ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME VÀO XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

ĐẶT VẤN ĐÈ ẼNgày nay, tôc độ ô nhiêm môi trường đang gia tăng do đó cân phải thực hiện nghiêm ngặt các tiêu chuẩn đối với việc thải các chất thải vào môi đạt được mức độ cần thết để loai

Đề tài: _môiẠ «

Nhóm trình bày:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÀNH TÂY

Khoa công nghệ nông thực phẩm Lớp k2b-cnsh2

ứng dụng công nghệ enzyme xử lý ô nhiễm

trường

VẰN LUẨN vữ VĂN PHƯƠNG

MỤC LỤC

IẽĐăt vấn đề •

3 Cơ sở của việc ứng dụng công nghệ Enzyme

III ứng dụng của các Enzyme trong xử lí môỉ trường

I ĐẶT VẤN ĐÈ Ẽ

Ngày nay, tôc độ ô nhiêm môi trường đang gia tăng do đó cân phải thực hiện nghiêm ngặt các tiêu chuẩn đối với việc thải các chất thải vào môi

đạt được mức độ cần thết để loai bỏ các chất ô nhiễm này Do đó, cần phải triển khai những phương pháp xử lí nhanh hơn, rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và với những dụng cụ đơn giản hơn so với những hệ thống xử lí hiện hành

Nhiều nghiên cứa đã chứng minh được Enzym có nhiều khả năng và triển vọng giải quyết vấn đề nêu trên trong giám định và xử lí ô nhiễm môi trường Hầu hết các quy trình xử lí rác thải đều sử dụng một trong hai phương pháp hóa lý hoặc sinh học hoặc kết hợp.Phương pháp xử lí bằng Enzym là trung gian giữa hai phương pháp truyền thống , nó bao gồm các phương trình hóa học trên cơ sở hoạt động của các chất xúc tác cơ bản là chất sinh học Enzym

có thể hoạt động trên các chất ô nhiễm đặc biệt khó xử lí để loại chúng băng cách kết tủa hoặc chuyển chúng thành dạng khác.Ngoài ra chúng có thể làm thay đổi các đặc tính của chất thải đưa chúng về dạng rễ xử lí hoặc chuyển thành các sản phẩm có giá trị hơn

Phương pháp xử lí bằng Enzym so với các phương pháp thông thường

có những ưu điểm sau :được áp dụng với những chất sinh học khó xử lí, tác dụng cả ở vùng nồng độ chất ô nhiễm môi trường cao, một số Enzym riêng biệt có tác dụng trên phạm vi rộng PH, nhiệt độ và độ mặn, không gây ra những biến đổi bất thường, không gây ra các cản trở phá vỡ cân bằng sinh thái

Cho tới nay, người ta đã biết được khoảng 3000 Enzym , tất cả đều đượcgọi tên và xếp vào hệ thống phân loại gồm 6 lớp trong đó còn các lớp phụ, nhóm Các chất độc hại trong môi trường thường là các chaatsb hữu cơ có vòng thơm như các hợp chat phenol, amin vòng hoặc các họp chất

phospho.Để đạt được mục đích xử lí môi trường cần phải phá hủy hoặc loai

bỏ các chất độc nêu trên Các Enzyme phẩn ứng oxi hóa khử thuộc lớp 1 (oxidoreducta.se) và các Enzyme xúc tác phản ứng thủy phân thuộc lớp

3(hidrolase) có vai trò tích cực trong việc này

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”

II TỔNG QUAN

Ô nhiễm môi trường là tình trạng môi trường bị ô nhiễm bởi các chất

sống khác

Ồ 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 rácthải được sử dụng hiện nay đều vấp phải các vấn đề môi trường về lâu dài Trongkhi đó xử lý ô nhiễm môi trường bằng biện pháp sinh học, đặc biệt là việc ứngdụng công nghệ Enzyme trong xử lý rác thải đang là một công nghệ đem lại hiệuquả cao, ít tốn kém và bền vững

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 chat 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 ười

+ô nhiễm đất: Xảy ra khi đất bị nhiễm các chất hóa học độc hại (hàm lượng vượt quá giới hạn thông tíiường)do các hoạt động chủ động của con người như khãỉ tháckhoáng 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

+Ô nhiễm nước:

nghiệp, các chất

nước rác côngxảy ra khi nước bề mặt chảy qua rác thải sinh hoạt,

ô nhiễm trên mặt đất, rồi thấm xuống nước ngầm

+Ô nhiễm phóng xạ :

3ẳ Cơ sở của việc ứng dụng công nghệ Enzyme

Công nghệ enzym protein gắn liền với việc nghiên cứu cấu trúc và chức năngcủa protein, enzym Hiểu biết về cấu trúc tính chất và chức năng của enzymprotein sẽ là cơ sở cho việc ứng dụng của chúng trong nghiên cứu và ứng dụng 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

