被固定后有更好的稳定性，更利于含氰废水的处理。
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4.食品加工废水处理
食品加工工业是工业废水的主要来源之一。其他工业废水大多是有毒的，必须转化为无毒物质，而食品工业废水易于分解或转化为饲料或其他有经济价值产品。酶可应用于食品工业废水处理，以净化废水并获得高附加值产品。
（1）蛋白酶
蛋白酶（Protease）是一类水解酶，在鱼肉加工工业废水处理中得到了广泛应用。蛋白酶能使废水中的蛋白质水解，得到可回收的溶液或有营养价值的饲料。蛋白酶水解蛋白质，首先被水中固体蛋白吸收，酶使蛋白质表面的多肽链解开，然后更紧密的内核才逐渐被水溶解。
一种从Bacillus subtilis 中提取的碱胜酶（EC未知）可用于家禽屠宰场的羽毛处理。羽毛占家禽总重的5%，在其外表坚硬的角质素破坏后，是一种高蛋白的来源。通过NaOH预处理、机械破碎和酶的水解，可成为一种高蛋白含量的饲料成分
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（2）淀粉酶
淀粉酶是一种多糖水解酶，多糖转变为单糖和发酵能同时进行，淀粉酶用于含淀粉废水处理，可使大米加工产生的废水中的有机物转化为酒精。淀粉酶还可减少活性污泥法处理废水的时间。
淀粉酶和葡萄糖酶可用于光降解和生物降解塑料的生产。食品加工时产生的奶酪乳浆或土豆废水富含淀粉。首先使用a-淀粉酶，使淀粉由大分子化合物转变为小分子化合物，再用葡萄糖酶将其变成葡萄糖（多于90％的淀粉可转变为葡萄糖）。葡萄糖经乳酸菌发酵得到乳酸，用于生产可降解塑料。塑料的降解速度可通过乳酸与其他原料的比例来控制，一般是95％的乳酸和5％于环境无害的其他原料。
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5.微生物脂酶的应用
微生物脂酶（甘油脂水解酶，EC3.1.1.3）在现代生物技术中起着十分重要的作用并获得了广泛的应用。脂酶是生物体内脂类物质（三酰甘油脂）生物转化过程中不可缺少的催化剂。除其生物学意义外，脂酶在食品加工、生物医学、化工及环境保护等众多领域中有着巨大的应用前景。
脂酶具有在液相和非液相（即有机相）界面间起催化作用的独特性能，使其与酯酶不同。脂酶的催化活性通常依赖于底物的聚集状态。可以认为，脂酶的激活涉及到酶的活性部位的暴露和结构变化，这种变化需要在有水包油液滴存在下通过构象的改变来实现。
脂酶的活性与反应体系的表面积有关。最近对几种脂酶的结构研究结果为深入理解其水解活性、界面激活和立体选择性提供了一些思路。脂酶能催化一系列反应，包括水解、醇解、酸解、酯化和氨解等。
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尽管对脂酶的研究已有多年，且脂酶可利用微生物发酵大量获得，但脂酶的早期应用仅局限于油脂化学、乳品加工等行业。近年来，脂酶的应用领域不断拓宽，已涉及到制药、杀虫剂生产、单细胞蛋白生产、化妆品生产、废物处理及生物传感器等领域。
脂酶广泛存在于自然界的动植物中，尤其在微生物体内，包括细菌、真菌在生物技术领域中，人们更多地关注利用微生物作为酶源的脂酶。大量的微生物可以用来生产脂酶，其中以假丝酵母（Candida sp.）、假单胞菌（Pseudomona s sp .）和根霉（Rhizopus sp.）为其重要的酶源。
脂酶应用于被污染环境的生物修复以及废物处理是一个新兴的领域。石油开采和炼制过程中产生的油泄漏，脂加工过程中产生的含脂废物以及饮食业产生的废物，都可以用不同来源的脂酶进行有效的处理。例如，脂酶被广泛地用于废水处理。 Dauber 和Boehnke 研究出一种技术，利用酶的混合物，包括脂酶，将脱水污泥转化为沼气。
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一项日本专利报道了直接在废水中培养亲脂微生物来处理废水。脂酶的另一重要应用是降解聚酯产生有用物质，特别是用于生产非酯化的脂肪酸和内酯。
脂酶在生物修复受污染环境中获得了广泛的应用。一项欧洲专利报道了利用脂酶抑制和去除冷却水系统中的生物膜沉积物。脂酶还用于制造液体肥皂，提高废脂肪的应用价值，净化工厂排放的废气，降解棕榈油生产废水中的污染物等。
利用米曲霉（Asperillus oryzae）产生的脂酶从废毛发生产胱氨酸，更加显示出了脂酶应用的诱人前景。利用亲脂微生物，特别是酵母菌，从工业废水生产单细胞蛋白，显示了脂酶在废物治理中应用的另一诱人前景。脂酶在环境污染物的治理中的应用总结于表5-2。
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使用酶处理废水主要是通过沉淀或无害化去除污染物。酶也可用于废水预处理，使其在下一流程更易于去除。但是，在应用酶时，要特别注意处理过程中有无有毒物质的产生。因此，在应用酶进行具体实际操作前，一定要对酶反应是否可能产生有毒物进行充分研究。在酶处理过程中产生的固相沉淀物如酚类沉淀物要妥善处置。若用燃烧处理，则必须控制燃烧过程有害气体的产生。最好考虑沉淀物的综合利用。
为了成功地应用酶处理工艺，必须考虑酶的费用。现在由于其分离、纯化和生产的费用，酶的价格仍较高
高浓度污染物不利于使用酶处理，因为此时酶的用量多，处理费用太高。酶适于低浓度、高毒性污染物质的处理。
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来自于很多种植物的微生物酶在一系列的废水处理应用中发挥着重要的作用。酶能作用于特定的难降解污染物，通过沉淀或转化为无害物而把它们去除。它们也可改变特定废水的吐能使之更易于后续处理或有利于废物转化为有附加值的产品。
酶处理有着广阔的应用前景。酶反应副产物的特性和稳定化、反应残余物的处理、处理费用问题必须进行深人研究。
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