微生物学新技术在环境工程中的应用

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通常生物材料中所含酶的总量并不太少，但每一种酶的含 量却很低，常在0.0001-1％，如胰腺中含有5％的胰蛋白 酶，而脱氧核糖核酸酶仅含0.004％。由于各种酶在生物 材料中含量很低，因此提取、分离和纯化各种酶制剂是一 项比较复杂的工艺过程，犹如“沙里淘金”的“冶炼术”。
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在固定化酶广泛应用的基础上，人们发现天然细胞本身就 具有多功能的系列化反应系统，因此采用物理或化学方法 将细胞固定化，这是利用酶或酶系的一条捷径。
固定化细胞技术开始于70年代，其实际应用程度已超过固 定化酶。
固定化细胞比固定化酶具有明显的优点，主要是省去了破 碎细胞提取酶的手续。酶在细胞内环境中稳定性较高，进 行完整细胞固定化时，酶活力丢失较少。尤其在需要利用 复合酶系时，应用固定化细胞生物反应器可以把发酵工艺 改为连续酶法反应，其制造成本也较低。
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生物表面活性剂是由微生物所产生的一类具有表面活性的 生物大分子物质。与化学合成的表面活性剂相比,生物表 面活性剂除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等 相同作用外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的 无毒、能生物降解等优点。
随着第三代酶制剂的诞生，应用各种酶工程技术制造精细 化工产品和医药用品及其在化学检测、环境保护等各个领 域的有效应用，使酶工程技术的产业化水平在现代生物技 术领域中名列前茅，并正在与基因工程、细胞工程和发酵 工程融为一体，形成一个具有很大经济效益与社会效益的 新型工业门类。
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1．特异生物催化剂——酶
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Hale Waihona Puke Baidu
4.酶工程技术的产业化
新型抗生素生产工艺
抗生素工业是以青霉素的生产为开端的，迄今已有50多年 的历史。70年代开始，出现了一种新的生产工艺—酶法半 合成。已用酶法生产的产品有头孢霉素I号、Ⅳ号、羟头 抱霉素、青霉素等。充分显示了酶法半合成作为抗生素生 产工艺的后起之秀具有巨大的竞争力。
酶的功能特异，威力非凡，生物的生长、发育、繁殖、营 养、运动以及发酵、呼吸、光合作用、神经刺激、免疫反 应无一不受到酶的催化作用。
已知酶的种类约有8000种，它们都是由生物细胞合成的一 类特殊蛋白质，细胞的一切活动都离不开酶的“推动”。
酶催化活力的高效性和专一性是任何其他催化剂所无法比
拟的。正因为体内存在为数众多、魔力非凡的酶，体内的
生化反应才能在十分温和的条件下(如37C体温，近中性
PH)飞快地进行。
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2.酶制剂
以微生物酶为主体的酶制剂工业形成于50年代。 其中工业用酶50一60种，治疗和诊断用酶120多 种，酶试剂300多种，已涉及到食品、医药、发 酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、 能源、农业、环保等经济部门。因此，人们把酶 制剂工业称为工业领域中的“医学金矿”。
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用酶工程法制备新型甜味剂
传统的甜味剂主要是蔗糖与糖精。糖精被禁用后，蔗糖就 成了食品甜味剂的主角。1973年，用固定化葡萄糖异构酶 从葡萄糖生产高果糖浆获得成功，产量迅速增加，目前已 达几百万吨，正在逐步取代蔗糖作为食品与饮料的甜味剂。 美国可口可乐公司所用甜昧剂几乎是高果糖浆。最近食用 甜味剂又出现了一颗新星——天冬氨素。它是低热量、安 全，又有一定营养价值的新型甜昧二肽，甜度是蔗糖的 l50一200倍，可用酶工程法制备。
3.固定化酶与固定化细胞
固定化酶与固定化细胞是酶工程的核心“软件”，因为以 它为基础就可以根据化学反应工程的需要，组装成高效、 连续运转的生物反应器，再与其他工程设备、电子元件配 套形成完整的生物反应工艺装置。
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酶的催化作用主要取决于酶的活性部位(即活性中心)与底 物的相互作用。酶的活性中心是由数个氨基酸残基组成的。 要使酶在固定化状态仍保持活性不变，使用时活力长久不 衰，则必须保持活性小心不受损伤。所以制备固定化酶或 固定化细胞时，需要在严密和尽量温和的条件下进行，已 研究许多有效的方法可以制备表现活力高，使用寿命长的 “长效、无公害”的生物催化剂。因为应用这些催化剂不 仅使用寿命长，而且整个工艺过程几乎无三废污染。
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国际上酶制剂的年产量已超过10万吨，其来源有动物、植 物与微生物。微生物酶制剂是工业酶制剂的主体，年产值 已超过6亿美元。由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使 用，它带动了许多产业的发展。
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酶制剂的主要发展动态是： 洗涤剂用酶迅速普及西欧、美日等国； 凝乳酶广泛用于乳酪制造； 酶制剂新市场——催化剂、医药用酶和三废处理用酶 迅速发展； 应用固定化异构酶大量生产高果糖浆； 筛选耐高温脂肪酶、糖化酶和蛋白酶； 应用基因工程技术改造和生产新型酶制剂。
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5.固定化酶和固定化细胞在环境工程中的应用
环境监测
根据固定化酶用于化学分析方面的相同原理，固定化酶也 可以用于测定有毒物质的含量，进行环境监测，如用固定 化多酚氧化酶检测水中的酚类物质；利用固定化酶还可以 检测有机磷、有机氯农药和其他痕量的环境污染物(如过 氯酸盐、氰化物和尿素等)。
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处理三废
应用固定化酶或固定化细胞可以组成快速、高效、连续运 行的污水处理系统。如用固定化分解氰化物的细菌除去废 水中的氰化物；用固定化α—淀粉酶处理造纸厂的废水； 用水解农药的细菌固定化制剂处理农药废水等。
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第二节 微生物细胞外多聚物的开发与应用
1.生物表面活性剂
早在20世纪40年代,Zobell在研究硫酸盐还原细菌从沙粒 中释放原油的机制时就指出，微生物产生表面活性剂是细 菌驱油的主要机制之一。1957年,捷克的Dostalek和 Spumy把脱硫弧菌和假单胞菌同糖蜜一起注入油层，原 油产量提高。他们认为,可能是细菌产生的表面活性物质, 改变了岩石 油 水三相系统的界面张力所致。
第二篇 第六章 微生物学新技术在环境工
程中的应用
第一节 酶工程
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早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提 取、分离、纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食 品和医药等工业领域。
70年代后，酶的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固 定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获 得应用。