III ứng dụng của các Enzyme trong xử lí môi trường

Xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H202

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

1.11.1.7 Tác động như catalase, xúc tác phản ứng đặc hiệu

HRP có thể xúc tác phản ứng oxy hoá các hợp chất thơm độc bao gồmphenol, biphenol, aniline, benzidine, các hợp chất thơm dị vòng nhưhydroxyquinoline và arylamine carcinogen như benzidine và naphthylamine =>Sản phẩm phản ứng được polyme hoá hình thành các chất kết tủa có thể dễ dàngloại bỏ khỏi nước thải nhờ quá ừìĩỉh lắng đọng hoặc lọc

This is the Enzyme Catalase

HRP đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải bởi nó giữ nguyên hoạt tính

ở phạm vi pH và nhiệt độ rộng

c Chloride peroxidase (ký hiệu EC 1.11.1.10)

* Xúc tác phản ứng đặc hiệu

* Chloroperoxidase từ nấm Caldarỉomyces fwnago có khả năng oxy hoá một vài

hợp chất của phenol, xúc tác các phản ứng vận chuyển oxy như phản ứng oxyhoá ethanol thành âcetâldehyde hoặc oxy hoá khử các ion clorua

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

Gồm các enzyme cổ hoạt tính rất mạnh là Manganese peroxidase EC

1.11.1.13 (MnP) và Lignin peroxidase EC 1.11.1.14 (LiP) Enzyme MnP:

- Sản xuất từ Phanerochaete chrysosporỉum

- Xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H202, phản ứng oxy hoá một vài loạiphenol đơn vòng và sắc tố vòng, những phản ứng này phụ thuộc vào sự có mặt

của Mg2+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

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

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 1,4- lactone thành L-ascorbate

L-galactono-L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensỉs có thể được

dùng để biến galactose từ quá trình thủy phân lactose trong dịch sữa chuathành axit L-ascorbic Enzyme này đã được thử nghiệm xử lý nước thải củanhà máy chế biến sữa

Gồm hai phân họ: tyrosinase và laccase Hoạt tỉnh của cả

hai họ đều cần sự cỏ mặt của oxy phân tử nhimg không

cần cổ mặt các coenzyme

Tyrosinase EC 1.14.18.1:

Còn gọi là polyphenol oxydase hay phenolase hay catecholase

*XÚC tác cho hai phản ứng liên tiếp:

Phản ứng thứ nhất phản ứng thuỷ phân monophenol nhờ oxy phân tử thànhcác o-diphenol

Phản ứng thứ hai: phản ứng dehydrogen hoá các o-diphenol nhờ oxy thành các o-quinon Các quinon thường không bền và bị polime hoá không cần

enzyme thu được các họp 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 họp chat phenol rất hiệuquả (loại bỏ phenol 100%)

* Laccase (EC 1.10.3.2)

Là một enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hoá hydroquinonethành benzoquinone

Trong trung tâm hoạt động của enzyme này có ion Cu2+ tham gia.

Dùng laccase cố định ừên chất mang để xử lý các thuốc nhuộm

anthraquinonic làm giảm tới 80% độ độc của các thuốc nhuộm này

1.4.ứng dụng kết hợp một sế enzyme đễ phân gỉảỉ lỉgnỉn

*ưng dụng kêt hợp Peroxidase và laccase:

Trong công nghệ sản xuất giấy: Peroxidase và laccase có tác dụng tích cựcừong việc xử lý dịch lỏng được tạo ra trong quá trình tẩy ừắng (chứa các sảnphẩm bị chlorin hoá độc có khả năng gây đột biến gây nguy hiểm đối với môi

*ứng dụng kết hợp laccase vói manganese peroxidae:

Laccase kết hợp với manganese peroxidase từ nấm trắng Dichomitus

squaỉens cố định dùng để phân giải lignin cho hiệu quả đáng kể.

Người ta đã sử dụng hai enzyme này cố định ừên màng siêu lọc

polysulphone để loại bỏ các hydrocarbon vòng thơm ừong nước ô nhiễm bởi dầu

* ứng dụng kết hợp laccase với manganese peroxidae:

Laccase kết hợp vói manganese peroxidase từ nấm ừắng Dichomitus

peroxidase cố định dùng đê 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 ừong nước ô nhiễm bởi dầu mỏ

2 Các enzyme Hydrolase trong xử lý môi trường

2.1 Các enzyme thủy phân amylose

Các Amylase là các enzyme đường hoá, cổ khả năng phân huỷ amylose và

* Mỗi enzyme cổ một chức năng phân biệt:

