- Tương lai ứng dụng Enzyme trong xử lý phế thải. - Các phương pháp xử lý hoá học và sinh học thông thường ngày càng khó đạt được mức độ cần thiết để loại bỏ các chất ô nhiễm này.. - Do đó, cần phải triển khai những phương pháp xử lý nhanh hơn, rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và với những dụng cụ đơn giản hơn so với những hệ thống xử lý hiện hành. - Các enzym, đặc biệt là Hydrolases và Oxidoreductases có tác dụng đặc thù trong xử lý các ô nhiễm bằng cách kết tủa hoặc chuyển hóa các sản phẩm phân hủy chất thải.. - Một số enzym đã được ứng dụng thành công trong việc xử lý chất thải. - Các phương pháp xử lý hoá học và sinh học thông thường ngày càng khó đạt được mức độ cần thiết để loại bỏ các chất ô nhiễm này. - quyết vấn đề nêu trên trong giám định và xử lý ô nhiễm môi trường. - Hầu hết những quy trình xử lý rác thải đều sử dụng một trong hai phương pháp hoá lý hoặc sinh học hoặc kết hợp. - Phương pháp xử lý bằng enzyme là trung gian giữa hai phương pháp truyền thống, nó bao gồm các quy trình hoá học trên cơ sở hoạt động của các chất xúc tác có bản chất sinh học. - Enzyme có thể hoạt động trên các chất ô nhiễm đặc biệt khó xử lý để loại chúng bằng 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 dễ xử lý hoặc chuyển thành các sản phẩm có giá trị hơn.. - Phương pháp xử lý bằng enzyme so với phương pháp xử lý thông thường có những. - ưu điểm sau: được áp dụng đối với các hợp chất sinh học khó xử lý. - Trong bài này, chúng tôi xin trình bày ngắn gọn về việc nghiên cứu ứng dụng một số enzyme và đánh giá một cách cơ bản tiềm năng của chúng ứng dụng trong thực tiễn và tương lai để xử lý chất thải.. - Tất cả các enzyme đều được gọi tên và được xếp vào “Hệ thống phân loại” gồm 6 lớp (class). - Để đạt được mục đích xử lý môi trường, cần phải phá hủy hoặc loại bỏ các chất độc hại nêu trên. - Các enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa - khử thuộc lớp 1 (Oxidoreductase) và các enzyme xúc tác phản ứng thủy phân thuộc lớp 3 (Hydrolase) có vai trò tích cực trong việc này.. - Các enzyme Oxidoreductase trong xử lý môi trường. - Với ý nghĩa đối với công nghệ môi trường, trong lớp Oxidoreductase có thể kể đến các enzyme peroxidase, các enzyme này có ý nghĩa quan trọng.. - Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 Trong số các enzyme peroxidase, đầu tiên phải nhắc tới Catalase. - 1.11.1.6) xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H 2 O 2 [2]. - Ngoài ra, catalase còn có thể phân huỷ formaldehyde, formic acid và alcohol.. - Trong các enzyme peroxidase nêu trên, catalase, peroxidase và manganese peroxidase được nghiên cứu nhiều phục vụ cho việc phát hiện một số ion kim loại độc cho môi trường như: Hg +2 , Pb +2 , Cd +2 , Cr +6 , Mn +2 [3].. - Peroxidase củ cải ngựa (Horseradish peroxidase-HRP) có ký hiệu EC 1.11.1.7, tác động như catalase, xúc tác phản ứng đặc hiệu [4].. - HRP là một trong những enzyme được nghiên cứu nhiều nhất có liên quan tới phương pháp xử lý rác thải bằng enzyme.. - HRP có thể xúc tác phản ứng oxy hoá một phổ rộng các hợp chất thơm độc bao gồm phenol, biphenol, aniline, benzidine và các hợp chất thơm dị vòng như hydroxyquinoline và arylamine carcinogen như benzidine và naphthylamine. - Sản phẩm phản ứng được polyme hoá thông qua quá trình không có enzyme xúc tác dẫn tới hình thành các chất kết tủa có thể dễ dàng loại bỏ khỏi nước hoặc nước thải nhờ quá trình lắng đọng hoặc lọc.. - HRP đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải bởi nó giữ nguyên hoạt tính ở phạm vi rộng pH và nhiệt độ.. - Một hệ quả của đặc tính này đối với các loại nước thải nguy hiểm đã được chứng tỏ khi người ta thấy rằng các chất biphenyl được polichloride hoá có thể bị loại bỏ khỏi dung dịch khi kết tủa với phenol.. - Các peroxidase này có khả năng loại bỏ cơ chất guaiacol và các loại rễ cây đã tập trung các chất ô nhiễm phenol trên bề mặt rễ. - Các enzyme peroxidase có trong rễ cây có khả năng giúp hạn chế tối thiểu sự hấp thu các hợp chất phenol vào trong cây bằng cách tập trung chúng kéo ra bề mặt của rễ.. - Cặn phosphate chứa một lượng đáng kể như đất sét có thể trương nở có kích thước nhỏ và vì tính sa lắng của nó nên làm chậm quá trình khử nước [5]. - Dùng peroxidase