張 勇，陳 驥，張 鋒

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.Aarhus University Centre for Circular Bioeconomy, Department of Agroecology, Aarhus University, 8830 Tjele, Denmark；4.西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)研究中心，陜西 西安 710072)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類(lèi)生產(chǎn)生活過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物(作物殘?bào)w、畜禽糞便、生活垃圾、活性污泥等)急劇增加[1-2]。目前，我國(guó)總有機(jī)廢物排放量已超過(guò)40億t，由于處置不當(dāng)或不徹底(焚燒、填埋、丟棄等)，不僅浪費(fèi)資源和能源，還造成環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等惡劣生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[3-4]。例如，作物殘?bào)w大量焚燒后排放的氣體污染物會(huì)引起空氣污染，增加公眾健康風(fēng)險(xiǎn)，加劇氣候變化[4]；畜禽糞便施用后殘留的重金屬和抗生素等污染物進(jìn)入土壤-植物-水體系統(tǒng)，通過(guò)食物鏈富集、系統(tǒng)耦合而引發(fā)生物毒性反應(yīng)[5]。諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日漸凸顯，阻礙了我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進(jìn)程。因此，有機(jī)廢棄物資源化利用迫在眉睫。

其實(shí)我們理性看一下這個(gè)回應(yīng)，我國(guó)沒(méi)有要求瑞典方道歉，因?yàn)橥饨唤簧娌⒉皇菑?qiáng)制他國(guó)給予當(dāng)事人法律“后果”（比如給個(gè)處分、開(kāi)除公職、罰款判刑之類(lèi)），這是不尊重他國(guó)的主權(quán)的行為，我國(guó)自然不齒做這種事情。

有機(jī)廢棄物蘊(yùn)含著豐富的有機(jī)質(zhì)(木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等)，生物可降解性強(qiáng)[3]。本著減量化、資源化、無(wú)害化原則，生物降解是實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物資源化利用的有效途徑之一[6-7]。微生物和酶主導(dǎo)的生物降解通常分為變質(zhì)(biodeterioration)、礦化(mineralization/biofragmentation)和腐殖化(humification/assimilation)3個(gè)過(guò)程[7]。變質(zhì)、礦化和腐殖化協(xié)同作用，相互影響。變質(zhì)過(guò)程：微生物作用與非生物作用共同改變有機(jī)廢棄物表面的理化性質(zhì)，削弱其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[7]；礦化過(guò)程：酶催化大分子有機(jī)質(zhì)解聚為低聚物、二聚物和單體，同時(shí)生成鹽類(lèi)、CO2、NH3、H2O等產(chǎn)物[7]；腐殖化過(guò)程：酶催化礦化過(guò)程的小分子中間產(chǎn)物再合成，形成腐殖質(zhì)(主要成分為胡敏酸、富里酸和胡敏素等分子)和酶-腐殖質(zhì)復(fù)合物，同時(shí)微生物代謝產(chǎn)生能量和代謝產(chǎn)物[7-9]。酶是一系列生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，驅(qū)動(dòng)著生物降解過(guò)程的礦化和腐殖化[8,10-11]，在有機(jī)廢棄物降解過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有效控制酶作用對(duì)實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物資源化利用具有重要意義。

研究顯示，酶作用受到酶種類(lèi)和酶活性的影響[12]379-484。一方面，酶具有特異性，每種酶只作用于特定結(jié)構(gòu)的底物、一類(lèi)化合物或化學(xué)鍵；另一方面，酶具有高效性，能降低反應(yīng)活化能而加快反應(yīng)速率，且酶活性越高其催化能力就越強(qiáng)。然而，尚未有綜述系統(tǒng)闡明如何調(diào)控生物降解過(guò)程的酶作用。深入研究有機(jī)廢棄物降解過(guò)程的酶作用及其調(diào)控機(jī)制，不僅能全面認(rèn)識(shí)生物降解的途徑與分子機(jī)制，還能推進(jìn)酶降解技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。該文綜合分析國(guó)內(nèi)外有機(jī)廢棄物降解方面的研究成果，以期：(1)探討酶對(duì)有機(jī)質(zhì)中碳、氮、磷、硫等元素的降解轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及對(duì)重金屬、抗生素毒性的削減作用；(2)總結(jié)生物降解過(guò)程中酶作用的調(diào)控機(jī)制；(3)展望有機(jī)廢棄物降解酶研究的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1 有機(jī)廢棄物降解過(guò)程的酶作用

