tiểu luận ứng dụng công nghệ enzyme xử lý ô nhiễm môi trường

Nội dung Tổng quan về ô nhiễm môi trường Thực trạng ô nhiễm môi trường ở VN hiện nay Cơ sở của việc ứng dụng công nghệ enzyme Các enzyme trong xử lí môi trường III.. Các dạng ô nhiễm

Mục lục

I Mở đầu

II Nội dung

Tổng quan về ô nhiễm môi trường

Thực trạng ô nhiễm môi trường ở VN hiện nay

Cơ sở của việc ứng dụng công nghệ enzyme Các enzyme trong xử lí môi trường

III Ứng dụng cụ thể và những phát hiện mới sử dụng công nghệ E-Pr xử lí ô nhiễm môi trường

IV Kết luận

I Mở đầu

• Ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết và thu hút sự

quan tâm của rất nhiều cá nhân, tổ chức cũng như nhiều quốc gia trên thế giới Các công nghệ xử lý rác thải được

sử dụng hiện nay đều vấp phải các vấn đề môi trường về lâu dài Trong khi đó xử lý ô nhiễm môi trường bằng biện pháp sinh học, đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ

Enzyme trong xử lý rác thải đang là một công nghệ đem lại hiệu quả cao, ít tốn kém và bền vững

• Với mục đích tìm hiểu rõ hơn về ứng dụng công nghệ

Enzyme trong xử lý môi trường chúng em thực hiện bài thảo luận : “Ứng dụng công nghệ enzyme vào xử lý ô

nhiễm môi trường”

Các dạng ô nhiễm chính

• Ô nhiễm không khí:

Việc xả khói chứa bụi và các chất hóa học vào bầu không khí Ví dụ về các khí độc là carbon monoxide, sulfur dioxide, các chất

chlorofluorocarbon (CFCs), và nitrogen oxide là chất thải của công nghiệp và xe cộ Ozone quang hóa và khói lẫn sương (smog) được tạo ra khi các ôxít nitơ phản ứng với ánh sáng mặt trời.

Các dạng ô nhiễm chính

• Ô nhiễm đất:

Xảy ra khi đất bị nhiễm các chất

hóa học độc hại (hàm lượng vượt

quá giới hạn thông thường)do

các hoạt động chủ động của con

người như khai thác khoáng sản,

sản xuất công nghiệp, sử dụng

phân bón hóa học hoặc thuốc trừ

sâu quá nhiều, Phổ biến nhất

trong các loại chất ô nhiễm đất là

hydrocarbon, kim loại nặng, thuốc

diệt cỏ, thuốc trừ sâu, và

chlorinated hydrocarbon

Các dạng ô nhiễm chính

• Ô nhiễm nước

xảy ra khi nước bề mặt chảy qua

rác thải sinh hoạt, nước rác công

nghiệp, các chất ô nhiễm trên mặt

đất, rồi thấm xuống nước ngầm.

• Ô nhiễm phóng xạ

• Ô nhiễm tiếng ồn,

Ảnh hưởng

Ảnh hưởng

Đối với sức khỏe con người

Đối với hệ sinh thái

Sự phát triển của nhân loại

2 Cơ sở của việc ứng dụng công

• Phát triển các phương pháp phân tích định tính, định lượng protein, enzym cũng như các sản

phẩm của quá trình chuyển hóa enzym sẽ làm cơ

sở cho việc sản xuất các chế phẩm

3 Các enzyme trong xử lí môi

trường

3.1 Enzyme Oxidoreductase

3.1.1 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 và alcohol -

là những chất độc hại với môi trường, được thải ra trong nước thải của các nhà máy chế biến sữa, pho mát hoặc các nhà máy dệt, sợi

 Có thể phân huỷ formaldehyde, formic

acid và alcohol - là những chất độc hại

với môi trường, được thải ra trong

nước thải của các nhà máy chế biến

sữa, pho mát hoặc các nhà máy dệt,

3.1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11

arylamine carcinogen như benzidine và naphthylamine

=> Sản phẩm phản ứng được polyme hoá hình thành các chất kết tủa có thể dễ dàng loại bỏ khỏi nước thải

nhờ quá trình lắng đọng hoặc lọc

3.1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp

3.1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp EC

chuyển oxy như phản ứng oxy hoá

ethanol thành acetaldehyde hoặc

oxy hoá khử các ion clorua

3.1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp

EC 1.11 (tiếp)

d Các enzyme phân giải lignin (phân lớp EC.1.11)

Gồm các enzyme có hoạt tính rất mạnh là Manganese peroxidase EC 1.11.1.13 (MnP) và Lignin peroxidase EC 1.11.1.14 (LiP)

3.1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp EC

1.11 (tiếp)