trước khi xử lý bằng cặn phosphate sẽ tạo nên một liên kết cơ học mạnh hơn giữa các phân tử của chất lỏng và peroxidase thúc đẩy mạnh sự sinh trưởng của tảo và nấm mốc, có lợi cho việc tập trung các phân tử, tạo tính nhớt và tạo gel. - Các enzyme phân giải lignin (phân lớp EC.1.11) [8].. - Vì vậy, các enzyme phân giải lignin có vai trò quan trọng trong chu trình vận chuyển carbon trên trái đất.. - Trong các enzyme oxidase phân hủy lignin, enzyme có hoạt tính rất mạnh là Ligninase (Lignin peroxidase) và Manganese peroxidase EC 1.11.1.13. - Enzyme Manganese peroxidase xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H 2 O 2 [9].. - 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). - Kết quả là tạo thành phức hợp Mn(III) sau khi xảy ra phản ứng oxi hoá khử các chất hữu cơ.. - LiP có đặc tính 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.. - Các oxidase thuộc các phân lớp oxidase EC.1.1 Trong phân lớp 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 hoá L-galactono-1,4-lactone thành L-ascorbate [11].. - L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensis có thể được dùng để biến galactose từ quá trình thuỷ phân lactose trong dịch sữa chua thành axit L-ascorbic. - này đã được thử nghiệm xử lý nước thải của nhà máy chế biến sữa.. - Các enzyme polyphenol oxidase là một họ khác trong nhóm enzyme oxy hoá khử có khả năng xúc tác cho các phản ứng ôxy hoá các hợp chất phenol. - Các enzyme này được chia thành hai phân họ: tyrosinase và laccase.. - Tyrosinase cố định trên chitosan cho kết quả xử lý hợp chất phenol rất hiệu quả (loại bỏ phenol 100. - Việc cố định tyrosinase có ưu điểm trong việc giữ lại được các enzyme trong bản thể phản ứng và bảo vệ chúng không bị mất hoạt tính khi thực hiện các phản ứng với quinon. - Laccase (EC 1.10.3.2) là một enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxi hoá hydroquinone thành benzoquinone [13].. - 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 [14]. - So với các chất hoá học để khử độc của các chất nhuộm vải thì laccase có các ưu điểm quan trọng hơn hẳn vì xử lý bằng phương pháp hoá học thì hợp chất azo của chất mầu nhuộm vải thường chuyển về các dạng amin tương tự, mà các amin này thường là các tác nhân đột biến gây ung thư [15].. - Peroxidase và laccase có tác dụng tích cực trong việc xử lý dịch lỏng sau quá trình tẩy nói trên và dạng cố định của các loại enzyme này trong mọi trường hợp đều hiệu quả hơn so với dạng tự do.. - Đặc biệt, laccase có thể oxy hoá các hợp chất phenol thành các gốc anion tự do tương ứng có khả năng phản ứng cao do đó Laccase còn được sử dụng để xử lý các hợp chất Clo hoặc phenol trong nước thải của các chế biến sản phẩm chứa cellulose. - Các enzyme Hydrolase trong xử lý môi trường. - Các enzyme thủy phân amylose: các amylase Trong cấu trúc của tinh bột, không chỉ có liên kết α (1- 4) glucosit tạo nên thành phần chủ yếu là amylose, mà còn có liên kết α(1- 6) glucosit tạo nên phân nhánh amylopectin. - Các Amylase là các enzyme đường hoá, có khả năng phân huỷ amylose và amylopectin, glycogen và các polysaccharit tương tự giải phóng glucose. - Trong số các enzyme đó, mỗi enzyme có một chức năng phân biệt. - Vì vậy, 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, bánh cuốn, 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. - α-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 học và sinh học. - Sản phẩm cuối cùng chứa 95% axit lactic và 5% các chất thải an toàn với môi trường [19]. - Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng các enzyme vi khuẩn amylase để xử lý nước thải của các làng nghề làm bún, bánh đa đã có những kết quả đáng kể.. - Các enzyme phân huỷ cellulose. - Sự quan tâm này là do các enzyme này có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hoá các hợp chất kiểu lignocellulose và cellulose trong rác thải tạo nên nguồn năng lượng thông qua các sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các các sản phẩm giầu năng lượng khác. - Thí dụ: từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy có thể thu nguồn năng lượng như ethanol [20].. - Hiện nay vẫn có số lượng lớn các công trình đề xuất những phương pháp có thể thực hiện được trong việc sử dụng các enzyme để