过氧化物酶在有机废水处理中的应用 5页

环境污染与防治网络版第7期2008年7月过氧化物酶在有机废水处理中的应用魏池泉作者：魏池泉，男，1973年生，硕士研究生，研究方向为云南白芸豆活性物质提取。（云南师范大学生命科学院，云南昆明650092）摘要介绍了过氧化物酶在有机废水处理中的应用，其中包括辣根过氧化物酶、木质素过氧化物酶及从植物中提取的过氧化物酶在含酚废水及含难降解的芳香族化合物废水、造纸废水处理中的研究和应用。不仅可降低有毒有机污染物的含量，而且使用固定化酶技术，必然会降低处理废水的成本，提高酶的使用效果。关键词过氧化物酶废水处理有机废水ApplicationofperoxidaseinthewastewaterpollutioncontrolWeiChiquan（SchoolofLifeSciences，YunnanNormalUniversity，KunmingYunnan650092）Abstract：Theapplicationofperoxidaseinenvironmentalpollutioncontrol，includingtheapplicationofhorseradishperoxidase，HRP，ligninperoxidaseinthetreatmentofwastewaterofcontainingphenolandaromaticcompoundsexchangedfrompetrochemicalandpulpingindustry.Keywords：peroxidase；wastewatertreatment；summary随着现代工业的发展，人们生活水平的提高，环境污染问题将是21世纪人们最关心的问题之一。目前我国有些地方严重的环境污染，已引起高度重视，加强环境保护和治理力度已成为社会各界的共识。在各种污染物中，有机污染物已成为重点污染源之一。现常用物理和化学方法对污染物进行处理,但这些方法设备投资很大，运转费用也昂贵，并且不能从根本上解决问题。过氧化物酶能够催化过氧化氢或低分子量的有机过氧化物与有机化合物的氧化反应,生成相应的产物。由于酶催化反应的高效性和专一性，它比常规氧化反应具有较高的选择性，反应条件也相对温和。过氧化物已被广泛应用于分析化学、环境化学和临床化学等领域，在生物传感器、材料科学方面也有应用。20世纪80年代初，KLIBANOV等首次将过氧化物酶于废水中酚类和芳香胺类化合物的处理，其后用酶法处理工业废水中酚类、胺类物质的方法越来越受到人们的关注，笔者结合过氧化物酶的催化反应机制，综述了过氧化物酶在工业废水处理中的应用。1过氧化物酶过氧化物酶是由微生物或植物所产生的一类氧化还原酶。它们能催化很多反应，但都要求有过氧化物，如过氧化氢的存在来激活。现在研究和应用较多的过氧化酶有辣根过氧化物酶(HRP)、木质素过氧化物酶(LiP)及其他酶类。1.1辣根过氧化物酶5n环境污染与防治网络版第7期2008年7月辣根过氧化物酶是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。HRP特别适合于废水处理还在于它能在一个较宽的pH和温度范围内保持活性。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率大。这个现象在处理含多种污染物的废水时有重要的实际应用。例如，多氯联苯可以与酚一起从溶液中沉淀下来。1.2木质素过氧化物酶木质素过氧化物酶，也叫木质素酶，是Phanerochaetechrysosporium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。去除酚类的优化条件：酶的浓度高，pH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。