השימוש באנזימים לביאורציה של מתכת כבדה במערכות מים

הקדמה: האיום הגדל של זיהום מתכת כבד במים

זיהום מתכת כבד במערכות מים הוא אחד האתגרים הסביבתיים המתמשכים ביותר של העידן המודרני.אפקטים תעשייתיים, ריצה חקלאית, פעולות כרייה, וסילוק פסולת לא תקין משחרר מתכות רעילות כגון להוביל, כספית, קדמיום, כרום, ואסרנית לנהרות, אגמים, וממים קרקעיים.אלמנטים אלה מציבים סיכונים חמורים לבריאות האדם, גרימת נזק עצבי, סרטן, מחלות לוואי מסורתיות, מחלות, מחלות דם יקרות, תוך כדי משבשת יתר לחץ דם, כמו גם אנזימים אלה, לעתים קרובות, כמו אנזימים חומרים כימיים מופעלים, כמו אטומיים, כמו אטומיים, כמו אטומיים מופעלים, כמו אטומיים, כמו אטומיים, כמו מזהמים סביבתיים מופעלים מופעלים, כמו אטומיים, כמו מזהמים מהירים יותר, כמו מזהמים מהירים יותר, כמו מזהמים, כמו מזהמים, מזהמים, מזהמים סביבתיים מופעלים, כמו מזהמים, לעתים קרובות יותר, כמו מזהמים סביבתיים מופעלים, מזהמים מהירים יותר, כמו מזהמים סביבתיים מופעלים, מזהמים, מזהמים מופעלים, כמו מזהמים, כמו מזהמים מהירים יותר, כמו מזהמים סביבתיים מופעלים, כמו מזהמים מהירים יותר, מזהמים סביבתיים מופעלים, כמו מזהמים,

Enzymes, כמו זרז ביולוגי, מציעים דרך ממוקדת לנטרל או להפוך מתכות כבדות ללא צורך בכימיקלים קשים או תנאי הפעלה קיצוניים.על ידי רתום הכוח הקטליטי של הטבע, טכנולוגיות המבוססות על אנזימים מבטיח לנקות מים מזוהמים יותר באופן נקי ובעלות יעילות. מאמר זה חוקר כיצד אנזימים מפותחים ומפורסים עבור ביו-משימת מתכות כבדות, מנגנונים מרכזיים, סוגים של אנזימים, יישומים עתידיים, ומגבלות עכשוויות, ומגבלות על פני כדור הארץ במהירות, ומגבלות.

הכימיה של זיהום מתכת כבד

מקורות וספקולציות

מתכות כבדות נכנסות למערכות מים דרך מסלולים טבעיים ואנתרופולוגיים.מזג אוויר טבעי של סלעים נושאי מתכת תורם ריכוזים בסיס, אבל פעילויות אנושיות מגבירות באופן דרמטי את הרמות האלה.מקורות מרכזיים כוללים שחרור תעשייתי מאלקטרופלינג, ייצור סוללות, צבע טקסטיל, ייצור מוליכים למחצה; לברוח מאתרי מוקשים נטושים; שימוש חקלאי המכיל חומרי הדברה מתכת ופרירים; וניתוק ממזמים ממזומנים ופסולת אדמה.

ברגע במים, מתכות קיימות בצורות כימיות שונות (speciation) בהתאם ל- pH, בתנאים אדומים, ואת נוכחות של ligands אורגני או אורגני.לדוגמה, כרום יכול להופיע כ רעיל hexavalent Cr(VI) או הרבה פחות רעילים של סוכרת (III) יכול להיות נוכח כמו כספית אלמנטרית, מלחים צמחיים אורגניים, או רעילים מאוד (דלקתיים) כמו רעילים).

השפעות בריאותיות ואדוקלוגיות

חשיפה למתכות כבדות באמצעות שתיית מים או ביוקפיון שרשרת המזון מובילה למגוון של אפקטים כרוניים וחריףים.עופרת מובילה את המערכת העצבנית, גרימת גירעון קוגניטיבי בילדים; כספית פוגעת בתפקוד המוח ופיתוח; קדמיום מצטבר בכליות ועצמות; ארסן הוא חומר חזק ללא הגבלת זמן של אורגניזמים ימיים סובלים מגורלים דומים - גידול, צמיחה, צמיחה, ואוכלוסייה.