生物酶主要來(lái)源于微生物、動(dòng)植物活體及其殘骸，是一類(lèi)生物活性物質(zhì)(蛋白質(zhì)或RNA)[13]，具有高度催化能力及溫度和pH敏感性[12]379-483。它驅(qū)動(dòng)著生物化學(xué)過(guò)程的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)[14-15]，其活性能表征有機(jī)廢棄物生物降解的速度和進(jìn)程。光譜分析、熒光標(biāo)記、同位素示蹤、酶試劑盒和色譜分析等[16]方法被廣泛應(yīng)用于酶活性測(cè)定，能滿(mǎn)足大部分實(shí)驗(yàn)需求；近幾年，生物芯片、單分子熒光成像、納米粒等技術(shù)也被用于酶測(cè)定，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)酶機(jī)制和應(yīng)用的研究[17-19]。有機(jī)廢棄物降解酶以水解酶和氧化還原酶為主，大部分來(lái)源于細(xì)菌和真菌，也有一小部分來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w(表1[20-44])。有機(jī)廢棄物降解礦化和腐殖化過(guò)程的潛在分子機(jī)制見(jiàn)圖1，其酶作用可從催化降解有機(jī)質(zhì)、促進(jìn)腐殖質(zhì)合成和削減污染物毒性3個(gè)方面探討。

表1 參與有機(jī)廢棄物降解的酶

數(shù)字編號(hào)代表酶種類(lèi),詳見(jiàn)表1；紅、綠色編號(hào)分別表示氧化還原酶和水解酶。

1.1 催化降解有機(jī)質(zhì)

蛋白酶分為內(nèi)肽酶和端肽酶，內(nèi)肽酶從中間切斷大分子蛋白質(zhì)的多肽鏈形成相對(duì)分子質(zhì)量較小的朊和胨，端肽酶從多肽的游離羧基末端或游離氨基末端逐一將肽鏈打斷生成氨基酸。氨基酸分解代謝生成α-酮酸和氨，氨代謝形成銨鹽和尿素[50]。氮素的轉(zhuǎn)化分為氨化、硝化和反硝化[38-39,51]3個(gè)過(guò)程。氨化過(guò)程指脲酶水解尿素生成氨、二氧化碳。硝化過(guò)程(NH3/NH4+→ NO2-→ NO3-)指氨氧化酶(氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶)將氨氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸氧化還原酶進(jìn)一步將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽。反硝化過(guò)程(NO3-→ NO2-→ NO/N2O/N2/NH3)指硝酸還原酶將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，亞硝酸還原酶進(jìn)一步將亞硝酸鹽還原為一氧化氮、笑氣、氮?dú)夂桶睔獾任镔|(zhì)。近期研究報(bào)道cytochrome c nitrite reductase (ccNIR)、octahaem nitrite reductase (ONR)和octahaem tetrathionate reductase (OTR)也能催化亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氣[39]，但是尚不清楚有機(jī)廢棄物降解過(guò)程是否存在ccNIR、ONR和OTR，以及ONR和OTR能否作用于微生物的呼吸、亞硝酸鹽或羥胺的解毒。

電力企業(yè)與人民群眾的生活和工作息息相關(guān)，人力資源管理工作直接影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定運(yùn)行。近年，我國(guó)電力體制不斷改革，很多供電公司開(kāi)始應(yīng)用大數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)查竊電。前段時(shí)間，某國(guó)網(wǎng)電力公司與電商公司合作，聯(lián)合發(fā)布“能+”大數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺(tái)，加快推進(jìn)電力大數(shù)據(jù)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)及新型供電服務(wù)模式。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到電力企業(yè)人力資源管理工作中，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)存儲(chǔ)和分析，使人力資源規(guī)劃、招聘、培養(yǎng)、績(jī)效考核等一系列工作更加科學(xué)、有效。