1.3植物来源的酶从西红柿中提取的过氧化物酶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2，4-二氯酚质量浓度高达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、植物原料颗粒大小、原料用量、是否有过氧化氢参与有关。2过氧化物酶的理化性质木质素过氧化物酶是一系列含有一个Fe(s)-卟啉环(ⅠⅩ)血红素辅基的同功酶，在温度大于35℃时开始失活，最佳稳定pH是4.5，在pH3.0以下极不稳定,加入藜芦醇能极大地增加酶的稳定性。MUTSUMI等用不含Mn2+的培养基培养PhanerochaetesoriadaYK2624后，发酵液中提取了一种新的Lip，该酶对多聚木质素的吸附力比黄孢原毛平革菌的Lip高，其氧化藜芦醇的最适pH为3.0，随着pH的升高，氧化速率减慢。EDTA、叠氮化物、氰化物都能抑制它的活性。TIEN等将限氮培养黄孢原毛平革菌所得的胞外酶液进行提纯分离，选择含量最大的木素过氧化物酶同工酶H8进行动力学研究，底物是藜芦醇。稳态动力学研究表明，酶催化藜芦醇的机制是双底物乒乓机制，催化反应的第一步是酶先与H2O2反应，生成一个氧化了的酶中间体，这个酶中间体通过氧化它的芳香底物藜芦醇还原成酶完成一个酶催化循环。瞬态动力学研究显示，在催化过程中，木素过氧化物酶(简称LiP)形成两个中间体LiP1和LiP2。反应过程如下所述：LiP首先被H2O2氧化，生成失去2个电子的氧化型中间体LiP1，接着氧化型中间体LiP1与一个底物分子反应,得到一个电子，生成LiP2和一个自由基产物，LiP2再得到一个电子还原成原酶LiP，同时再将一个底物分子变成自由基产物。生成的两分子芳香正离子自由基产物将发生一系列反应，侧链C－C键很容易断裂，甲氧基苯正离子自由基倾向于水合和脱甲基形成甲醛和苯醌。3　POD在工业废水处理中的应用5n环境污染与防治网络版第7期2008年7月由于POD能催化H2O2氧化酚类，芳香胺类物质的聚合反应，具有反应条件温和、选择性高、催化效率高的优点，所以在含酚废水、染料废水等工业废水处理有着潜在的应用前景，近年来越来越引起人们的重视。3.1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。石油化工厂、树脂厂、塑料厂和染料厂等企业的废水中都含有这类污染物。很多酶已用于这类废水处理。张国平等研究了用HRP对五氯酚的模拟废水进行催化聚合处理的过程。结果表明，HRP可以有效地去除五氯酚。反应的最佳pH为4～5，去除率可达95%以上。聚合处理过程中五氯酚与H2O2的反应计量比为2∶1。反应计量比以及处理过程中氯的释放实验表明，五氯酚聚合作用的主要产物是二聚体。另外，反应速度与酶和H2O2的用量有关，增加酶用量或适量增加H2O2的用量，可以明显缩短反应时间。胡龙兴等用海藻酸钙凝胶包埋HRP制成固定化酶，以H2O2为氧化剂，进行固定化酶催化氧化去除水溶液中酚的实验研究。对于100mL酚为100mg/L的单一苯酚或邻氯基酚水溶液，控制条件为：3%海藻酸钠液30mL，凝胶粒径1mm，固定化时间1h，酶包埋量50u，反应时间1h，pH6及H2O2加入量2mmol，单一苯酚和单一邻氨基酚水溶液的酚去除率可分别超过80%和70%。对混合酚水溶液的处理，存在明显的协同效应。制备的固定化酶具有一定的重复使用性能。采用HRP处理含五氯酚的模拟废水进行催化聚合处理，结果表明，HRP可有效除去氯酚，其反应最佳pH为4～5，去除率可达95%以上，聚合作用的主要产物为二聚体，同时废水处理前后的毒性也大为降低，总毒性可降为起始毒性的15%左右。胡龙兴等利用HRP处理含酚废水，考察了不同反应条件对酶催化化效率的影响，结果表明，在pH接近中性时，酚类的去除率最高，对于苯酚、邻氯苯酚、邻氨基酚3种单一含酚废水的处理，在除率分别为75%、95%、62%，而且酚类混合废水去除时存在明显的协同效应。