איך Enzymes לעבוד ביו-ריגולציה של מתכת כבדה

שיתוק וספקטרום

Enzymes מאיצה תגובות כימיות על ידי הורדת אנרגיה הפעלה באמצעות אינטראקציות מולקולריות מדויקות באתרים הפעילים שלהם.מפרט זה קריטי עבור ביו-remediation: אנזים יכול לזהות ion מתכת מסוים או מתכת-ligand מורכב וקטאז טרנספורמציה שהופכת את המתכת פחות רעילה, יותר לא עקבית, או קל יותר להפריד.

מכניזם של Metalטרנספורמציה

Enzymes לפעול על מתכות כבדות באמצעות מספר מנגנונים נפרדים:

• (FLT:0) אוקסידציה / ניכוי: FLT:1 שינוי מצב חמצון יכול לשנות באופן דרסטי רעילות ו solubility. לדוגמה, oxidoreductases יכול להמיר מאוד ניידים רעיל Cr(VI) פחות soluble Cr(III), אשר precipitates כמו romi oxide.
• (ב) ⁇ :0) צ'יגל או מורכבות: FLT:1 אנזימים מסוימים מייצרים או מפעילים סוכנים ממריצים שקושרים מתכות חזק, ויוצרים מורכבות פחות זמינות ביולוגית או יותר שניתן לחדור.
• (FLT:0)Precipitation:FLT:1 פעילות אנזומטית יכולה ליצור סולפט (למשל, באמצעות חיידקים מסובכים אך באמצעות sulfidas מבודדים), פחמןט, או זרמי פוספט אשר מגיבים עם מתכות מומסות כדי ליצור precipitate מינרלים בלתי פתיר.
• (FLT:0) דירוג של תרכובות מתכת-אורגניות: ⁇ FLT 1:1 hydrolases יכול לשבור תרכובות אוניבומטיות (למשל, או איברומקטור), שחרור יון המתכת, אשר ניתן לטפל בו על ידי אנזימים אחרים או מטבול.

כיתות מפתח למתכת כבדה

Oxidoreductases

אוקסדופורטסות מצמצמות את תגובות העברת האלקטרון והם בין האנזימים המלומדים ביותר לטיהור מתכת.בתוך מעמד זה, כמה תת-משפחתיות מציגות הבטחה מיוחדת:

• (FLT:0)Cytochrome P450 מונוקסינזים:FLT:1 אנזימים ספציפיים רחב שיכולה לחמצן קו-מזהמים אורגניים, ובמקרים מסוימים, לשנות את ראיית המתכת בעקיפין על ידי שינוי הסביבה החמצן האדום.
• (ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[1924
• (FLT:0) Peroxidases:FLT:1 המכיל אנזימים המכילים מימן peroxide כמו מקבל אלקטרונים. Lignin peroxidase ו- Manganese peroxidase, אשר למד במקור עבור ההשפלה של ignin, יכול גם חמצון ו precipitate מתכות כמו מניגנזה וברזל, ועשוי לתרום לטבוליזציה של מתכות אחרות באמצעות תא הטייסת.

הידרולס

הידרולס משתמשים במים כדי לשבור אג"ח כימי, והם בעלי ערך במיוחד עבור השמדת קישורים מתכת-אורגניים שמונעים מתכות בפתרון או לשפר את הרעילות שלהם.

• (FLT:0)Phytass: FLT:1 Enzymes אשר משחררים פוספט מן פיפטטה.הפוס החופשי יכול לאחר מכן להצית מתכות כמו להוביל, קדמיום ואורניום כמו מינרלים פוספטים בלתי פתיר.
• (ב) [ה]]: [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]][ה]]]][ה]]] [ה][ה]]]]][ה]]]], [ה[[המאה ה-20], ו[[המאה ה-20]], היא בעלת [[המאה ה[[המאה ה-20]], ו[[המאה ה-20]], ו[[המאה ה-20]], ו[[המאה ה-20]].
• (FLT:0) Organophosphorus hydrolases:cioFLT:1 בעוד בשימוש בעיקר כדי degrade חומרי הדברה של אובופוספט, חלק מהאנזימים האלה יכולים גם לספוג אג"ח אוניבומטי, מה שהופך אותם שימושיים לטיפול בחומרי הדברה המכילה מתכת.