V表征著生物降解過(guò)程中酶作用的強(qiáng)弱(酶活性)，它受兩個(gè)方面因素的影響。一方面，酶具有特異性，每種酶只作用于特定結(jié)構(gòu)的底物、一類(lèi)化合物或化學(xué)鍵。產(chǎn)酶微生物的篩選[25]、接種[76]及特定酶的提取[77-78]、添加[6,79]可以調(diào)整生物酶的種類(lèi)和濃度。另一方面，S(有機(jī)廢棄物)飽和可以忽略它的影響，ET和k是關(guān)鍵的控制因子，且k受理化因子約束?？刂泼笣舛?、T、pH等條件[79-82]或添加表面活性劑[83-84]能夠提高酶活性。此外，生物酶作為蛋白質(zhì)易于分解，一旦從活體分離，其酶活性會(huì)迅速降低，并對(duì)外界環(huán)境因素異常敏感。酶的固定化技術(shù)克服了這一困難，固定化酶具有可重復(fù)利用、穩(wěn)定性高、易從產(chǎn)物中分離等優(yōu)勢(shì)[85]。因而有機(jī)廢棄物降解過(guò)程的酶作用主要有微生物(酶種類(lèi)和酶濃度)、酶的固定化、理化因子(降解物料的溫度、pH和C/N等)和添加劑(激活劑和抑制劑)4個(gè)調(diào)控途徑。

(2)木質(zhì)素是苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)雜有機(jī)聚合物，參與其降解過(guò)程的酶可分為木質(zhì)素修飾酶(LMEs)和木質(zhì)素降解輔酶(LDAs)[22]兩大類(lèi)。LMEs包含酚氧化酶(PO)、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(LiP)、錳過(guò)氧化物酶(MnP)、多功能過(guò)氧化物酶(VP)等，LDAs包含乙二醛氧化酶(GLOX)、芳醇氧化酶、吡喃糖氧化酶、纖維二糖脫氫酶(CDH)、葡糖氧化酶等。LDAs雖然不能降解木質(zhì)素，卻是木質(zhì)素降解過(guò)程所必需的，其在催化反應(yīng)中承擔(dān)傳遞電子、原子或基團(tuán)的功能。例如，GLOX能氧化簡(jiǎn)單的醇或醛生成具有強(qiáng)氧化性的H2O2(電子受體)[22]；CDH包含1個(gè)黃素和1個(gè)血紅素基團(tuán)，能促進(jìn)MnP的降解作用[45]。基于LDAs作用，木質(zhì)素的Cα—Cβ鍵在H2O2、過(guò)氧化物酶(LiP、MnP、VP)催化作用下斷裂而解聚為芳香族醇、醛、酚類(lèi)物質(zhì)，有氧環(huán)境中PO還會(huì)氧化木質(zhì)素生成醌類(lèi)物質(zhì)[22]。然而，木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其降解酶系和催化機(jī)制至今尚未完全被認(rèn)識(shí)。

(3)纖維素和淀粉的酶解過(guò)程通常分為兩步：多糖→寡糖→單糖。第1步，內(nèi)切和外切葡聚糖酶(屬于纖維素酶)作用于纖維素表面，隨機(jī)攻擊β-1,4-糖苷鍵，截?cái)嗬w維素大分子形成寡糖(纖維二糖等)和葡萄糖；淀粉酶切割淀粉的α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵，水解形成麥芽糖、葡萄糖和糊精[46]。第2步，α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶分別水解麥芽糖和纖維二糖生成葡萄糖。木質(zhì)纖維素內(nèi)存在非常牢固的纖維素-半纖維素-木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[47]，首先需要木質(zhì)素酶解聚外層木質(zhì)素，纖維素酶才能進(jìn)一步降解內(nèi)層纖維素。對(duì)纖維素酶的探究還在繼續(xù)，最近BEESON等[48]和TAN等[49]發(fā)現(xiàn)纖維素解聚過(guò)程存在一種CDH和多糖單加氧酶參與的氧化機(jī)制。

