Ứng dụng công nghệ enzyme vào xử lý ô nhiễm môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÀNH TÂY Khoa công nghệ nông thực phẩm Lớp k2b-cnsh2 Đề tài: Ứng dụng công nghệ enzyme vào xử lý ô nhiễm môi trường Ứng dụng công nghệ enzyme vào xử lý nhiễm mơi trường Nhóm trình bày: NGUYỄN THANH LIÊM NGUYỄN MINH HIẾU NGUYÊN VĂN LUÂN VŨ VĂN PHƯƠNG MỤC LỤC I.Đặt vấn đề II Tổng quan Khái niệm ô nhiễm môi trường Thực trạng ô nhiễm môi trường việt nam Cơ sở việc ứng dụng công nghệ Enzyme III Ứng dụng Enzyme xử lí mơi trường Enzyme Oxidoreductase Các enzyme Hydrolase xử lý môi trường Các lớp enzyme khác Một số thông tin Đề xuất phương pháp xử lý IV kết luận I ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, tốc độ ô nhiễm mơi trường gia tăng cần phải thực nghiêm ngặt tiêu chuẩn việc thải chất thải vào mơi trường.Các phương pháp hóa học sinh học thơng thường ngày khó đạt mức độ cần thết để loai bỏ chất ô nhiễm Do đó, cần phải triển khai phương pháp xử lí nhanh hơn, rẻ hơn, đáng tin cậy với dụng cụ đơn giản so với hệ thống xử lí hành Nhiều nghiên cứa chứng minh Enzym có nhiều khả triển vọng giải vấn đề nêu giám định xử lí nhiễm mơi trường Hầu hết quy trình xử lí rác thải sử dụng hai phương pháp hóa lý sinh học kết hợp.Phương pháp xử lí Enzym trung gian hai phương pháp truyền thống , bao gồm phương trình hóa học sở hoạt động chất xúc tác chất sinh học Enzym hoạt động chất nhiễm đặc biệt khó xử lí để loại chúng băng cách kết tủa chuyển chúng thành dạng khác.Ngồi chúng làm thay đổi đặc tính chất thải đưa chúng dạng rễ xử lí chuyển thành sản phẩm có giá trị Phương pháp xử lí Enzyme so với phương pháp thơng thường có ưu điểm sau :được áp dụng với chất sinh học khó xử lí, tác dụng vùng nồng độ chất nhiễm mơi trường cao, số Enzyme riêng biệt có tác dụng phạm vi rộng PH, nhiệt độ độ mặn, không gây biến đổi bất thường, không gây cản trở phá vỡ cân sinh thái Cho tới nay, người ta biết khoảng 3000 Enzyme , tất gọi tên xếp vào hệ thống phân loại gồm lớp cịn lớp phụ, nhóm.Các chất độc hại mơi trường thường chaatsb hữu có vòng thơm hợp chất phenol, amin vòng hợp chất phospho.Để đạt mục đích xử lí môi trường cần phải phá hủy loai bỏ chất độc nêu trên.Các Enzyme phẩn ứng oxi hóa khử thuộc lớp 1(oxidoreductase) Enzyme xúc tác phản ứng thủy phân thuộc lớp 3(hidrolase) có vai trị tích cực việc Với mục đích tìm hiểu rõ ứng dụng công nghệ Enzyme xử lý môi trường chúng em thực thảo luận : “Ứng dụng công nghệ enzyme vào xử lý ô nhiễm môi trường” II TỔNG QUAN Khái niệm ô nhiễm môi trường Ơ nhiễm mơi trường tình trạng mơi trường bị nhiễm chất hóa học, sinh học gây ảnh hưởng đến sức khỏe người, thể sống khác Ơ nhiễm mơi trường vấn đề cấp thiết thu hút quan tâm nhiều cá nhân, tổ chức nhiều quốc gia giới Các công nghệ xử lý rác thải sử dụng vấp phải vấn đề mơi trường lâu dài Trong xử lý ô nhiễm môi trường biện pháp sinh học, đặc biệt việc ứng dụng công nghệ Enzyme xử lý rác thải công nghệ đem lại hiệu