木聚糖酶修复景观水作用条件的研究

郑巧霞，问清江，慕 娟，孙晓宇，丁 浩

(陕西省微生物研究所，陕西 西安 710043)

景观水体易受污染、流动性差且自净能力弱，许多城市景观水体出现了不同程度的污染，严重影响了周围的自然环境和居民的生活环境，且随着城市化、工业化的快速发展，水资源短缺和水污染矛盾日益突出，治理乃至修复景观污水刻不容缓[1]。

经过长期摸索研究实践，人类对抗水污染的技术日益发达成熟。生物技术已成为处理污水的重要手段，其中微生物技术，包括活性污泥技术、生物膜技术等的不断发展和成熟，成为污水处理工艺中不可或缺的环节[2，3]。然而生物手段有其固有的天然缺陷，如处理时间过长，占地面积过大，受环境气候等的影响较大等，致使现有的水处理速度仍然不能满足社会发展和人民生活需求。由于生物酶具有反应快，底物专一性强，条件更易于控制等特点，研究人员尝试将生物酶制剂引入到污水处理工序中，较好地弥补了直接使用生物法处理污水工艺的不足，具有很好的应用前景[4]。

景观水污染大部分来源于水体本身不断衍生生物群落积累而成的有机物和藻类大量爆发[5]，这些植物性成分中含有大量木聚糖。木聚糖是一种存在于植物细胞壁中的异质多糖，约占植物次生细胞壁干重的15%～40%，是植物半纤维素的主要成分，是一种复杂的多聚五碳糖，在自然条件下很难降解[6，7]。木聚糖酶是指能够降解半纤维素木聚糖的一组酶的总称，能有效地将半纤维素降解为低聚木糖和木糖,是自然界循环的重要酶类。木聚糖酶在食品[8]、制浆造纸[9]、饲料[10]，纺织[11]等行业都取得了显著的应用效果，目前尚无木聚糖酶在景观水修复中的应用相关报道。利用木聚糖酶能有效地降解碳链大分子、疏松有机物基团、甚至能破坏部分细胞壁，释放其中的营养物质的这一特性，笔者研究拟通过对木聚糖酶在景观污水处理过程中的使用方法、酶的作用环境条件、酶作用的效果评价体系的建立等方面的研究，实现景观污水的快速处理及重复利用，缓解水资源匮乏造成的压力，提高现有的生物技术处理景观污水的效率，改善生存生活环境，提高社会经济效益。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木聚糖酶为陕西省微生物研究所自制，桦木木聚糖 Sigma，3, 5-二硝基水杨酸 (DNS) (化学纯)，硫酸银(化学纯)，重铬酸钾(工作基准试剂)，浓硫酸(优级纯)，其余试剂均为分析纯；电子天平、pH计、722分光光度计、消解仪、水浴锅、移液管、酸式滴定管等。

1.2 景观污水模型的建立

取适量自然泥沙、麦草、枯枝残叶置于10 L玻璃缸中，充满蒸馏水，接种适量景观水，以钻孔塑料膜覆盖，室温培养45 d左右，水样变黄绿色且略微发臭即可使用。

1.3 木聚糖酶酶活的测定[12]

酶活力单位定义：在一定条件下，每分钟释放1 μmol还原糖(以木糖计)所需要的酶量定义为一个酶活力单位。

酶活计算公式：

E={[(Ae-Ao)+0.0945]/1.61}×Df×1 000/(Wm×t×v)

E-酶活(IU·g-1)；Ae-酶液反应吸光值；Ao-空白组吸光值；Df-样品酶液稀释倍数；Wm-木糖分子量；t-反应时间(min)；v-参加反应的酶液体积(mL)。