- a-amylase, P-amylase tác động liên kết a(l-4) amylose của tinh bột

- a-amylase cắt tình bột thành dextrin

- p-amylase cắt tỉnh bột hoặc dextrin thành maltose

- Maltase cắt liên kết a(l~4) của maltose tạo thành glucose

- a(l~6)~gluosidase cắt liên kết phân nhánh a(l-6) của amylopectin để tạo

thành các đoạn amylose

=> Các enzyme này có ý nghĩa quan trọng ừong 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 a-amylase và glucoamylase, từ các phế thảilương thực chứa tinh bột của các dây chuyền quy ứình chế biến thức ăn có thểsản xuất màng bao gói có tính chất phân huỷ quang học và sỉnh học

2.2 Các enzyme phân huỷ cellulose

Có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hoá các hợp chấtkiểu lignocellulose và cellulose ừong rác thải tạo nguồn năng lượng thông quacác sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các các sản phẩm giầu nănglượng khác

VD: từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy có thểthu nguồn năng lượng như ethanol

Trong cấu trúc của cellulose chủ yếu là liên kết P"(l-4) glucosit Để phá huy hoàntoàn cấu trúc của polysaccharide cần có các Cellulase với những tác động đặctrưng và riêng biệt

Pectin là heterosaccharide của thành tế bào thực vật, có cấu tạo mạch dài tạobởi các đơn vị monosaccharide, gồm các liên két (l,4)-a-D-galacturonic acid vàcác methyl ester

Pectin tồn tại ứong rác thải, khó phân huỷ ■=> Phải tìm được các

chủng vi sinh thích hợp để giải quyết vấn đề này

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,

thermosaccharolyticum Sitophilus oryzae

2.4 Các enzyme thuỷ phân protein

Protease thuộc nhóm enzyme thủy phân protein được sử dụng rộng rãi

Protease thủy phân các protein không tan thông qua nhiều bước: ban đầu

chứng 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

Euglena gracilis Aspergillus fumigatus

những phần nhỏ.

Protease ngoại bào được tiết ra từ Bacillus polymyxa, B megaterỉum,

Pseudomonas marỉnoglutỉnosa và Aeromonas hydrophỉla 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

Có 2 loại haloalkane dehalogenase và haloacid dehalogenase

YD: 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

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 phẩm tan được và không độc

các kim loại nặng

Khử ô nhiễm arsen

Trong cuộc sống, con người tiếp xúc với arsen qua không khí, nước uống và thức ăn

Lượng arsen đi vào cơ thể hàng ngày cỡ 20-3 OOmg với khoảng 25% là

arsen vô cơ (rất độc), phần còn lại là arsen hữu cơ

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

Pseudomonas sp.

YD: Arsenate reductase (arsenite oxidase) từ chủng Alcalỉgenes faecalis, xúc tác

cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) rất độc thành Arsenate (hoá trị

V) ít độc hơn

Arsenate reductase (donor) (còn gọi là glutaredoxin), từ chủng Chrysỉogenes

arsenatỉs xúc tác phản ứng chuyển hoá Arsenite dạng vô cơ sang dạng hữu cơ.

3.2 Enzyme tham gia vào xử lỵ các chất có hoạt tính bề mặt

Các tác nhân có hoạt tính be 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 ừọng khi ở

nồng độ cao

Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B, p putida hoặc từ p aeruginosa có thể làm

giảm hiệu suất các chất cổ hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ 750 mgdm-3 Enzymenày đặc hiệu với các gốc alkyl sulfate, và có thể phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate,

alkyl ethoxy sulfate hoặc aryl sulfonate ừong các chất có hoạt tính bề mặt

Tuy nhiên, ừên thực tế, enzyme này không thể tấn công các alkane

ra HCN cùng với các enzyme thủy phân

Xyanua sẽ ức chế quá trinh ừao đổi chất, có thể gây chết người và các sinh

vật khác

=> Loại bỏ chúng trước khi thải ra môi trường

Cyanide hydratase hay formamide hydrolyase là một enzyme có khả năng

chuyển hoá cyanide trong nước thải công nghiệp thành amoniac và formate thôngqua một bước phản ứng

Cyanide hydratase được phân lập từ một vài loại nấm như Gloeocercospora

sprrghỉ, Stemphylỉum lotỉ.

Một số vi khuẩn Gram (-) như Alcalỉgenes denitrificans cũng tiết ra

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

Môt Số thông tin mởi

* Chế phẩm enzyme pectinase được sản xuất từ chủng nấm mốc Aspergillus niger

trên môi trường có chứa chất cảm ứng bột cà rốt sau 48 giờ đạt hoạt độ cao nhất

30,01(UI/g) Phân tích chế phẩm enzyme bằng phương pháp lọc gel 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

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

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

stemphylium loti Alcaligenes denitrificans

Hoạt tính của cyanidase không bị ảnh hưởng bởi các ion thông thường có mặt trongnước thải (Fe2+, Zn2+ và NÌ2+), 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 toàn, không phục hồi khi pHcao hơn 8.3