cao, tốn bền vững Thực trạng ô nhiễm môi trường việt nam + nhiễm khơng khí: Việc xả khói chứa bụi chất hóa học vào bầu khơng khí Ví dụ khí độc carbon monoxide, sulfur dioxide, chất chlorofluorocarbon (CFCs), nitrogen oxide chất thải cơng nghiệp xe cộ Ozone quang hóa khói lẫn sương (smog) tạo ôxít nitơ phản ứng với ánh sáng mặt trời + ô nhiễm đất: Xảy đất bị nhiễm chất hóa học độc hại (hàm lượng vượt giới hạn thông thường)do hoạt động chủ động người khai thác khống sản, sản xuất cơng nghiệp, sử dụng phân bón hóa học thuốc trừ sâu nhiều, Phổ biến loại chất ô nhiễm đất hydrocarbon, kim loại nặng, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, chlorinated hydrocarbon + Ô nhiễm nước: xảy nước bề mặt chảy qua rác thải sinh hoạt, nước rác công nghiệp, chất ô nhiễm mặt đất, thấm xuống nước ngầm + Ô nhiễm phóng xạ : + Ơ nhiễm tiếng ồn: Cơ sở việc ứng dụng công nghệ Enzym Công nghệ enzym protein gắn liền với việc nghiên cứu cấu trúc chức protein, enzym Hiểu biết cấu trúc tính chất chức enzym protein sở cho việc ứng dụng chúng nghiên cứu ứng dụng Phát triển phương pháp phân tích định tính, định lượng protein, enzym sản phẩm q trình chuyển hóa enzym làm sở cho việc sản xuất chế phẩm III Ứng dụng Enzyme xử lí môi trường Enzyme Oxidoreductase 1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 a Enzyme Catalase (ký hiệu EC 1.11.1.6): Xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H2O2 Có thể phân huỷ formaldehyde, formic acid alcohol - chất độc hại với môi trường, thải nước thải nhà máy chế biến sữa, mát nhà máy dệt, sợi.(hình ảnh) b Peroxidase củ cải ngựa (Horseradish peroxidase -HRP) có ký hiệu EC 1.11.1.7 Tác động catalase, xúc tác phản ứng đặc hiệu HRP xúc tác phản ứng oxy hoá hợp chất thơm độc bao gồm phenol, biphenol, aniline, benzidine, hợp chất thơm dị vòng hydroxyquinoline arylamine carcinogen benzidine naphthylamine => Sản phẩm phản ứng polyme hố hình thành chất kết tủa dễ dàng loại bỏ khỏi nước thải nhờ trình lắng đọng lọc HRP đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải giữ nguyên hoạt tính phạm vi pH nhiệt độ rộng c Chloride peroxidase (ký hiệu EC 1.11.1.10) * Xúc tác phản ứng đặc hiệu * Chloroperoxidase từ nấm Caldariomyces fumago có khả oxy hố vài hợp chất phenol, xúc tác phản ứng vận chuyển oxy phản ứng oxy hoá ethanol thành acetaldehyde oxy hoá khử ion clorua d Các enzyme phân giải lignin (phân lớp EC.1.11) Gồm enzyme có hoạt tính mạnh Manganese peroxidase EC 1.11.1.13 (MnP) Lignin peroxidase EC 1.11.1.14 (LiP) Enzyme MnP: - Sản xuất từ Phanerochaete chrysosporium - Xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H2O2, phản ứng oxy hoá vài loại phenol đơn vòng sắc tố vòng, phản ứng phụ thuộc vào có mặt Mg2+và đệm - Trên thực tế, MnP xúc tác phản ứng oxy hoá khử Mn(II) thành Mn(III) có mặt ligand làm bền vững Mn(III) => tạo thành phức hợp Mn(III) sau xảy phản ứng oxi hoá khử chất hữu cơ.