thuỷ phân cellulose có trong các chất thải hữu cơ tại các thành phố lớn (MSW) để thu các sản phẩm đường có thể lên men và cuối cùng là tạo ra ethanol và butanol.. - Chính vì vậy, đã có nhiều nghiên cứu đề cập đến việc sản xuất các chế phẩm bao gồm một số enzyme để xử lý phế thải là các polysaccharide thực vật.. - “Econase” được sử dụng để nghiên cứu hiệu quả của các enzyme thuỷ phân cellulose đối với việc xử lý MSW [22]. - Chế phẩm Econase có thành phần chính là endo-1,4-β-D- glucosidase (EC 3.2.1.4), cellobiohydrolase và exo-1,4-β-D-glucosidase (EC 3.2.1.74) và một số các enzyme khác.. - Với các tính chất như nêu trên, các enzyme cellulase đã có những ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải nhà máy giấy. - Do đó, ngoài các enzyme nêu trên, với mục đích xử lý triệt để nước thải loại này, còn có thể sử dụng bổ sung một số enzyme khác để phân huỷ các polysaccharide khác ngoài cellulose. - Hai enzyme cuối này có thể sản xuất từ nhiều chủng vi sinh vật, trong đó có Cellulomonas biazotea [25].. - Các enzyme thủy phân pectin. - Các enzyme thuỷ phân protein. - Protease có thể thủy phân các protein có trong chất thải, để sản xuất các dung dịch đặc hoặc các chất rắn khô có giá trị dinh dưỡng cho cá hoặc vật nuôi. - Chính vì tính chất trên mà protease được sử dụng, một mặt để tận dụng các phế thải từ nguồn protein để những phế thải này không còn là các tác nhân gây ô nhiễm môi trường, một mặt để xử lý các phế thải protein tồn đọng trong các dòng chảy thành dạng dung dịch rửa trôi không còn mùi hôi thối [31].. - Lông tạo nên 5% trọng lượng cơ thể gia cầm và có thể được coi như là nguồn protein cao trong tạo nên cấu trúc keratin cứng được phá huỷ hoàn toàn. - Lông có thể được hoà tan sau khi xử lý với NaOH, làm tan bằng cơ học và bằng các enzyme thuỷ phân, như protease kiềm từ Bacillus subtilis tạo thành sản phẩm có dạng bột, màu xám với hàm lượng protein cao có thể được sử dụng làm thức ăn.. - Protease ngoại bào được tiết ra từ Bacillus polymyxa Bacillus megaterium, Pseudomonas marinoglutinosa và Acromonas 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 [32].. - Các enzyme phá huỷ hợp chất chứa halogen Các enzyme vi sinh vật phá huỷ hợp chất chứa halogen, phá huỷ liên kết carbon-. - halogen có thể chia làm 2 loại haloalkane dehalogenase and haloacid dehalogenase (HAD) [33].. - Chủng này tiết ra Atrazine chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hoá atrazine. - Như vậy, bằng phản ứng Atrazine chlorohydrolase, atrazine độc, không tan có thể chuyển hoá các sản phẩm tan được và không độc [35].. - 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. - Chất cho electron ở phản ứng. - này có thể là benzylviologen hoặc một số chất khác hoặc cũng có thể chuyển hoá arsenite dạng vô cơ sang dạng hữu cơ (methylarsonate) nhờ Arsenite methyltransferase (EC xúc tác phản ứng [38] chuyển hoá các arsenite thành methylarsonate ít độc hơn nhờ S-adenosyl-L-methionine.. - Enzyme tham gia vào xử lý các chất có hoạt tính bề mặt. - Các chất có hoạt tính bề mặt có thể gây ra sự ô nhiễm nghiêm trọng khi ở nồng độ cao ví dụ như từ các nhà máy xà phòng, hệ thống thoát nước thành phố và có thể phát sinh các hiện tượng không mong muốn như việc tạo bọt [37].. - Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B Pseudomonas putida hoặc từ Pseudomonas aeruginosa [38] có thể làm giảm hiệu suất các chất có hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ 750 mg dm -3. - 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. - Nói chung, alkylsulfatase hứa hẹn một ứng dụng trong tương lai về việc xử lý một phạm vi rộng các chất có hoạt tính bề mặt có trong nước thải.. - Enzyme xử lý chất thải xyanua, Cyanide hydratase. - 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. - Khi có mặt xyanua sẽ ức chế quá trình trao đổi chất, có thể gây chết người và các sinh vật khác, cần phải loại bỏ chúng trước khi thải ra môi trường.. - Cyanide hydratase từ nấm thích hợp để xử lý các chất thải công nghiệp chứa xyanua.. - Tóm lại, việc sử dụng enzyme trong xử lý phế thải có một tương lai đầy hứa hẹn. - là một trong những hướng nghiên cứu ứng dụng để sử dụng có hiệu quả enzyme trong công nghệ xử lý phế thải sinh hoạt ở nước ta hiện nay.