הפוטנציאל של שיטות טיפול אנזימיות עבור פירוק זיהום אורגני בשפכים

טיפול במים נשאר אחד האתגרים הסביבתיים הדוחקים ביותר של המאה העשרים ואחת. effluents תעשייתי, ריצה חקלאית, ביוב המקומי לשאת קוקטייל מורכב של אבקות אורגניות - כולל צבעים סינתטיים, תרופות, חומרי הדברה ופחמימנים - שמאיים על מערכות אקולוגיות מימיות מסוימות ובריאות האדם.

מה הם שיטות טיפול נזימטיות?

שיטות טיפול נזימטיות משתמשות באנזימים מבודדים - זרזים ביולוגיים המיוצרים על ידי ⁇ , צמחים או בעלי חיים - כדי להאיץ תגובות כימיות שהופכות או משפילות את המזהים של היעד, בניגוד ל bioremediation תא שלם, אשר מסתמך על אורגניזמים חיים, טיפול נזימטי מעסיק טיהור או טיהור חלקי, אשר פועל ישירות על contaminants.

Enzymes ניתן מקורם ממגוון רחב של אורגניזמים. פטריות, azoreductas חיידקי, צמחי peroxidases, ואפילו אנזימים extremophile מ ארכיאני תרמופילי מציעים יכולות קטליטיות מגוונות. כי אנזימים פועלים בתנאים קלים - טמפרטורה מנטאלית, pH, לחץ אטמוספרי - מבטיחים חיסכון משמעותי אנרגיה סינתטי בהשוואה לתהליכים תרמיים או מחוסנים יותר, הם גורמים כימיים רבים יותר, הם גורמים.

מנגנונים של אנצימטית Degradation

ההשפלה של אבקות אורגניות על ידי אנזימים בדרך כלל מתקדמת דרך אחד מכמה מנגנונים קטליטיים. Oxidoreductas, השיעור הנפוץ ביותר, אלקטרונים מופשטים ממולקולות מזוהות, ומייצרים ביניים תגובתיים אשר לאחר מכן עוברים התמוטטות ספונטנית. לדוגמה, laccase (EC 1.10.3.2) מפחית חמצן מולקולרי למים תוך חמצן phenolic to phenolics קיצוני, אשר יכול לגרום לזיהומים כימיים או ל-אוקסידיים.

הידרולס שוברים אג"ח באמצעות תוספת של מים. Lipases, proteases, ו cellulases יכול degrad שומנים, חלבונים, וסיבים צלולוז נוכחים כמה זרמי פסולת תעשייתיים. Esterases ו amidass לכוון במיוחד esters סינתטי ו amides נפוץ בחומרי הדברה וחמצן של צינורות מולקולריים לתוך מולקולה מזוהמת, לעתים קרובות התחממות גלקסיות xbic יותר, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תגובות נזימטיות רבות דורשות פיצויי חשמל – מולקולות קטנות כגון NAD(P)H, צילומי מתכת או קבוצות heme - שמעבורות אלקטרונים או הפעלת תת-קרקעית. תלות זו יכולה להיות מגבלה במערכות טיפול מתמשך, כמו cofactors חייב להיות regenerated או מסופק חיצוני.

יתרונות על פני גישות

טיפול אנזימי מציע כמה יתרונות שונים אשר לטפל חסרונות של שיטות מסורתיות:

• (FLT:0) ידידותיות לסביבה: FLT:1 Enzymes הם מתחדשים, ביו-תואמים, ולא מייצרים תוצר לוואי רעילים מתמשך כאשר הם מחליפים כימיקלים קשים כמו כלור, אוזון, או מגודן של פנטון, אשר יכול לייצר שאריות מסוכנות.
• (FLT:0) מפרט גבוה: אנזימים נבחר בקפידה יכול לכוון זיהום מסוים ללא התערבות עם חומר אורגני רקע, צמצום הצורך בצעדים מורכבים.
• תנאי תפעול:0 (FLT:1) תגובה ממשיכים בטמפרטורה מקוטבת ו- pH ליד-ניטרלי, ניתוק עלויות אנרגיה והופכת את התהליך בטוח יותר עבור מפעילי ציוד קורוזיה מצטמצם גם כן.
• ייצור הזינוק: FLT:1 טיפולים כימיים רבים מייצרים כמויות גדולות של פעוט הדורשות סילוק יקר.השפל האנזומטי בדרך כלל מניב פחמן דו חמצני, מים ומלחים לא אורגניים, והפחתה דרמטית של כמויות פסולת מוצקות.
• (FLT:0) תאימות עם תשתיות קיימות:FLT1 Enzymes ניתן להוסיף כצעד מלוטש במפעלים מזחלים פעילים, ביומטריה, או ביולוגיים קרום, שדרוג ביצועים ללא השקעה משמעותית בבירה.