(hình ảnh) Enzyme LiP: Là phần hệ thống enzyme ngoại bào nấm mục trắng Phanerochaete chrysosporium Gây khống hố nhiều loại hợp chất thơm khó xử lý oxy hoá số lượng lớn hợp chất phenol hợp chất thơm đa vòng LiP cố định chất mang xốp ceramic màng silicon, sử dụng để xử lý rác thải nguy hiểm khó phá hủy 1.2 Các oxidase thuộc lớp oxidase EC.1.1 L-galactonolactone oxidase (EC 1.1.3.24) Có ý nghĩa việc xử lý ô nhiễm môi trường Enzyme xúc tác phản ứng đặc hiệu phản ứng oxi hóa L-galactono-1,4lactone thành L-ascorbate L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensis dùng để biến galactose từ trình thủy phân lactose dịch sữa chua thành axit L-ascorbic Enzyme thử nghiệm xử lý nước thải nhà máy chế biến sữa 1.3 Một số enzyme phân lớp khác:Polyphenol oxidase Gồm hai phân họ: tyrosinase laccase Hoạt tính hai họ cần có mặt oxy phân tử khơng cần có mặt coenzyme Tyrosinase EC 1.14.18.1: Cịn gọi polyphenol oxydase hay phenolase hay catecholase hn *Xúc tác cho hai phản ứng liên tiếp: Phản ứng thứ nhất: phản ứng thuỷ phân monophenol nhờ oxy phân tử thành odiphenol Phản ứng thứ hai: phản ứng dehydrogen hoá o-diphenol nhờ oxy thành o-quinon Các quinon thường khơng bền bị polime hố khơng cần enzyme thu hợp chất không tan nước dễ dàng bị loại bỏ nhờ trình kết tủa đơn giản Tyrosinase cố định chitosan cho kết xử lý hợp chất phenol hiệu (loại bỏ phenol 100%) * Laccase (EC 1.10.3.2) Là enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hoá hydroquinone thành benzoquinone Trong trung tâm hoạt động enzyme có ion Cu2+ tham gia Dùng laccase cố định chất mang để xử lý thuốc nhuộm anthraquinonic làm giảm tới 80% độ độc thuốc nhuộm 1.4.Ứng dụng kết hợp số enzyme để phân giải lignin *Ứng dụng kết hợp Peroxidase laccase: Trong công nghệ sản xuất giấy: Peroxidase laccase có tác dụng tích cực việc xử lý dịch lỏng tạo trình tẩy trắng (chứa sản phẩm bị chlorin hố độc có khả gây đột biến gây nguy hiểm môi trường) *Ứng dụng kết hợp laccase với manganese peroxidae: Laccase kết hợp với manganese peroxidase từ nấm trắng Dichomitus squalens cố định dùng để phân giải lignin cho hiệu đáng kể Người ta sử dụng hai enzyme cố định màng siêu lọc polysulphone để loại bỏ hydrocarbon vòng thơm nước ô nhiễm dầu mỏ * Ứng dụng kết hợp laccase với manganese peroxidae: Laccase kết hợp với manganese peroxidase từ nấm trắng Dichomitus squalens sử dụng để phân giải lignin Khi laccase kết hợp với manganese peroxidase cố định dùng để phân giải lignin cho hiệu đáng kể Người ta sử dụng hai enzyme cố định màng siêu lọc polysulphone để loại bỏ hydrocarbon vịng thơm nước nhiễm dầu mỏ Các enzyme Hydrolase xử lý môi trường 2.1 Các enzyme thủy phân amylose Các Amylase enzyme đường hố, có khả phân huỷ amylose amylopectin, glycogen polysaccharit tương tự giải phóng glucose * Mỗi enzyme có chức phân biệt: - α-amylase, β-amylase tác động liên kết α(1-4) amylose tinh bột - α-amylase cắt tinh bột thành dextrin - β-amylase cắt tinh bột dextrin thành maltose - Maltase cắt liên