 Enzyme MnP:

 Sản xuất từ Phanerochaete

chrysosporium

 Xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ

H 2 O 2 , phản ứng oxy hoá một vài loại

phenol đơn vòng và sắc tố vòng,

những phản ứng này phụ thuộc vào sự

có mặt của Mg 2+ và đệm

 Trên thực tế, MnP xúc tác phản ứng

oxy hoá khử Mn(II) thành Mn(III) khi có

mặt ligand làm bền vững Mn(III) => tạo

thành phức hợp Mn(III) sau khi xảy ra

phản ứng oxi hoá khử các chất hữu

cơ

3.1.1 Các enzyme peroxidase phân lớp EC

 Gây khoáng hoá nhiều loại hợp

chất thơm khó xử lý và oxy hoá

một số lượng lớn các hợp chất

phenol và hợp chất thơm đa vòng.

 LiP cố định trên chất mang xốp

ceramic hoặc trên màng silicon, nó

có thể sử dụng để xử lý các rác

thải nguy hiểm khó phá hủy.

3.1.2 Các oxidase thuộc các lớp oxidase

EC.1.1

L-galactonolactone oxidase (EC 1.1.3.24)

 Có ý nghĩa đối với việc xử lý ô nhiễm môi trường

Enzyme này xúc tác phản ứng đặc hiệu là phản ứng oxi hóa L-galactono-1,4-lactone thành L-ascorbate

L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida

norvegensis có thể được dùng để biến galactose từ

quá trình thủy phân lactose trong dịch sữa chua thành axit L-ascorbic Enzyme này đã được thử nghiệm xử

lý nước thải của nhà máy chế biến sữa

3.1.3 Một số enzyme phân lớp khác:

Polyphenol oxidase

Gồm hai phân họ: tyrosinase và laccase Hoạt tính của cả hai họ đều cần sự có mặt của oxy phân tử nhưng không cần có mặt các coenzyme.

Tyrosinase EC 1.14.18.1:

 Còn gọi là polyphenol oxydase

hay phenolase hay catecholase

3.1.3 Một số enzyme phân lớp khác:

Polyphenol oxidase

 Xúc tác cho hai phản ứng liên tiếp:

Phản ứng thứ nhất phản ứng thuỷ phân monophenol

nhờ oxy phân tử thành các o-diphenol.

Phản ứng thứ hai: phản ứng dehydrogen hoá các diphenol nhờ oxy thành các o-quinon Các quinon

o-thường không bền và bị polime hoá không cần

enzyme thu được các hợp chất không tan trong

nước và dễ dàng bị loại bỏ nhờ quá trình kết tủa đơn giản

 Tyrosinase cố định trên chitosan cho kết quả xử lý hợp

3.1.3 Một số enzyme phân lớp khác:

Polyphenol oxidase

 Laccase (EC 1.10.3.2)

 Là một enzyme kim loại xúc tác

cho phản ứng oxy hoá

hydroquinone thành

benzoquinone.

 Trong trung tâm hoạt động của

enzyme này có ion Cu 2+ tham

gia.

 Dùng laccase cố định trên chất

mang để xử lý các thuốc nhuộm

anthraquinonic làm giảm tới 80%

độ độc của các thuốc nhuộm này.

 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 quả đáng kể.

 Người ta đã sử dụng hai enzyme này cố định trên màng siêu lọc polysulphone để loại bỏ các hydrocarbon vòng

3.1.4 Ứng dụng kết hợp một số enzyme

để phân giải lignin

 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 quả đáng kể Người ta đã sử dụng hai enzyme này cố định trên màng siêu lọc polysulphone để loại bỏ các hydrocarbon vòng thơm trong nước ô nhiễm bởi dầu mỏ

3.2 Các enzyme Hydrolase trong xử

lý môi trường

 Các Amylase là các

enzyme đường hoá, có

khả năng phân huỷ

 Mỗi enzyme có một chức năng phân biệt:

o α-amylase, β-amylase tác động liên kết α(1-4) amylose của tinh bột

o α-amylase cắt tinh bột thành dextrin

o β-amylase cắt tinh bột hoặc dextrin thành maltose.

o Maltase cắt liên kết α(1- 4) của maltose tạo thành glucose.

o α(1-6)-gluosidase cắt liên kết phân nhánh α(1-6) của amylopectin để tạo thành các đoạn amylose.

=> Các enzyme này có ý nghĩa quan trọng trong việc phân hủy phế thải chứa các nguồn tinh bột từ các làng nghề làm bún, bánh đa, chế biến nông sản ngô khoai, sắn

 Từ các phế thải lương thực này, nhờ các amylase có thể dùng để sản xuất alcohol.