העברה

העברות מעבירות קבוצות פונקציונליות ממולקולה אחת לאחר. בהקשר של ביו-רשמיות, כמה מעברים מוסיפים קבוצות מתיל למתכות (methyltransferases), אשר יכול להיות חרב כפולת: מתילציה לעתים קרובות מגבירה את הרעילות (למשל, מתילמרימורמרי) אבל יכול גם לגרום מתכות מתוחמות ונסוגות ממים.

תגית: Enzymes

• (FLT:0) מילוטהונינים: FLT:1 למרות שלא אנזימים במובן המחמיר, חלבונים עשירים בציסטיין נקשרים מתכות כבדות באמצעות קבוצות thiol.כאשר הם מבטאים מחדש או לא-מוביל, הם פועלים כמטמים מתכתיים מאודסלקטיביים.
• (FLT:0)Phytochelatin synthases:FLT 1 Enzymes כי סינתזת phytochelatins (פטידים המחברים מתכות) מלוטת'ורה.הם נמצאים באופן טבעי בצמחים וכמה מיקרואורגניזמים, וניתן להשתמש בהם כדי לשפר את הצטברות המתכת באורגניזמים או באנזימים membrane.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

מרקורי ניכוי עם מרקוליק דוקאז

(מ) הפחתה מתונה (MerA) היא אנזים חיידקיים המפחיתים את Hg(II) לחומרים מורכבים (Ipitele אלמנטal Hg(0), אשר ניתן לתפוס בשלב הגז באמצעות פחמן מופעל או פרסומות אחרות: מערכות בקנה מידה מלא של כספית (Ricmcalcendic) נאספות על ידי מימון כספית מפסולת תעשייתית וממים קרקעיים.

Chromium Detoxification Using Cr(VI) Reductases

כמה חיידקים Cr(VI) הפחתת משימות נחקרו על מנת להמיר Cr(VI) Cr(VI) ל- Cr(III מזיק הרבה פחות Cr(III) במשפט שדה אחד, ביולוגי המכילה FLT:0Pseudomonas לשיםidaFLT:1 תאים מבטאים ChrR (aromitase) טיפול במיצית אלקטרו-פלינג, צמצום פעילות Ccapvd) מתחת ל- 50 ליטר (L) לאחר מכן היה מאוחר יותר מ"מ"מ"מ"ג"ג') לאחר מכן היה מ-L אנזימים (a מתחת ל-75 ליטרים) לאחר מכן היה מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"ל) לאחר מכן, 000 ליטר 1 ליטרים לאחר שימוש חוזר של תאים חוזרים יותר מ-75 ליטרים לאחר שימוש חוזר של תאים לאחר מכן (aromitwell) לאחר שימוש חוזר של 0.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ארנכי מתרחש בעיקר כ-II (arsenite) ו- AS(V) (arsenate) Arsenite oxidase (Aox) מ-FLT:0Ceni חיידק arsenoxidensFLT:1 oxidize (II) ל- ASV), אשר פחות ניידים בסביבות אנאירוביות יכול להיות יותר בקלות על ברזל על חמצני אוקסד (Aoxidus) שהוכחד) על ידי טייס יחיד (Aoxic) שפותחה) של דלקת ריאות (Aoxidustragic) ל-Aoxic) ב-Aoxate) ל-Aoxic) ל-Aoxic) ל-Aoxic) ל-Aoxic) ל-Aoxic) ל-Aoxicial) ל-Aoxidustragic) ל-Aoxate) ל-Aoxifgicial) ל-Aoxidustexitorams; כמו כן, אשר הוא פחות ב-Aoxidustragine) ל-Aoxiding (AVidustragine) ל-Aoxiding (AViding (AViding (A

היתרונות של היגיינה מבוססת על ביו-מדיה על פני טכנולוגיות תחרותיות

ספקטרום גבוה מפחית תגובות שליליות

Enzymes היעד רק את חומרת המזהה, מצמצם שינויים לא רצויים ומוצרים לוואי.זה מועיל במיוחד כאשר טיפול במים המכילים תערובת של contaminants - אנזים יכול להיות נבחר כי פועל אך ורק על המתכת הרעילה מבלי להשפיע על מושגים מועילים אחרים או תרכובות אורגניות.