1.1.2有機(jī)氮

二是知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化資本參與度低。一方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化過(guò)程漫長(zhǎng)，從研發(fā)到工程化、產(chǎn)業(yè)化過(guò)程，少則幾年，多則數(shù)十年，投資回報(bào)慢，金融投資本身具有趨利性和短視性，因此投資機(jī)構(gòu)不愿花費(fèi)大量資金在這方面；另一方面政府引導(dǎo)支持范圍額度小，社會(huì)參與積極性不高，因而資本運(yùn)作風(fēng)險(xiǎn)大，導(dǎo)致動(dòng)能不足、效果不佳。大部分高校及科研機(jī)構(gòu)也僅僅是設(shè)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)行政性機(jī)構(gòu)，缺乏知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化運(yùn)營(yíng)資金投入，這需要國(guó)家進(jìn)行統(tǒng)一籌劃，長(zhǎng)遠(yuǎn)布局。

1.1.1有機(jī)碳

1.1.3有機(jī)磷和有機(jī)硫

45例周?chē)窠?jīng)鞘瘤患者經(jīng)病理證實(shí)確診，其中良性病變35例，所占比例為77.78%；惡性病變10例，所占比例為22.22%，病變所處部位方面：13例在頸部，所占比例為28.89%；8例在胸部，所占比例為17.78%；10例在腹部，所占比例為22.22%；14例在四肢部位，所占比例為31.11%。

酶的固定化指將游離酶束縛或限制在一定空間內(nèi)，保留其催化活性，并可回收及重復(fù)使用的一類(lèi)技術(shù)。酶的固定化能極大地改善和提升酶的催化活性和穩(wěn)定性。自20世紀(jì)70年代起，酶的固定化技術(shù)快速發(fā)展，廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)療、能源、環(huán)境等領(lǐng)域[90]。傳統(tǒng)固定化技術(shù)分為吸附、共價(jià)結(jié)合、包埋和交聯(lián)4大類(lèi)；新型固定化技術(shù)聚焦固定化載體和固定化方式的創(chuàng)新，如復(fù)合新型載體、酶自固定化和多酶共固定化等[85]。這些技術(shù)已成功應(yīng)用到脂肪酶、漆酶、過(guò)氧化物酶、葡糖氧化酶、淀粉酶、纖維素酶等游離酶的固定化，其酶活性提高8～54倍，酶回收率高達(dá)50%以上[85,91]。部分生物酶活性是與細(xì)胞能量代謝相聯(lián)系的，只有在活體中才能發(fā)揮作用，如硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等。SACHDEVA等[92]的研究突破了這一限制，該團(tuán)隊(duì)利用銀納米顆粒作為載體固定化硝酸還原酶，準(zhǔn)確地測(cè)定了土壤硝酸鹽含量。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，一些成熟的酶固定化技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化。然而，當(dāng)前酶的固定化技術(shù)尚缺乏普適性，需要根據(jù)酶的特性以及應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的固定化方法，加強(qiáng)對(duì)酶自固定化、多酶共固定化等新型固定化技術(shù)的研究是必然趨勢(shì)。

1.2 促進(jìn)腐殖質(zhì)合成

腐殖質(zhì)合成的機(jī)制，目前尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。以木質(zhì)素-蛋白質(zhì)聚合學(xué)說(shuō)、生物化學(xué)合成學(xué)說(shuō)為主流的科學(xué)假說(shuō)認(rèn)為微生物和酶驅(qū)動(dòng)著有機(jī)質(zhì)分解為酚類(lèi)、醌類(lèi)、脂類(lèi)等化合物，這些化合物再與氨基酸、氨和蛋白質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)，形成腐殖質(zhì)[55-56]。然而，現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)研究[57-59]僅能表明：腐殖質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素組成，有機(jī)碳解聚物構(gòu)建了腐殖質(zhì)的基礎(chǔ)碳骨架，氮、磷、硫組分為合成腐殖質(zhì)的輔助原料。

酶作用貫穿有機(jī)廢棄物生物降解的始終，一方面為腐殖質(zhì)合成提供充足的原材料(礦化過(guò)程的中間產(chǎn)物)和能量，另一方面能催化合成腐殖質(zhì)。例如，三羧酸循環(huán)(TCA)是真菌體內(nèi)普遍存在的代謝途徑之一(糖類(lèi)、脂類(lèi)、氨基酸的最終代謝通路和代謝聯(lián)系樞紐)，可以為微生物合成腐殖質(zhì)提供能量。丙酮酸脫氫酶、丙酮酸羧化酶等酶催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A進(jìn)入TCA后經(jīng)過(guò)系列酶促反應(yīng)形成檸檬酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸和三磷酸腺苷等物質(zhì)。丁杰等[57]對(duì)餐廚垃圾堆肥的研究認(rèn)為T(mén)CA過(guò)程的產(chǎn)物可能參與腐殖質(zhì)的合成，如乳酸和丁酸。此外，研究[56,60]報(bào)道多酚氧化酶(PPO)能催化醌類(lèi)化合物與氨基酸、肽、胺等物質(zhì)縮合生成腐殖質(zhì)單體分子，如胡敏酸。由于腐殖質(zhì)合成過(guò)程極其復(fù)雜，對(duì)其合成酶系的組分及機(jī)制的探究依舊很困難。