 Cũng nhờ các enzyme đường hoá amylase và glucoamylase, từ các phế thải lương thực chứa tinh bột của các dây chuyền quy trình chế biến thức ăn có thể sản xuất màng bao gói có tính chất phân huỷ quang

α- Ứng dụng trong sản xuất màng bao gói

Mảnh nhỏ

axit lactic Glucose

Tinh Bột

mạch dài

Sp cuối chứa 95% axit lactic và 5% các chất thải an toàn với môi trường α-amylaseamylase glucoamylase VSV

3.2.2 Các enzyme phân huỷ cellulose

VD : từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy có thể thu nguồn năng

Có khả năng thủy phân chất thải

chứa cellulose, chuyển hoá các hợp

chất kiểu lignocellulose và cellulose

trong rác thải tạo nguồn năng

lượng thông qua các sản phẩm

đường, ethanol, khí sinh học hay

các các sản phẩm giầu năng lượng

khác.

 Trong cấu trúc của cellulose chủ yếu là liên kết β-(1-4) glucosit Để phá huỷ hoàn toàn cấu trúc của polysaccharide cần có các Cellulase với những tác động đặc trưng và riêng biệt.

Cellulase

β-amylaseglucosidase

cellobiosidase

3.2.3 Các enzyme thủy phân pectin

 Trên cơ sở lựa chọn 100.000 gen khác nhau của nấm Aspergillus japonicus, người

ta đã tách được các enzyme phân giải pectin như Pectinase, Pectinesterase.

 Gần đây, nhiều nấm khác cũng được khảo nghiệm khả năng phân huỷ tốt pectin như: Euglena gracilis, Ceriporiopsis subvermispora,

A fumigatus, Sitophilus oryzae, A niger, Clostridium thermosulfurogenes, C thermosaccharolyticum Sitophilus oryzae.

3.2.4 Các enzyme thuỷ phân protein

 Protease thủy phân các protein không tan thông qua nhiều bước: ban đầu chúng được hấp thụ lên các chất rắn, cắt các chuỗi polypeptit tạo thành các liên kết lỏng trên bề mặt Sau đó, quá trình hoà tan những phần rắn xảy ra với tốc độ chậm hơn phụ thuộc vào sự khuếch tán enzyme lên

bề mặt cơ chất và tạo ra những phần nhỏ.

 Protease thuộc nhóm

enzyme thủy phân protein

được sử dụng rộng rãi.

 Protease ngoại bào được tiết ra từ Bacillus

polymyxa, B megaterium, Pseudomonas marinoglutinosa và Aeromonas hydrophila

có thể cố định trong canxi alginat để thực hiện các phản ứng liên tục thu được sản lượng cao trong các phản ứng thủy phân thịt cá

Bacillus polymyxa

Một số chủng vi sinh như

Pseudomonas sp strain

ADP có khả năng chuyển

hoá atrazine, tiết ra Atrazine

chlorohydrolase xúc tác phản

ứng chuyển hoá atrazine

=> Bằng phản ứng Atrazine chlorohydrolase, atrazine độc, không tan có thể chuyển hoá các sản

VD : Atrazine là một chất độc diệt cỏ (herbicid) hầu như hoàn toàn không tan trong nước (33mg/lít), nồng độ cho phép trong nước là 0,2 mg/lít

Pseudomonas sp

20- Trên thế giới, nguồn nước ngầm có chứa arsen trên 50mg/L được phát hiện ở nhiều nước như Achentina, Mehicô, Myanma, Việt Nam, v.v

 Việc xử lý nhiễm độc arsen bằng phương pháp hoá học rất khó khăn Phương pháp enzyme

có thể khắc phục được những khó khăn

 Nguyên tắc chung của phương pháp enzyme

OR

VD : Arsenate reductase

(arsenite oxidase) từ chủng

Alcaligenes faecalis, xúc tác

cho phản ứng chuyển hoá

Arsenite (hoá trị III) rất độc

hoá Arsenite dạng vô cơ sang

dạng hữu cơ. Alcaligenes faecalis

Arsenate reductase

3.3 2 Enzyme tham gia vào xử lý các

chất có hoạt tính bề mặt

 Các tác nhân có hoạt tính bề mặt hay hoạt động

bề mặt là các chất hữu cơ, đó là các phân

tử có tính phân cực mạnh và là thành phần

cơ bản của chất tẩy.

 Các chất có hoạt tính bề mặt có thể gây ra sự ô nhiễm nghiêm trọng khi ở nồng độ cao.

 Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B, P putida hoặc từ P aeruginosa có thể làm giảm hiệu suất

các chất có hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ

 Enzyme này đặc hiệu

với các gốc alkyl sulfate,

và có thể phá huỷ hoàn

toàn gốc alkyl sulfate,

alkyl ethoxy sulfate

hoặc aryl sulfonate

trong các chất có hoạt

tính bề mặt.

