漆酶的固定化及其在废水处理中的应用
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取得了较好的反应结果 &:: ’! 使用聚丙烯酰胺凝胶包 埋来源于 +" #$%&’()*)% 的漆酶 " 固定化酶的活性回收 率为 *=9 " 它可以较高效率地催化氧化分解 * I 甲 基 I L I 羟基邻氨基苯甲酸和丁香醛连氮 &:@ ’!
*
共价结合法 共价结合法是指酶分子上的官能团与载体上的
生物常常具有致病性 ! 而酶对环境很友好 !因为酶及
’
物理吸附法 物理吸附法是指将酶液与活泼吸附剂接触 ! 使
酶通过分子间相互作用力吸附在载体上的固定化方 法 $物理吸附的优点在于其固定化技术简单 !可供选 择的载体较多 $ 此外 ! 固定化酶的活性损失小 !即使
’!
工业水处理 %&&M ’ =M"%M$M% 漆酶失活后也可以很方便地用物理吸附法进行重新 活化和再生 ! 但是物理吸附的缺点 "主要是酶和载体 结合力不强 " 容易脱落 "固定化酶可重复利用率低 ! 物理吸附法固定漆酶的研究中 " 常用导电的石 墨#碳纤维 #过渡金属 $如金 %或其氢氧化物 #氧化物等 载体固定漆酶 "从而得到高性能的生物传感器 " 这些 生物传感器可用来监测水溶液中的各种酚类污染物 ! 还有人利用一些廉价易得的无机载体材料如多孔玻 璃 &!’#多孔的纤维 #硅胶 #金属铝 #土壤等固定漆酶 "研 究表明其中有些固定化酶的活性比游离酶的活性还 有所提高"这可能是在这些固定化材料中添加了一些 金属离子"使漆酶活性增大 ! 也有人利用有机载体如 琼脂糖凝胶 "#$%&’()# *+ , -$. , /01 , 23 $一种金属
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包埋法 包埋法是将漆酶物理包埋于高聚物网格内或微
囊内的方法 " 一般反应条件温和 "对酶自身的结构改 变很少 " 因此酶活性损失较小 " 固定化效率较高 ! 包 埋漆酶常用的材料有聚丙烯酰胺 # 海藻酸钙 #琼脂糖
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专论与综述 化氰与多糖反应生成活泼的亚胺碳酸盐 ! 然后与蛋 白质的氨基发生化学反应 !从而可以共价结合酶 " 例 如来源于 !"#$%&’()$( *)"+(, 的漆酶固定在溴化氰活 化的 !"#$%&’(" )* 上 ! 其固定化效率为 +,,- ! 固 定 酶的活性为 ./-!可以有效地除去酚类化合物
第 &) 卷第 ) 期 &"") 年 ) 月
工业水处理
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漆酶的固定化及其在废水处理中的应用
罗开昆 ! 彭红 ! 龚跃法
! 华中科技大学化学系 " 湖北 武汉
!"##$! #
! 摘要 " 漆酶是一类多酚氧化酶 ! 它能够催化空气中的氧气直接氧化各种酚类 " 芳胺等芳香类化合物 # 固定化漆 酶能够延长漆酶的使用寿命 " 提高漆酶的稳定 性 及 其 对 环 境 的 耐 受 性 ! 因 此 它 具 有 比 游 离 漆 酶 更 好 的 使 用 性 质 ! 从 而在制备生物传感器 " 治理工业废水等方面有着较广泛的应用 $ 综述了近几年来固定漆酶的主要方法及其在废水处 理中的应用 ! 并对固定化漆酶的工业应用前景进行了展望 $ ! 关键词 " 固定化 % 漆酶 % 废水处理 % 生物传感器 % 生物催化 ! 中图分类号 " %$#"&’ ! 文献标识码 " ( ! 文章编号 " !""# $ %&’% &&"") ’#) $ ""’! $ "!
