复合酶水解法提取剩余污泥中蛋白质的研究

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近年来,随着城市污水处理厂及城镇污水处理设施的大量建设,我国已建成近8000多万m3/d能力的污水处理厂,有效的遏制了水体污染。但与此同时,污水处理带来了大量的剩余污泥,据统计,我国年排放干污泥总量达1.12×103万吨,处理污泥的费用占了污水处理厂总投资的20%-45%,并且还不包括污泥的处置费用。因此从成本上分析,污泥已经成为直接影响污水厂正常运行的限制性因子。针对如此巨大的污泥量,如能对其进行无害化,资源化处理,最终转化为一种资源加以充分利用,变废为宝,是降低污泥处置成本的有效手段,是污泥处置与资源化结合的有效途径。据报道,剩余污泥中粗蛋白的含量约占污泥干重的30%-60%,针对这些丰富的蛋白质资源,已有研究者采用了物理法、化学法以及综合处理法提取污泥中的蛋白质,并且取得了一定的研究成果,但采用酶法提取,尤其是复合酶法提取污泥蛋白质的研究,国内研究较少。本课题就是从复合酶法水解提取剩余污泥中的蛋白质入手,以上海市青浦区某污水处理厂消化、脱水后的剩余污泥为主要原料,首先在单酶水解提取污泥蛋白的基础上,选取三种蛋白质转化率较高的酶,构成三组复合酶,以蛋白质转化率为指标,用凯氏定氮法测定蛋白质含量,选取一组蛋白质转化率最高的复合酶;然后用这组复合酶水解提取剩余污泥蛋白,并研究复合酶法水解提取剩余污泥蛋白的最佳条件;最后,结合不同的预处理工艺及金属离子,研究预处理工艺及金属离子对此种复合酶提取剩余污泥蛋白的影响,为提高酶法提取剩余污泥蛋白的蛋白质转化率,以及今后剩余污泥的资源化利用,奠定了基础。课题研究的主要结论如下:(1)实验室测得剩余污泥pH为6.8,含水率为82.7%,以蛋白质转化率为指标,用碱性蛋白酶,中性蛋白酶,木瓜蛋白酶三种单酶构成的三组复合酶在各自适宜的水解条件下提取污泥蛋白,最终选定碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶组成的复合酶为最优复合酶,并进行下一步的水解优化试验。结果表明,复合酶最适工作条件为:pH值为7.0,温度55℃,加酶量为5%,酶配比(碱性蛋白酶:木瓜蛋白酶)为1:12,反应时间4h,液固比4:1,蛋白质转化率最高为77.16%。(2)用三种污泥预处理方法—超声波,微波,热水解分别与碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶构成的复合酶联合提取剩余污泥蛋白,并通过改变单因素实验条件,来确定不同预处理联合复合酶提取污泥蛋白的各自最高蛋白质转化率。结果表明:在相同能耗的前提下,采用超声波与复合酶联合法提取污泥蛋白的蛋白转化率最高,在超声波工作条件为超声时间70min,声能密度1.2w/ml,复合酶工作条件为pH值为7.0,温度55℃,加酶量为5%,酶配比(碱性蛋白酶:木瓜蛋白酶)为1:12,反应时间4h,液固比4:1的条件下,蛋白质转化率最高为85.7%,显然优于单独用复合酶水解提取;通过对超声波联合复合酶提取污泥蛋白得到的蛋白提取液中的重金属含量的检测,发现重金属元素浸出率都比较低,在相关规定的最低限制范围内,由此说明该方法制备得到的蛋白质是安全可靠的。(3)通过向超声波联合复合酶提取污泥蛋白的水解前的污泥溶液中加入不同金属离子,来研究金属离子对该联合提取法的影响。结果表明:一价金属离子Na+、K+对酶活及蛋白质转化率影响不大;不同的二价金属离子对酶活及蛋白质转化率的影响不同,碱土族金属离子中,Mg2+有一定激活作用,而Ca2+有抑制作用,过渡态金属离子中,Mn2+有较强激活作用,而Ni2+、Cu2+、Zn2+均为抑制作用;重金属离子Pb2+、Cd2+对酶活及蛋白质转化率均为抑制作用。其中当Mn2+浓度为1mmol/L时,激活作用最强;金属离子抑制作用的大小顺序为:Cd2+>Cu2+>Zn2+>Pb2+>Ni2+>Ca2+。
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