יתרונות אלה תואמים את עקרונות הכימיה הירוקה והכלכלה המעגלית, שם ניתן לראות פסולת כמשאב כדי להתאושש ולא בעיה להימחק.

מפתח Enzymes in Organic פולטת התמוטטות

לקט ספרים

(הזנבים) הם אנזימים רב-קוליים (benzenediol:oxygen oxidoreduces) הם אנזימים רב-קוליים כי oxidoreduces ספקטרום רחב של תרכובות ארומטיות, כולל phenols, מדגיש צבע סינתטי.

Peroxidas

peroxidase (HRP), lignin peroxidase (LiP), ומניגנז peroxidase (MnP) שייך למשפחה heme peroxidase. HRP משמש נרחב להסרת פנוליסטים ואבטיחות ארומטיים מפני משככי חומרים תעשייתיים; הפולימרים וכתוצאה מכך ניתן להסוות ולסינון.

Azoreductases

(א) צבעו של יותר ממחצית מהצבעים הסיינטטיים המיוצרים ברחבי העולם, ורבים עמידים להשפלה חיידקית אירובית. Azoreductas ze the clementtive של אג"ח בזוס (N=N) לייצר אבטיחים ביניים, אשר לאחר מכן ניתן לגוון על ידי אנזים אחרים.

הידרולס

(OpH), carboxylesterases, ו amidas יעילים נגד חומרי הדברה וסוכני עצבים.OPH מ FLT:0 (Pseudomonas diminutaFLT:1 hydrolyzes את האג"ח פוססטר באיברים כמו parathion ו methylthion, צמצום רעילות על ידי מספר רחב של זמינות מים, כמו מחסנים, 000 משיכה, 000).

חמצן

Monooxygenases ו dioxygenases לשלב אטומי חמצן לתוך מולקולות אורגניות, initating טבעת פתיחה של תרכובות ארומטיות. טולורין מונוקסיגנזה, תנומה dioxygenase, ו cytochrome P450 אנזימים הונדסו להרחיב את טווח תת-הסת שלהם. בעוד החמצן לעתים קרובות דורש קוצים יקרים (NADH, FAD), חוקרים), חוקרים לחקור באמצעות התחדשות עבור מערכות אלקטרו-דלקתיות או רטיאז.

יישומים בטיפול בשפכים

תעשיית הטקסטיל Effluents

צבע טקסטיל הוא צרכן עיקרי של מים וגנרטור של מאוד צבעוני, רעיל פסולת מים. coagulation ומודעות האמנה רק להעביר צבע מן המים כדי לצליח; תהליכים חמצון מתקדמים הם אנרגיה-חושית. Enzymatic decolorization באמצעות laccase או azoreductase יכול להשיג "90% הסרת צבע בתוך שעות, אפילו מורכבים ממותק, 000 טיפול מכניקה צבע הוכיחה במשך שבועות של דלקת ריאות יציבה.

תרופות ומוצרים אישיים

מיקרופולנטים כמו diclofenac, carbamazepine, ו triclosan להימלט טיפול קונבנציונלי ומשך בסביבה, גרימת שיבוש אנדוקריני באורגניזמים מימיים. Laccase, לבד או עם מתווך חמצון אדום כגון 1-hydroxybenzotriazole (HBT), חמצון רבים של תרכובות אלה. Peroxidas גם הועסקו כדי להסיר אנטיביוטיקה, להפחית את הסיכון של דלקת ריאות אנטיביאומטית יכול להיות מתגובה אנטי-דלקתית עלות.