活化基团反应 "形成稳定的化学共价键的方法 !这时 酶与载体结合非常牢固 " 不易发生酶的脱落 "有良好 的稳定性和可重复使用性 " 是目前酶固定化研究中 最为活跃的领域 "但其缺点也较明显 ) 反应一般较剧 烈 " 容易使酶失活 " 此外载体不通用 " 必须根据酶的 特性 "选择适当的载体材料 ! 常用的固定漆酶的共价 结合法有硅烷化法 # 溴化氰法等多种方法 ! 硅烷化法是研究得最多 # 应用最为广泛的共价 结合漆酶的方法! L I 氨基丙基三乙氧基硅烷 $1BN-"% 和戊二醛 $O>PN1>% 活化后的玻璃珠对来 源 +" #$%&’()*)% 的漆酶的固定化率为 :==9 " 得到的 固定化漆酶的活性为游离酶的 ?=9 " 而且该固定化 酶的动力学常数没有受到很大的影响 ! 在长期的应 用过程中该固定化酶显示了非常好的稳定性 &:L ’! 此外通过 1BN-" 和 O>PN1> 活化廉价易得 的 硅胶 #陶瓷 #土壤 # 蒙托石等来固定 +" #$%&’()*)% 漆酶 也取得了较好的效果 ! 并表明该类固定化酶有良好 的稳定性和重复使用性 &:* ’! 肖亚中等使用壳聚糖固定化漆酶 " 通过共价结 合 "壳聚糖固定化漆酶获得了较高的酶活性回收率 " 在 4M #条件下半连续处理酚类污染物 " 连续进行了
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$由于它具有
相当广泛的底物专一性和较好的稳定性 ! 因此漆酶 在生物传感器方面 ! 在治理含酚废水 " 纺织印染废水 和造纸工业废水等方面有着非常巨大的应用前景 $ 与直接利用微生物处理废水相比 ! 酶催化反应 具有以下优点 (&’’ 分解效率高 $ 例如 !:%2’"&". 6"%!
.-8);)% 菌的培养液中加入 I&) <= * * 的二口恶英 ! 培养 ’ 周后 !NNO 的污染物被分解 ! 而 #&#’ P * * 漆酶与 ) <= * * 二 口恶 英 反 应 ! 在 !# + 的 温 度 下 !’# </1 内 Q)O的二口恶英就被分解掉了 $&I ’毒性小 !易操作 $ 微
离子交换法固定化漆酶蛋白质吸附率高 " 漆酶 的活性损失小 "由于载体对漆酶构型影响不大 " 所以 固定化后的漆酶对底物的催化效率很高 !
:4 批次操作 " 固定化酶活性仍保持 != 9 以上 " 漆酶
的使用效率比简单的物理吸附明显提高 &:M’!
Q3&J 0# 等使用 1BN-" 和 O>PN1> 将漆酶固定 在 BD 电 极 上 " 得 到 了 较 好 的 稳 定 性 和 可 再 生
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其反应产物在环境中极易进一步被生物降解 $&"’ 使 用范围宽 $ 酶可以在较宽的 3F "温度及盐浓度范围 内处理低浓度或较高浓度的污染物 ! 而微生物一般 仅适用于处理较低浓度的污染物 $ 酶的主要缺点是 价格高 ! 且易受各种因素 & 如盐的浓度 "3F 及有机溶 剂等 ’ 的干扰变性失活 $ 但随着现代生物技术的发 展 !通过有效地分离 "纯化 "基因表达与重组技术 ! 生 产大量的 " 便宜的酶已成为可能 $通过使用新型的酶 固定化技术 ! 可明显提高酶的使用稳定性和重复利 用率 !从而可进一步降低其使用成本 $ 固定化漆酶是指将水溶性漆酶以物理或化学的 方法固定在有机或无机的载体上 ! 形成不溶于水的 具有酶活性的酶衍生物 $ 其中物理方法主要有物理 吸附法 " 包埋法和离子吸附法三种 %化学方法主要有 共价结合法和交联结合法两种 $
性 ! 该电极的灵敏度为 LM= F1 * > $ F(C" 是最近报道 的最高值 " 并且其响应时间非常快 !该电极能够连续 使用 != 次以上并且活性能够保持两个月之久 &:! ’! 用 溴 化 氰 活 化 的 "#$%&’()# 或Hale Waihona Puke Baidu"#$%R#S 固 体 漆 酶的方法简便易行 " 反应条件温和 "其原理是利用溴
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改 变 易 使 漆 酶 从 载 体 上 脱 落 下 来 而 失 活 ! B#’&CD&"
E&F(’& B&D’.G.( 等使用 /H1 I *== 离子交换树脂固定 了由 +" #$%&’()*)% 产生的漆酶 " 在 @= F.J 内就可以 :==9的固定该漆酶 " 他们使用该固定化漆酶对染料 H#F&K(C +’.CC.&JD +C3# H 进行脱色 " 在 L= F.J 内脱色 接近 :==9&:=’!