 Tuy nhiên, trên thực

tế, enzyme này không

thể tấn công các alkane

sulfonate. Alkylsulfatase

3.3 3 Enzyme xử lý chất thải xyanua

 Mỗi năm có khoảng 3 triệu tấn xyanua được sử dụng trên toàn thế giới vào các mục đích công nghiệp khác nhau như các sản phẩm hoá học trung gian, tổng hợp tơ sợi, cao su và dược liệu cũng như các mỏ quặng và mạ kim

 Ngoài ra, nhiều loài thực vật, vi sinh vật và côn trùng cũng có khả năng thải ra HCN cùng với các enzyme thủy phân.

 Xyanua sẽ ức chế quá trình trao đổi chất, có thể gây chết người và các sinh vật khác.

 Cyanide hydratase hay formamide hydrolyase

là một enzyme có khả năng chuyển hoá cyanide trong nước thải công nghiệp thành amoniac và formate thông qua một bước phản ứng.

 Cyanide hydratase được phân lập từ một vài

loại nấm như Gloeocercospora sprrghi,

Stemphylium loti.

 Một số vi khuẩn Gram (-) như Alcaligenes

denitrificans cũng tiết ra cyanidase có ái

lực độ bền cao và có khả năng loại xyanua ở nồng độ rất thấp.

 Hoạt tính của cyanidase không bị ảnh hưởng bởi các ion thông thường có mặt trong nước thải (Fe2+, Zn2+ và Ni2+), hay bởi các chất hữu cơ như acatat, formamide, acetamide và acetonitrile.

 pH tối ưu trong khoảng 7.8-8.3 và mất hoạt tính hoàn

Alcaligenes denitrificans Stemphylium loti

Một số thông tin mới

sử dụng cột Bio Gel P 30 thu được một peak có hoạt độ pectinase và với tốc độ chảy qua cột

15ml/giờ có khả năng phân tách tạp chất tốt

hơn ở tốc độ 30 ml/giờ.

• Sử dụng vi sinh vật ăn dầu: Alcanivorax

Borkumensis

• Alcanivorax Borkumensis là tên một loài vi

khuẩn chuyên sống trong những vùng nước bị nhiễm dầu Sinh vật biển nhỏ bé này hầu như

không được tìm thấy trong các vùng nước sạch, nhưng lại có mặt ở dòng thủy triều đen nhỏ

nhất Việc trao đổi của nó dựa vào các

hydrocarbon là nguồn cung cấp duy nhất carbon

và năng lượng.

Một số thông tin mới

Sử dụng chế phẩm NatureClean-33 trong xử lý nước thải:

- NatureClean-33: Chế phẩm gồm 58 chủng vi khuẩn khác nhau

- NatureClean-33 với khả năng phân hủy các chất khó

khăn như phenol, chất tẩy rửa, cồn, hydrocarbon, cellulose, dung môi hữu cơ, dược phẩm và mở rộng một loạt các hợp chất thơm và béo Trong số các chủng đó của chế phẩm có các chủng có khả năng sống trong

ligno-phổ PH rộng Một số có khả năng phát triểm trong điều kiện hảo khí hay hiếu khí Như vậy chế phẩm có khả

năng xử lý nước thải trong các điều kiện khác nhau

- Chế phẩm bao gồm các loài vi khuẩn sản xuất hiệu quả cao tại enzym thủy phân để xúc tác thủy phân dầu mỡ, dầu, chất béo, (lipases) protein (protease) tinh bột

(amylases) và cellulose và ligno-cellulose (cellulase)

Một số thông tin mới

• Làm sạch khí than bằng

enzyme trong máu

• Một loại enzyme có trong

máu người có thể sẽ là chìa

khóa để giải quyết bài toán

tách khí CO2 từ các lò than

Carbozyme một công ty có

trụ sở ở New Jersey tuyên

bố đang mô phỏng loại

enzyme này Nếu thành công

phương pháp mới sẽ có giá

thành rẻ gấp 3 các phương

pháp truyền thống

• Carbonic Anhydrase tên loại enzyme có trong máu người liên tục chuyển hóa khí CO2 đồng thời với quá trình hít thở của con người Trước tiên khí CO2

sẽ được bơm vào máu và bị các enzyme chuyển hóa thành gốc HCO3 vốn dễ dàng vận chuyển hơn cho máu Khi khối khí tới phổi vẫn loại enzyme này sẽ tái tạo lại CO2 và khí CO2 sẽ bị đẩy ra ngoài Carbonic

Anhydrase làm việc rất hiệu quả

có thể chuyển hóa khoảng gần 1kg CO2 một ngày

Một số thông tin mới