kết α(1- 4) maltose tạo thành glucose - α(1-6)-gluosidase cắt liên kết phân nhánh α(1-6) amylopectin để tạo thành đoạn amylose => Các enzyme có ý nghĩa quan trọng việc phân hủy phế thải chứa nguồn tinh bột từ làng nghề làm bún, bánh đa, chế biến nông sản ngô khoai, sắn * Từ phế thải lương thực này, nhờ amylase dùng để sản xuất alcohol * Cũng nhờ enzyme đường hoá α-amylase glucoamylase, từ phế thải lương thực chứa tinh bột dây chuyền quy trình chế biến thức ăn sản xuất màng bao gói có tính chất phân huỷ quang học sinh học 2.2 Các enzyme phân huỷ cellulose Có khả thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hoá hợp chất kiểu lignocellulose cellulose rác thải tạo nguồn lượng thông qua sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các sản phẩm giầu lượng khác Hn VD: từ chất thải nhà máy giấy sản phẩm từ bột giấy giấy thu nguồn lượng ethanol Trong cấu trúc cellulose chủ yếu liên kết β-(1-4) glucosit Để phá huỷ hoàn toàn cấu trúc polysaccharide cần có Cellulase với tác động đặc trưng riêng biệt 2.3 Các enzyme thủy phân pectin Pectin heterosaccharide thành tế bào thực vật, có cấu tạo mạch dài tạo đơn vị monosaccharide, gồm liên kết (1,4)-α-D-galacturonic acid methyl ester Pectin tồn rác thải, khó phân huỷ Phải tìm chủng vi sinh thích hợp để giải vấn đề này.(hình ảnh) Trên sở lựa chọn 100.000 gen khác nấm Aspergillus japonicus, người ta tách enzyme phân giải pectin Pectinase, Pectinesterase * Gần đây, nhiều nấm khác khảo nghiệm khả phân huỷ tốt pectin như: Euglena gracilis, Ceriporiopsis subvermispora, A fumigatus, Sitophilus oryzae, A niger, Clostridium thermosulfurogenes, C thermosaccharolyticum Sitophilus oryzae Aspergillus fumigatus Euglena gracilis (hình ảnh) 2.4 Các enzyme thuỷ phân protein Protease thuộc nhóm enzyme thủy phân protein sử dụng rộng rãi Protease thủy phân protein không tan thông qua nhiều bước: ban đầu chúng hấp thụ lên chất rắn, cắt chuỗi polypeptit tạo thành liên kết lỏng bề mặt Sau đó, q trình hồ tan phần rắn xảy với tốc độ chậm phụ thuộc vào khuếch tán enzyme lên bề mặt chất tạo phần nhỏ.(hình ảnh) Protease ngoại bào tiết từ Bacillus polymyxa, B megaterium, Pseudomonas marinoglutinosa Aeromonas hydrophila cố định canxi alginat để thực phản ứng liên tục thu sản lượng cao phản ứng thủy phân thịt cá Bacillus polymyxa(hình ảnh) Aeromonas hydrophila(hình ảnh) 2.5 Các enzyme phá huỷ hợp chất chứa halogen Có loại haloalkane dehalogenase haloacid dehalogenase Rất nhiều enzyme có vai trị việc khử chlo như: + 4-chlorobenzoate dehalogenase + 4-chlorobenzoyl-CoA dehalogenase + Atrazine chlorohydrolase + 2-haloacid dehalogenase + 2-haloacid dehalogenase VD: Atrazine chất độc diệt cỏ (herbicid) hồn tồn khơng tan nước (33mg/lít), nồng độ cho phép nước 0,2 mg/lít Một số chủng vi sinh Pseudomonas sp strain ADP có khả chuyển hoá atrazine, tiết Atrazine chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hố atrazine.