789 " 同 时 经 其 处 理 后 " 该 废 水 还 可 以 重 复 利 用 "
这就大大降低了水的消耗率" 而传统的纺织工业 中 : ;< 纺织材料约要消耗 :=8 > 水 !
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离子交换法 在物理吸附中还有一种重要的吸附方法是离子
交换法 " 该方法操作简单 " 反应条件温和 " 酶活性损 失小" 但酶与载体间的静电引力容易受到溶液的
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45
罗开昆 !等 " 漆酶的固定化及其在废水处理中的应用 凝胶等 " 其中来源于 +" #$%&’()*)% 的漆酶包埋于琼脂 糖凝胶 "#$%&’()# 2> I !+ 后 " 该固定化漆酶在有机 溶剂中或在水饱和的有机溶剂中都显示了非常好 的稳定性 " 而且对温度的升高有较强的耐受力 ! 在
L= # 环己烷溶液中保温 L! %" 该固定化酶的活性损 失不到 M9 ( 在水饱和的乙酸乙酯中转化 @"! I 二甲 氧基苯酚或在二口恶烷 $ 水混合溶剂中降解木质素都
说真菌漆酶研究得最广泛 !它是一种胞外酶 !可以通 过微生物培养或基因工程的方法大量生产得到 $
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漆酶可以催化空气中的氧气直接氧化分解各种 酚类染料 + 取代酚 " 氯酚 " 硫酚 " 双酚 (" 芳香胺等 ! 在 漆酶介体 &FJK"(JKL 等 ’ 存在下 ! 漆酶还可以催化 降解与木质素相关的二苯基甲烷 "> M 取代对苯基二 胺 "有机磷化合物 &农药 ’及二口恶英等
螯合亲合基质 %固定 !" #$%&’()*)% 漆酶 "其吸附漆酶效 率非常高 " 稳定性也特别好 " 而且该材料对环境特别 友好 "可以重复利用 &6!7’! 这可能是因为漆酶的活性中 心含有铜离子 "因此酶对载体上的铜离子有较强的吸 附能力 "增大了载体与酶间的相互作用力 ! 来 源 于 +%,-$.$& /’%&0.$ 的 漆 酶 通 过 简 单 的 物 理吸附法固定在金属铝上后 " 用它来处理含染料的 纺织废水" 结果表明废水中染料的毒性降低了
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工业水处理 )**8 + ,8!)8 (8) 提高了酶的固定化效率 ! 而且使漆酶在 J,R 1PS 有机溶剂中的稳定性显著提高 ! 同时该固定化酶对 处理造纸厂排放的废水非常有效 &CC $%
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共价结合法 共价结合法是指酶分子上的官能团与载体上的
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酶通过分子间相互作用力吸附在载体上的固定化方 法 $物理吸附的优点在于其固定化技术简单 !可供选 择的载体较多 $ 此外 ! 固定化酶的活性损失小 !即使
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相当广泛的底物专一性和较好的稳定性 ! 因此漆酶 在生物传感器方面 ! 在治理含酚废水 " 纺织印染废水 和造纸工业废水等方面有着非常巨大的应用前景 $ 与直接利用微生物处理废水相比 ! 酶催化反应 具有以下优点 (&’’ 分解效率高 $ 例如 !:%2’"&". 6"%!
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漆酶可以催化空气中的氧气直接氧化分解各种 酚类染料 + 取代酚 " 氯酚 " 硫酚 " 双酚 (" 芳香胺等 ! 在 漆酶介体 &FJK"(JKL 等 ’ 存在下 ! 漆酶还可以催化 降解与木质素相关的二苯基甲烷 "> M 取代对苯基二 胺 "有机磷化合物 &农药 ’及二口恶英等
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