1.4 pH对木聚糖酶去除景观水化学需氧量(COD)的影响

准确称取0.1 g初始酶活为22 774 IU·g-1的木聚糖酶粉末，加适量蒸馏水磁力搅拌溶解1.5 h，以蒸馏水定容至100 mL(22.8 IU·mL-1)备用。取适量景观水，以单层纱布滤除大块漂浮物，量取200 mL过滤后水样备用。加入17.5 μL酶活为22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，分别用1 mol·L-1硫酸和1 mol·L-1氢氧化钠调节水样pH至5、6、7、8、9，混匀。将样品置于55℃水浴锅中保温11 h，测定不同pH下水样COD的变化情况，以酶修复前水样与修复后水样的COD之差作为水样COD降低量。

1.5 作用时间对木聚糖酶去除景观水COD的影响

量取400 mL过滤后水样备用。加入52.6 μL酶活为22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，混匀。用移液管量取混匀后水样，缓慢滴加硫酸银-硫酸阻止酶继续作用，后加入重铬酸钾消解，测定酶修复0 h水样COD。取完酶修复前水样后将样品置于55℃水浴锅中保温，分别量取水浴锅保温1～21 h的水样测定酶修复不同时长水样的COD，以酶修复0 h水样与修复不同时间水样的COD之差作为水样COD降低量。

1.6 酶浓度对木聚糖酶去除景观水COD的影响

取1 mL酶活为22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，以蒸馏水稀释5倍备用。于200 mL纱布过滤后的水样分别加入43.9 μL酶活为4.56 IU·mL-1的木聚糖酶以及17.5 μL、26.3 μL、35.1 μL、43.9 μL酶活为22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，混匀，使作用浓度分别为1 IU·L-1、2 IU·L-1、3 IU·L-1、4 IU·L-1、5 IU·L-1。将样品置于55℃水浴锅中保温13 h，测定不同酶浓度下水样COD的变化，以酶修复前水样与修复后水样的COD之差作为水样COD降低量。

1.7 温度对木聚糖酶去除景观水COD的影响

量取200 mL纱布过滤后水样，加入26.3 μL酶活为22.8 IU·mL-1的木聚糖酶，混匀。分别将样品置于45℃、50℃、55℃、60℃、65℃水浴锅中保温11 h，测定不同温度下水样COD的变化。

1.8 木聚糖酶修复景观水更合适的作用条件优化

将作用时间(11 h、13 h、15 h)、酶浓度(2 IU·L-1、3 IU·L-1、4 IU·L-1)、温度(50℃、55℃、60℃)进行3因素3水平的正交试验，确定木聚糖酶修复景观水更合适的作用条件。

1.9 景观水COD的测定

采用重铬酸盐法测定水样COD[13，14]。为了使酶终止反应，取完水样后先滴加硫酸银-硫酸后加入重铬酸钾。

2 结果与讨论

2.1 景观水模型

图1 模拟景观水

2.2 木聚糖酶酶活

图2 木糖标准曲线

所测木聚糖酶酶活为：22 774 IU·g-1，后续试验均使用该酶。

2.3 pH对COD的去除的影响

由图3可知，随着pH增大，COD降低量先增大后减小，pH为7时COD降低量最多，可达19.19 mg·L-1，去除率为9.84%。pH偏酸性或偏碱性木聚糖酶依然能去除少量景观水中有机污染物，说明pH对木聚糖酶修复景观水的作用效果有一定的影响，实际修复景观水pH应尽量保持中性。笔者试验中木聚糖酶修复景观水更合适的pH即为水样初始pH，故后续试验不再调节pH值。

图3 pH对COD的影响time=11 h; E=2 IU·L-1;T=55℃;pH=5～9

2.4 作用时长对COD的去除的影响

由图4可知，24 h内随着木聚糖酶修复时长的增加，COD去除率先增大后略减小最后趋于稳定；木聚糖酶作用7～9 h时，COD快速降低，至11h时COD降幅最大，降低19.36 mg·L-1，去除率为10.86%；24 h内更合适的作用时长范围为11～15 h，因模拟景观水底物浓度有限，15 h后随着时间的延长有机物含量变化不明显，基本进入平台期，实际景观水中半纤维素类物质含量可能更高，可进一步延长作用时间。