张彤等采用人工配水实验，研究了HRP处理含苯酚和氯酚化合物的废水，在优化的催化条件下，苯酚的去除率可达99.5%，对氯苯酚的去除率可达95%，对酶催化反应机制进行了探讨，认为催化酚反应的氧化反应是乒乓双反应机制。DEC等利用富含HRP酶的植物材料处理含酚废水，也取得了很好的效果，有效地节约了酶的使用；其他如煤矿废水、铸造废水、漂白废水中酚类物质的酶法处理也有报道。马秀玲等采用磁性壳聚糖微球固定化HRP的方法，研究了其对模拟含酚废水的催化效果，使用固定化酶同溶解酶的反应条件相似，但反应活性有所提高，且酶可以重复利用，因此这是一种有希望降低成本的酶法处理工业废水的新方法。3.2氯代芳香化合物的酶处理技术20世纪80年代初，KLIBANOV等通过研究发现了辣根过氧化物酶能处理氯酚和苯胺，这类酶催化反应分为25n环境污染与防治网络版第7期2008年7月步，先形成游离基，然后自由基发生聚合生成高分子化合物而沉淀，整个反应过程和以往的酶处理反应过程不同，先是酶反应，接着是化学反应，克服了酶反应中基质特异性的限制，用一种酶可以处理废水中多种含羟基的芳香族化合物，这种酶促反应的机制称为氧化-偶合。3.3利用酶的催化氧化作用还可以处理含染料的废水采用HRP催化降解工业染料废水如汽巴类染料，结果表明，对这类染料均有较好的降解作用，其中结晶紫的降解效果最为明显。ZHU等研究了POD催化H2O2氧化铬黑T的反应，铬黑T在615nm处有最大吸收波长，在HRP的催化下发生褪色反应，615　nm处的吸光度值急剧下降，推断可能是铬黑T分子结构中的偶氮基因被氧化而发生断裂导致了该染料的降解。孙伟以酸性铬蓝K和铍试剂Ⅱ作为HRP的催化反应底物，在HRP的催化作用下，这二种染料溶液也都发生了褪色反应，研究表明其分子结构中的—N=N—基团被氧化断裂。耿玉珍等以钙试剂羧酸钠为HRP的底物，其在630nm波长处的吸收峰随着H2O2的浓度的增大而减小至溶液完全褪色，表明其分子结构中的偶氮基团被完全破坏。其它被研究过的偶氮类染料还有甲基红、刚果红。三苯甲烷类染料作为HRP的底物也有报道。以溴邻苯三酚红作为HRP的底物，在556　nm的最大吸收波长随着反应时间的增加吸光度逐渐降低，表明其结构被H2O2氧化而破坏。由于在溶液中的酶不能重复使用，且其活性会受其他污染物影响而降低,酶使用一次后即成为新的污染物，因此阻碍了酶在废水处理中的推广应用。3.4用酶的催化聚合作用处理废水陆生植物每年可生产500亿t木质素，是一巨大的天然资源。如能有效利用木质素资源作为高分子材料的基本基料，将为高分子材料合成工业开辟一个新的领域。可为造纸黑液处理带来经济效益,从而有效地促进造纸黑液的处理。采用酶法生产酚系树脂是一种新的方法，聚合过程在常温常压下进行，安全可靠，没有传统工艺的危险性。木质素是造纸工业的副产物，价廉，来源丰富。目前，我国每年产数十亿吨造纸黑液。木质素2酚共聚物可以作为用途广泛的酚醛树脂的替代品，并可用作聚合物分散剂、土壤改良剂。所以采用酶促方法生产木质素-酚树脂技术具有广阔、现实的应用前景。刘均洪等探讨了在微乳液系统中，用酶催化法生产木质素-酚树脂的可行性。实验表明，在反相微乳液中，用HRP催化木质素与对甲酚共聚的反应可以进行；反应速率快，温度对反应速率的影响也较大；产物易于分离；酶液可以多次使用由于在木质素分子间引入了聚甲酚片段，共聚物的热性能有较大改善。邱龙辉用HRP进行了酶促木素与酚共聚反应。结果表明，由于在木质素分子间引入了聚甲酚片段,共聚物的热性能有较大改善。聚合物的重均分子量随反应温度的升高而增加。汪学军等采用了一种全新的反相微乳液体系，十六烷基三甲基溴化铵/正丁醇/异辛烷/水，用HRP催化合成木质素对甲酚共聚物，证实了反应的可行性。红外光谱的结果表明，木质素与对甲酚发生了聚合反应。