תנאי הפעלה בתשלום

רוב האנזים פועלים בצורה אופטימלית בטמפרטורה של הסביבה ו- pH ליד-ניטרלי, בניגוד לחמצן כימי (אוזון, טיפול חוזר של פנטון) או טיפול תרמי הדורש קלטות אנרגיה גבוהות.זה מוביל לעלויות תפעוליות נמוכות יותר ולטביעת רגל פחמן קטנה יותר.

צמצום ה-Selved SHOCH AND Secondary Waste

לעתים קרובות משקעים כימיים מייצרים כמויות גדולות של סדקים מסוכנים כי חייב להיות מלא אדמה. שיטות מבוסס אנזים לייצר פחות מלוטש, ואת שאריות מוצקות עשיר מתכת (למשל, precipitates או פרסומות מעוגל מתכת על צינורות אנזים) הם לעתים קרובות קטנים יותר בנפח ויכולים להיות מעובדים עבור התאוששות מתכת.

תאימות עם פעולות טיפול אחרות

ניתן לשלב אנזים בתשתיות טיפול במים קיימות.לדוגמה, הם יכולים להוסיף ללגונה מחוסנת, ארוזה בעמודות, או מרוסנת על משטחים של membrane.מודולריות זו מאפשרת רטרוהתאמה של צמחים קונבנציונליים עם יכולות ביו-מתווך.

ב-Situ Applicability

מכיוון שאנזימים אינם דורשים תאים חיים, הם יכולים להיות מוזרקים ישירות לתוך אקוויפרים, אזורי סימנט, או אפילו צינורות תעשייתיים חתומות. בטיפול ב situ להימנע מהצורך לשאוב מים אל פני השטח, להפחית את השיבושים ואת העלות. קבוצות המחקר מתפתחות ניסוחים אנזים מלוטשים כי לאט לאט משחררים זרזים פעילים לאזורים מזוהמים.

אתגרים ומגבלות מעשיות

יציבות בתנאים אמיתיים

אנזימים רבים מאבדים פעילות במהירות כאשר נחשפים לתנאים קשים האופייניים למים מזוהמים: pH קיצוני, טמפרטורות גבוהות, נוכחות של פותרים אורגניים, או ריכוזי יון גבוהים. Immobilization על תמיכה מוצקה - כגון silica nanoparticles, חרוזים מגנטיים, או הידרוגליק פולימרים פולימרים - יכול לשפר את היציבות, אבל את עלות המסחר רווחי נשאר אימוץ נרחב.

Inhibition and Product Inhibition

ריכוזים גבוהים של מתכות כבדות יכולים בעצמם לעכב פעילות אנזים, או על ידי הובלת שאריות קטליטיות חיוניות או על ידי משבשת חלבון מתקפל. בדומה, המוצר של התגובה האנזימטית (למשל, כספית אלמנטרית או כרום משולש) עשוי להיות מורכב עם או להרעיל את האנזים לאורך זמן. מהנדסי תהליכים חייבים לעצב כורים כי לשמור ריכוזי מתכת בתוך טווחים לא רעילים, לעתים קרובות באמצעות מערכות מרובות או שלבים.

עלויות הייצור והטיהור

הפחתת כמויות גדולות של אנזימים עתירי טוהר גבוהה עדיין יקר יחסית בהשוואה למחיר של כימיקלים המשמשים בטיפולים קונבנציונליים.התקדמות בטכנולוגיית DNA חוזרת, תסיסה מיקרוביאלית, והנדסת אנזימים הורידו בהתמדה את העלויות, אבל עבור כמה אנזים נישה, המקרה הכלכלי עדיין לא משכנע.

סקלאלה וביצועים ארוכי טווח

בעוד שהפגנות רבות מוצלחות בקנה מידה מעבדה קיימות, הגדלות עד לשיעורי זרימה תעשייתיים (אלפי מטרים מעוקבים ליום) מציגות אתגרים בטעינה אנזים, העברה המונית ועיצוב כור לטווח ארוך דורשות אי-יציבות אנזים חזקים, תחליף קבוע, ניטור של מחקרים על פעילות.