1.3 削減污染物毒性

研究顯示，有機(jī)污染物(包含抗生素)、金屬離子(包含重金屬離子)均已在畜禽糞便、生活垃圾等有機(jī)廢棄物中檢出[5,61-62]。有機(jī)污染物與金屬離子主要通過(guò)絡(luò)合反應(yīng)引發(fā)金屬離子-有機(jī)物復(fù)合污染，且金屬有機(jī)絡(luò)合物的形成受到有機(jī)污染物官能團(tuán)組成、金屬離子類(lèi)型、有機(jī)物金屬離子相對(duì)含量等因素的影響[63]。例如，四環(huán)素類(lèi)抗生素含有多個(gè)N、O官能團(tuán)，能與Mn2+、Cu2+等重金屬離子發(fā)生螯合作用形成有色絡(luò)合物[5]。值得注意的是，生物酶對(duì)有機(jī)污染物、金屬離子毒性均有削減作用。一方面，酶和微生物聯(lián)系密切，能通過(guò)共代謝作用轉(zhuǎn)化難降解有機(jī)污染物[64-65]，或是基于脅迫應(yīng)答機(jī)制降低金屬離子和自由基的毒性[7,66]；另一方面，酶能促進(jìn)腐殖質(zhì)合成，生成的腐殖質(zhì)進(jìn)一步與有機(jī)污染物、金屬離子發(fā)生絡(luò)合或吸附作用而改變這些污染物的存在形態(tài)[67-68]。生物酶對(duì)重金屬離子、抗生素、非抗生素有機(jī)污染物毒性的削減機(jī)制如下：

(1)在重金屬離子脅迫下，微生物細(xì)胞內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列代謝變化以達(dá)到解毒目的，比如釋放抗氧化性酶、激素。例如，王敏[69]報(bào)道Cu2+脅迫下微生物體內(nèi)氧自由基迅速增多，菌體會(huì)釋放大量抗氧化性酶(超氧化物歧化酶等)和抗氧化劑(胡蘿卜素等)以解毒(清除氧自由基)。LUCAS等[7]報(bào)道木質(zhì)纖維素降解過(guò)程中H2O2與Fe2+發(fā)生芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量·OH(具有高度活性和非特異性)，白腐真菌為了不受·OH傷害，會(huì)加速分泌生物酶來(lái)解毒(酶能催化降解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量小分子有機(jī)物，而這些小分子有機(jī)物具有良好的·OH親和性)。此外，腐殖質(zhì)能鈍化重金屬離子，以削減重金屬毒性。酶作用合成的腐殖質(zhì)含有羧基、羥基、氨基、硫基、硫酸根、磷酸根等官能團(tuán)，能與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用[68]；同時(shí)腐殖質(zhì)(醌、酚等基團(tuán))還能通過(guò)電子傳遞機(jī)制發(fā)生化學(xué)吸附(水溶態(tài))或通過(guò)靜電力發(fā)生物理吸附(固相)[67]。