差示扫描量势分析的结果表明，引入对甲酚改善了木质素的热性能。4结论5n环境污染与防治网络版第7期2008年7月利用酶的催化氧化作用来处理酚类、芳香胺类、染料类废水的污染是近年来受到重视的新方法，降解的结果有效的降低了有毒有机污染物的含量，同时也降低了毒性，是一种很有潜力的废水处理方法；使用固定化酶技术，必然会降低处理废水的成本，提高酶的使用效果，也必然会受到越来越多人的关注，在工业生产的各个方面有推广价值。参考文献[1]KLIBANOVAM，ALBERTIBN，MORRISED，etal.Enzymaticremovaloftoxicphenolsandanilinesfromwastewater[J].J.Appl.Biochem.，1980（2）：414-421.[2]MUTSUMIS.PurificationandcharacterizationofanovelligninperoxidasefromwhiterotfungusPhanerochaetesordidaYK2624[J].FemsMicrobiology　Letters，2003，224：285-290.[3]马秀玲，陈盛，黄丽梅，等.磁性固定化酶处理含废水的研究[J].广州化学，2003，28(1)：17-22.[4]张国平，NICELLJA，邹永廖.用辣根过氧化物酶处理废水中的五氯酚[J].环境科学研究，2000，13(2)：12-14.[5]胡龙兴，张仲燕.酶催化氧化处理废水的研究[J].环境科学，1992，13(4)：40-44.[6]张彤，赵庆祥，黄慧，等.辣根过氧化物酶处理酚和氯酚的催化特性研究[J].环境科学，1998，19(1)：25-29.[7]DECJ，BOLLAGJM.Useofplantmaterialforthedecontaminationofwaterpollutedwithphenols[J].Biotechnol.Bioeng.，1994，44：1132-1139.[8]KLIBANOVAM，ALBERTIBN，MORRISED，etal.Enzymaticremovaloftoxicphenolsandanilinesfromwastewater[J].J.Appl.Biochem.，1980（2）：414-421.[9]ZHUM，HUANGX，LIUL，etal.SpectrophotometricdeterminationofhydrogenperoxidebyusingthecleavageoferiochromeblackTinthepresenceofperoxidase[J].Talanta，1997，44：1407-1412.[10]孙伟，焦奎，闫冬.酸性铬蓝K-H2O2-HRP伏安酶联免疫分析法测定HRP及其标记物[J].分析科学学报，2002，18(15)：353[11]刘均洪，叶林，邱龙辉，等.酶促木素与酚共聚反应速率的研究[J].石化技术与应用，2000，18(5)：257-259.[12]刘均洪，杨丰科，邱龙辉，等.过氧化物酶催化聚合木素-酚树脂研究[J].高分子材料科学与工程，2001，17(2)：173-175.[13]邱龙辉，黄开勋，李良智，等.微乳液中酶催化木素2酚共聚物的性能研究[J].青岛化工学院学报，2001，22(2)：101-103.[14]汪学军，王广建.木质素-对甲酚共聚物的制备与分析[J].青岛大学学报，1999，14(1)：17220.[15]胡龙兴.固定化酶催化氧化去除水溶液中酚的研究[J].环境科学，1996，17(3)：57-62.[16]耿玉珍，刘葵，周杰.以钙试剂羧酸钠为底物酶法测定过氧化氢[J].应用化学，2002，19(2)：199-201.责任编辑：贺锋萍（收到修改稿日期：2008-05-10）©版权所有《环境污染与防治》杂志社5