Phenol ו Chlorophenol Removal

תרכובות Phenolic נפוצים ב- Oil refining, ייצור פלסטיק וחומרי הדברה. HRP ו- laccase פולימרטנים phenols לתוך precipitate insoluble כי ניתן להסיר על ידי סימנטציה. Chlorophenols, כגון מחזורים pentachlorophenol (PCP), הם יותר realrantrantrant, אבל ניתן להפוך על ידי MnP לתוך פחות, 000, אז הם פחות לנטרל מוצרים אספירין.

נפט ופסולות

Polycyclic ארומטי הידרוקרבמנים (PAHs) הם carcinogenic ו מתמשך. פטריות peroxidas ו laccases הוכחו כדי חמצון PAHs כמו anthracene, benzo [a]pyrecarbon, ו pyrene. בשילוב עם גולשים כי להגדיל זמינות ביולוגית, טיפול zy יכול לשחזר שמן מזוהמים והשגת חירום מים לאחרונה.

אתגרים ומגבלות נוכחיות

למרות הבטחתו, טיפול במים בזבזניים אנזים עדיין לא השיג פריסה מסחרית נרחבת.יש לטפל במחסומים אחדים:

• (FLT:0) יציבות האנזיים: 1) אנזים רגישים לדה-קורטיזציה על ידי קיצוניות טמפרטורה, שינויים ב- pH, מתכות כבדות, ולוחמי אורגניים.במים אמיתיים, מעכבים כגון sulfides, cyanides, או ריכוזי מלח גבוהים יכולים במהירות להפעיל את הזרז האקטיבי.
• (המחיר של ייצור:0) אנזימים פורמנטליים נותרים יקרים, במיוחד אלה ממקורות אקולוגיים.הייצור הרב-תועלת ב-FLT:2E, coliph 3 או JPY ירד עלויות מופחתות, אך טיהור בקנה מידה גדול עדיין מייצג חלק משמעותי של הוצאות הפעלה.
• (FLT:0)איכותיות: 1.10.10.1 מחקרים נערכו במעבדה או בסולם פיילוט (ליטים למאות ליטרים) , עד ל- מיליון צמחים ימיים, מציגים אתגרים במיקסינג, העברה המונית, התאוששות אנזימים ופעולה רציפה. Reactor עיצובים ששמרו על האנזים (למשל, כורים או מיטות ארוזות) מוסיפים מורכבות, .
• (FLT:0) מגבלות ספציפיות ספציפיות ספציפיות:FreaLT:1 ), אין אנזים יחיד יכול להפיג את כל המזונאים.רכבת טיפול עשויה לדרוש אנזימים מרובים, כל אחד עם תנאים אופטימליים שונים, לסבך את שילוב תהליכים.
• (FLT:0) תלויות מספקת: 1FLT:1 הרבה חמצן ו peroxidas דורשים פיצוי יקר (NADH, H2O2) כי יש לספק באופן רציף H2O2 עצמו הוא כימי מסוכן שיכול ליזום את האנזים אם נעשה שימוש לא תקין.

עקבו אחרי Overcome Hurdles

המונחים: zyme Immobilization

אנזים Immobilizing על תמיכה מוצקה - כגון silica nanoparticles, חרוזים מגנטיים, מחזורי פוליקליד ג'לים, או פחמן מופעל - באופן דרמטי משפר את היציבות ואת יכולת השיקום. אנזים Immobilized מוגנים מפני decortion, ניתן לשחזר בקלות עבור גליוז, ומאפשר הפעלה רציפה של כורים מעוקלים או נוזלי.

הנדסת חלבון ואבולוציה ישירה

הנדסה גנטית מאפשרת לחוקרים לשנות את מבנה האנזים עבור תכונות משופרות: גמישות, טווח pH, פעילות במנועי אורגניים, או להרחיב את היקף תת-קרקעי. Directed Evolution - סיבובים מתמשכים של מוטציות והקרנה - יצרו גרסאות laccase עם 10 סובלנות גבוהה יותר למושגים chloride, מעכב משותף במי פסולת טקסטיל.

ננואנזים ו-Synthetic Mimics

חלקיקים מתכת (למשל, היברידית, Fe3O4, CeO2) ו פחמן ננומטרים (למשל, צינורות פחמן, גרפן) להציג פעילות קטליטית דמוית אנזים. אלה "nanozy" הם חזקים, זול, וניתן לייצר בקנה מידה. Peroxidase-mimetic ברזל חלקיקים שימשו ל de phenolic Color ו-HyRPs, בעוד ש-Hyssssssssss יכול לשלב את האנזימים בצורה הטובה ביותר של מערכות רגישות ביולוגית.

מערכות מעורבות ו Cascading

שילובים מורכבים של אבקה לעתים קרובות דורש מספר שלבים קטליטיים.על ידי שיתוף פעולה של כמה אנזים - למשל, laccase בתוספת azoreductase בתוספת peroxidase - חוקרים השיגו מינרליזציה מלאה של צבעי azo. Cofactor עצמית מערכות, כגון צלולוז dehydraseogen כי אלקטרונים עבור חמצן, מפותחים כדי למנוע אנזימים טבעיים של צינורות.

הנדסה ביולוגית

עיצובי כור חדשניות לשפר את העברת ההמונים ושימור האנזים. Membrane כורים עם זרמי החזרה עשירים אנזימים למנוע כביסה; כורים מלאים עם אנזימים לא ממונעים מאפשרים הפעלה של זרימה; כורים אוויר מספקים תערובת עדינה עבור אנזימים רגישים של Shear-רגישים. Computational נוזל מודל (CFD) מסייע אופטימיזציה גיאומטריה וזרימת אחת להצלחה מסחרית היא אנזימים של אנזימים של אנזימים של אנזימים, אשר יכולים להיות אנזימים, אשר יכולים להיות אנזימים של אנזימים עמידים עמידים.

אפשרויות ואינטגרציה עתידיים

המסלול של טיפול פסולת אנזים בזבזני מצביע על שילוב עם תשתיות קיימות ולא החלפת סיטונאית מערכות משולבות נזימטית ללוטשות membrane, שיתוק מופעל, או חמצון מתקדם הם כנראה להיות המאמצות הראשונים.לדוגמה, צעד טרום טיפול zymatic יכול להפחית את העומס על UV / O3 שלבים, חיתוך אנרגיה כימית ושימוש באנזימים יכול גם להיות התאוששומים פטרייתיים.

מדיניות וכלכלה ישחקו תפקידים מכריעים.כפי שמגבלות רגולטוריות על הידוק מיקרו-פולנטים - ה-U האיחוד האירופי מסגרת מסגרת המים של האיחוד האירופי ורשימת המועמדים של EPA הן דרישות מחמירות יותר - העלות של אי-ציות לא תגביר את הטיפול האנזימטי, כבר תחרותי עבור יישומים נישה כמו effluents ו אמבטיות צבע בית חולים, עשוי לחצות את העלות לשימוש רחב יותר כמו אנזימים של תרופות לדלקתיים / ירידה במשקל 50 ק"מ"מ"ג, 000 יכול להיות זול יותר מאשר 30 ק"ג'ק.

יתר על כן, הרעיון של "ביופיריות נזימטיות" מתפתח, שבו אבקות מים פסולת הופכות למוצרים יקרי ערך.לדוגמה, phenols phenols lacidized ניתן לפולימר לתוך דבקים או ציפויים; הידרוזה אנזימים של לימפוחיות מניבות מברקים ביולוגיים.

מסקנה

שיטות טיפול נזימטיות מציעות אסטרטגיה רבת עוצמה, סביבתית שפירה את המזהמים האורגניים במי הפסולת.הפרטים הגבוהים שלהם, תנאי התגובה הקלים, וזיהום משני נמוך תואם מטרות קיימות גלובליות. בעוד אתגרים הקשורים ליציבות האנזים, עלות והיקף נשארים, התקדמות מהירה בתנובלה, הנדסת חלבון, ננוזהות, ועיצוב כור הם בהתמדה הפער בין מעבדה למציאות תעשייתית.

(ב) [ה] [ה]] ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ב[[1924]], [[1924]] ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[[[1924]]]] ב[[1924]]]]]]]] ב[[1924]]]] ב[[1924]], [[[[1924]] [[1924]]]], [[[[1924]]]]]] ב[[1924]]]]]]]] [[[[[[1924]] [[19