כיוונים עתידיים: הנדסה טובה יותר Enzymes ומערכות

עיצוב אבולוציה ורציונלי

טכניקות הנדסת חלבונים מאפשרות לחוקרים ליצור אנזימים עם גמישות מוגברת, סובלנות pH ויעילות קטליטית למטרות מתכת ספציפיות.לדוגמה, מחקר שנעשה לאחרונה השתמש באבולוציה מכוונת כדי לשפר את הפעילות של צ'רוב חיידקי, הפחתתה על ידי 40-fold, המאפשר את השימוש שלו בטווח רחב יותר של פסולת. עיצוב רדיונציונאלי, מונחה על ידי מודלים חישוביים, יכול גם להציג מוטיבים מתכתיים או לשנות את האתר הפעיל.

‪Multi-Enzyme Cascades‬

שילוב כמה אנזימים במסלול POSential יכול ללחוץ לחלוטין את המזוגן.לדוגמה, קזדן באמצעות הפחתה mercuric לאחר אנזימים לכידת כספית (למשל, אוברמקטור lyase) יכול לשבור את מתימרקורי לתוך כספית אלמנטרית ומתאן, ואז להמיר את כספית לתוך צורה לא רצונית.

« חוסר שביעות רצון על ננו-חומרים

(ננומטרי) מציעים שטח פני השטח גבוה, התאוששות קלה, טעינה מוגברת של אנזים מגנטיים nanoparticles המצופה עם שכבות אנזים ניתן לקצור עם מגנטית ושימוש מחדש. Graphene oxide, פחמן ננוtubes, ומסגרות אורגניות מתכת (MOFir) נבדקו כתומך.com להשיג אי-יציבות יציבה כי לא מתפשרת פעילות אנזים:0Fir: 4Fternal Review 20: 2.

מערכות ביוטיות-Abiotic Systems

במקרים רבים, הפתרון היעיל ביותר עשוי לכלול אנזימים הפיכה עם תהליכים פיזיים או כימיים.לדוגמה, כור אלקטרו-אנזימים יכול לחדש את האנזים cofactors באמצעות חשמל, מעל למגבלה משמעותית של חמצון הדורשים NADH יקר או NADPH. גישה נוספת היא למזג חמצון מתואם עם מתכת-מדבקות, המאפשרת הסרה אחת ו- NADPH.

חיישן חכם - Smart Bioremediation

מערכות עתידיות עשויות לכלול ביוסנסורים המזהים ריכוזי מתכת בזמן אמת והתאמה של אנזימים דום או זרימת מחירים בהתאם. הידרוגלים חכמים המשחררים אנזימים בתגובה ל- pH או שינויים בריכוז מתכת הם גם בפיתוח, המאפשרים החלמה אוטונומית, הסתגלותית.

מסקנות

ביו-אמצעיה מבוססת אנזים מציעה אסטרטגיה עוצמתית, ממוקדת וסביבתית ועדינה להסרת מתכות כבדות ממערכות מים.הפרטים, תנאי הפעלה קלים, וצמצום ייצור הפסולת בהשוואה לטיפולים כימיים ופיזיים קונבנציונליים.אנזימים מרכזיים כגון חמצון-מחשבות, הידרואסים, והעברות כבר הוכיחו את הפוטנציאל שלהם במעבדה ופיילוט בקנה מידה עבור מתכות כמו, כספית, כרום, כרום, כקדריום, כדריום, כדרומין, ודרומין, קדרומין, ודרומין.

עם זאת, אתגרים של יציבות, עלות ודרגות נשארים מכשולים משמעותיים לאימוץ נרחב.מחקר מתמשך בהנדסת חלבון, ננוטכנולוגיה ושילוב תהליכים הוא בהתמדה להתגבר על המכשולים האלה.כפי שעלויות יורדות וביצועים משתפרות, מערכות המבוססות על אנזימים צפויים להיות מרכיב סטנדרטי של ערכת טיפול במים, עוזר להגן על בריאות הציבור ועל מערכות אקולוגיות מימיות מאיום מתמשך של זיהום כבד.