图4 作用时长对COD的影响

2.5 酶浓度对COD的去除的影响

由图5可知，当水样初始COD为180～188 mg·L-1时，随着木聚糖酶酶投加量的增加，COD先降低后升高，作用酶浓度为3 IU·L-1，COD去除率最高，此时COD降低31.97 mg·L-1，去除率为17.02%。最适作用酶浓度会随着底物浓度的变化而发生改变，实际修复景观水应针对性地改变木聚糖酶的投加量，酶的投加量不宜过大，过大会可能会增加水的COD值。

图5 酶浓度对COD的影响

2.6 温度对COD的去除的影响

由图6可知，随着温度的升高木聚糖酶对景观水COD的去除率先升高后降低，木聚糖酶修复景观水更合适的作用温度为55℃，此时COD降低18.16 mg·L-1，去除率可达9.39%。木聚糖酶在一定温度范围内均能维持其活力，能够耐受60℃高温，温度低于50℃时，在11 h内酶的作用不明显，低温作用可进一步延长反应时间。

图6 温度对COD的影响

2.7 木聚糖酶修复景观水作用条件的优化

木聚糖酶修复景观水作用条件的优化结果见表1。其中COD降低量最高的为试验号为9(A3B3C1)，COD降低36.14 mg·L-1，去除率可达18.25%。从极差分析可知，C>B>A，其中影响最大的是时间，最好的组合为A3B1C1，由于该结果不在表中之列，所以进一步进行验证试验。

表1 正交试验极差分析/L9(33)(COD降低量均值±标准偏差)

将表中COD降低量较大的试验组合1(A1B1C1)、4(A2B1C1)、9(A3B3C1)与A3B1C1进行比较，验证结果见表2。A3B1C1为最佳，木聚糖酶修复景观水更合适的作用条件为：酶浓度4 IU·L-1、温度50℃、作用时间11 h，该条件下景观水COD降低57.06 mg·L-1，去除率可达29.53%。

表2 正交试验验证结果

传统的废水处理工艺存在其不可避免的弊端，将生物酶制剂引入污水处理工序中，与传统污水处理联合起来，利用酶制剂的高效性，减少传统工艺中环境危害性物质的使用，采用更温和的处理方式，建立一种环境友好型低能耗的污水处理体系，具有很好的发展前景。Ely C等发现辣根过氧化物酶(HPR)和Fenton工艺联合处理工业废水，能有效地提高生物需氧量、化学需氧量以及总有机碳的去除率[15]。目前尚无木聚糖酶修复景观水的相关研究报道，笔者研究将木聚糖酶引入景观水修复中，发现木聚糖酶能够降解景观水中部分有机物，该酶有望应用于景观水修复工艺中。进一步研究pH、作用时间、酶浓度、温度等因素对木聚糖酶修复景观水的影响，得到更合适的修复条件，更好地应用于景观水修复工艺。笔者试验酶投加量非常少，但对水质的修复作用较明显，不会引入其它污染物，保证了实际应用少量、高效且安全。实际修复景观水升温会增加处理成本，还可能带来环境负荷，应进一步尝试降低反应温度、延长反应时间、联合其它酶制剂、加入絮凝剂[16]、引入固定化酶技术[17]等，以期得到一种温和环境友好型的景观水修复的酶法工艺。

3 结论

木聚糖酶能有效地去除景观水中部分有机污染物，可用于景观水修复。作用时间、温度、酶浓度、底物浓度、pH等因素对木聚糖酶修复景观水的效果均有一定的影响，其中更合适的作用条件区间为pH 6～7、反应时长11～15 h、温度50～55℃、酶浓度3～4 IU·L-1。仅使用木聚糖酶修复景观水也能有较好的修复效果，在pH 7.0、温度50℃、作用时长11 h、酶浓度4 IU·L-1时，COD去除率最高可达29.53%。