(hình ảnh) => Pseudomonas sp Bằng phản ứng Atrazine chlorohydrolase, atrazine độc, khơng tan chuyển hố sản phẩm tan khơng độc Các lớp enzyme khác 3.1 Enzyme tham gia vào trình khử độc kim loại nặng Khử nhiễm arsen Trong sống, người tiếp xúc với arsen qua khơng khí, nước uống thức ăn Lượng arsen vào thể hàng ngày cỡ 20-300mg với khoảng 25% arsen vơ (rất độc), phần cịn lại arsen hữu Trên giới, nguồn nước ngầm có chứa arsen 50mg/L phát nhiều nước Achentina, Mehicô, Myanma, Việt Nam, v.v Việc xử lý nhiễm độc arsen phương pháp hoá học khó khăn Phương pháp enzyme khắc phục khó khăn Nguyên tắc chung phương pháp enzyme (Biểu đồ) VD: Arsenate reductase (arsenite oxidase) từ chủng Alcaligenes faecalis, xúc tác cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) độc thành Arsenate (hoá trị V) độc Arsenate reductase (donor) (còn gọi glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenes arsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá Arsenite dạng vô sang dạng hữu 3.2 Enzyme tham gia vào xử lý chất có hoạt tính bề mặt Các tác nhân có hoạt tính bề mặt hay hoạt động bề mặt chất hữu cơ, phân tử có tính phân cực mạnh thành phần chất tẩy.Các chất có hoạt tính bề mặt gây ô nhiễm nghiêm trọng nồng độ cao Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B, P putida từ P aeruginosa làm giảm hiệu suất chất có hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ 750 mg dm-3 Enzyme đặc hiệu với gốc alkyl sulfate, phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy sulfate aryl sulfonate chất có hoạt tính bề mặt Tuy nhiên, thực tế, enzyme cơng alkane sulfonate Alkylsulfatase(hình ảnh) 3.3 Enzyme xử lý chất thải xyanua Mỗi năm có khoảng triệu xyanua sử dụng toàn giới vào mục đích cơng nghiệp khác sản phẩm hoá học trung gian, tổng hợp tơ sợi, cao su dược liệu mỏ quặng mạ kim Ngoài ra, nhiều loài thực vật, vi sinh vật trùng có khả thải HCN với enzyme thủy phân Xyanua ức chế q trình trao đổi chất, gây chết người sinh vật khác =>Loại bỏ chúng trước thải môi trường Cyanide hydratase hay formamide hydrolyase enzyme có khả chuyển hố cyanide nước thải công nghiệp thành amoniac formate thông qua bước phản ứng Cyanide hydratase phân lập từ vài loại nấm Gloeocercospora sprrghi, Stemphylium loti Một số vi khuẩn Gram (-) Alcaligenes denitrificans tiết cyanidase có lực độ bền cao có khả loại xyanua nồng độ thấp (hình ảnh) Alcaligenes denitrificans Stemphylium loti Hoạt tính cyanidase khơng bị ảnh hưởng ion thơng thường có mặt nước thải (Fe2+, Zn2+ Ni2+), hay chất hữu acatat, formamide, acetamide acetonitrile pH tối ưu khoảng 7.8-8.3 hoạt tính hồn tồn, khơng phục hồi pH cao 8.3 Một số thông tin * Chế phẩm enzyme pectinase sản xuất từ chủng nấm mốc Aspergillus niger mơi trường có chứa chất cảm ứng bột cà rốt sau 48 đạt hoạt độ cao 30,01(UI/g) Phân tích chế phẩm enzyme phương pháp lọc gel sử dụng cột Bio Gel P 30 thu peak có hoạt độ pectinase với tốc độ chảy qua cột 15ml/giờ có khả phân tách tạp chất tốt tốc độ 30 ml/giờ * Sử dụng vi sinh vật ăn dầu: Alcanivorax Borkumensis Alcanivorax Borkumensis tên loài vi khuẩn chuyên sống vùng nước bị nhiễm dầu Sinh vật biển nhỏ bé khơng tìm thấy vùng nước sạch, lại có mặt dịng thủy triều đen nhỏ Việc trao đổi dựa vào hydrocarbon nguồn cung cấp carbon lượng * Sử dụng chế phẩm NatureClean-33 xử lý nước thải: - NatureClean-33: Chế phẩm gồm 58 chủng vi khuẩn khác - NatureClean-33 với khả phân hủy chất khó khăn phenol, chất tẩy rửa, cồn, hydrocarbon, ligno-cellulose, dung môi hữu cơ, dược phẩm mở rộng loạt hợp chất thơm béo Trong số chủng chế phẩm có chủng có khả sống phổ PH rộng Một số có khả phát triểm điều kiện hảo khí hay hiếu khí Như chế phẩm có khả xử lý nước thải điều kiện khác - Chế phẩm bao gồm loài vi khuẩn sản xuất hiệu cao enzym thủy phân để xúc tác thủy phân dầu mỡ, dầu, chất béo, (lipases) protein (protease) tinh bột (amylases) cellulose ligno-cellulose (cellulase) *Làm khí than enzyme máu Một loại enzyme có máu người chìa khóa để giải tốn tách khí CO2 từ lị than Carbozyme cơng ty có trụ sở New Jersey tuyên bố mô loại enzyme Nếu thành cơng phương pháp có giá thành rẻ gấp phương pháp truyền thống Carbonic Anhydrase tên loại enzyme có máu người liên tục chuyển hóa khí CO2 đồng thời với q trình hít thở người Trước tiên khí CO2 bơm vào máu bị enzyme chuyển hóa thành gốc HCO3 vốn dễ dàng vận chuyển cho máu Khi khối khí tới phổi loại enzyme tái tạo lại CO2 khí CO2 bị đẩy ngồi Carbonic Anhydrase làm việc hiệu chuyển hóa khoảng gần 1kg CO2 ngày * Bằng việc bắt chước ngun lí hoạt động loại enzyme nói kĩ sư từ Carbozyme “tóm” tách riêng CO2 từ hỗn hợp có nhiều khí khác giống khí thải từ lị than đốt Khí CO2 tách riêng thường tống xuống lịng đất lớp đá ba-zan loại khí nhà kính khác thành cơng Carbozyme làm giảm đáng kể chi phí cho q trình Ngồi việc sử dụng enzyme tổng hợp tránh hóa chất độc hại thường gặp phương pháp tách CO2 khác * "Những enzyme vi khuẩn có vai trị quan trọng q trình chuyển hóa từ gỗ thành đường thể mối” Quá trình bắt đầu hạt gỗ, giống mùn cưa, chuyển vào ruột mối Tại đây, mối tiết xúc tác protein (Enzyme) Sau đó, gỗ chuyển tới phần ruột cuối Ở trình này, hạt gỗ chuyển hóa thành đường nhờ tác tác động của loại vi khuẩn có cấu tạo Enzyme mối sinh "Những enzyme vi khuẩn có vai trị quan trọng q trình chuyển hóa từ gỗ thành đường thể mối”, tiến sĩ Scharf nói “Rõ ràng, vi khuẩn ruột mối khơng phải kẻ sống ký sinh Chúng đóng vai trò đối tác quan trọng trình chuyển hóa này” IV Kết luận + Cơng nghệ Enzyme ngành công nghệ quan trọng bảo vệ môi trường Áp dụng công nghệ Enzyme xử lý ô nhiễm môi trường không tạo sản phẩm phụ ảnh hưởng đến môi trường + Nhìn chung việc nghiên cứu ứng cơng nghệ Enzyme công tác bảo vệ môi trường Việt Nam hình thành phát triển góp phần cải thiện môi trường + Tuy nhiên công nghệ Enzyme ngành khoa học thực nghiệm lại ngành cơng nghệ cao, địi hỏi mức đầu tư tương xứng để bắt kịp với trình độ công nghệ giới _The End _