生物酶大多來(lái)源于微生物，因而微生物生長(zhǎng)的影響因素(營(yíng)養(yǎng)條件、環(huán)境條件)對(duì)酶活性也有一定影響。碳(C)和氮(N)是微生物生長(zhǎng)的必需元素，底物C/N大小會(huì)影響微生物對(duì)養(yǎng)分的吸收量，進(jìn)而影響微生物活性。當(dāng)C/N小于20時(shí)，氮素相對(duì)過(guò)剩而釋放NH3，氮素利用效率降低；當(dāng)C/N大于35時(shí)，微生物缺乏氮素營(yíng)養(yǎng)而生長(zhǎng)受限，其活性會(huì)減弱[100]。不同有機(jī)廢棄物的C/N存在差異[100]，秸稈、木材類(lèi)C/N較高，糞便、污泥類(lèi)C/N較低，因而需要調(diào)節(jié)堆肥物料初始C/N(表2[80,87-88,93-97])，比較適合的初始C/N范圍應(yīng)為20～35。此外，微生物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境條件也存在適應(yīng)性。研究報(bào)道，有機(jī)廢棄物堆肥過(guò)程的最適水分范圍為50%～60%[100-101]，大多數(shù)微生物生長(zhǎng)的適宜pH范圍為4～9，嗜溫微生物和嗜熱微生物的最佳生長(zhǎng)溫度范圍分別為35～40和55～65 ℃[12]397-433。WEI等[87]研究認(rèn)為有機(jī)廢棄物堆肥過(guò)程中酶活性、微生物和環(huán)境因子(T、pH和總氮)3者之間存在顯著相關(guān)性，這也是酶作用受微生物和理化因子影響的體現(xiàn)。堆肥條件的有效控制有利于酶活性的提升和維持。

兩組患者均無(wú)心源性死亡和再發(fā)心肌梗死（0例），治療組和對(duì)照組分別有5例、6例患者行靶血管重建。兩組患者M(jìn)ACE比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

(3)一般情況，生物酶通過(guò)其活性中心將普通有機(jī)污染物催化分解成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、毒性較低的小分子產(chǎn)物[65]。若遇到難降解有機(jī)污染物(多環(huán)芳烴、氯代有機(jī)物等)，可以通過(guò)人工外加生長(zhǎng)基質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)共代謝。共代謝降解作用以關(guān)鍵酶(加氧酶、LiP、MnP和PPO等)和微生物為核心[64]，其具體過(guò)程包括：a. 生長(zhǎng)基質(zhì)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖；b. 生長(zhǎng)基質(zhì)(或非生長(zhǎng)基質(zhì)，即有機(jī)污染物)誘導(dǎo)微生物分泌關(guān)鍵酶；c. 生長(zhǎng)基質(zhì)和非生長(zhǎng)基質(zhì)同時(shí)與關(guān)鍵酶的活性中心結(jié)合，產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性抑制；d. 生長(zhǎng)基質(zhì)被分解產(chǎn)生能量，非生長(zhǎng)基質(zhì)被降解轉(zhuǎn)化；e. 若非生長(zhǎng)基質(zhì)降解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物對(duì)關(guān)鍵酶有毒性抑制作用，微生物則會(huì)啟動(dòng)自我恢復(fù)功能。此外，酶作用合成的腐殖質(zhì)對(duì)有機(jī)污染物也有一定的吸附作用，包括共價(jià)吸附、“空穴”吸附、氫鍵作用和疏水性吸附等[74]。

2 酶作用的調(diào)控機(jī)制

酶通過(guò)改變反應(yīng)路線和穩(wěn)定中間產(chǎn)物等方式減少反應(yīng)激活能來(lái)提高化學(xué)反應(yīng)速率。酶動(dòng)力學(xué)[18]和熱力學(xué)[75]公式為

V=(kcatETS)/(KM+S)，

垃圾生物處理工藝較為關(guān)鍵的一步是將酶液與熱水混合后加入反應(yīng)器，以促進(jìn)有機(jī)物的分解[6]。有機(jī)廢棄物堆肥過(guò)程中，噴灑微生物菌劑(EM菌劑等)能夠增加生物酶分泌量，提高發(fā)酵速度[88]。無(wú)論是接種高效產(chǎn)酶微生物，還是添加特定酶液，其目的都是通過(guò)增加生物酶濃度來(lái)加快有機(jī)廢棄物的降解轉(zhuǎn)化。然而，酶分泌速度和酶提取效率受到限制，不能滿(mǎn)足當(dāng)前的生產(chǎn)需求。構(gòu)建高效基因工程菌或研發(fā)酶生化合成技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)酶的規(guī)?；a(chǎn)[89]。

(1)

k=Aexp [(lnγ-ΔGTS)/RT]。

(2)

式(1)～(2)中，V、kcat、ET、S和KM分別為反應(yīng)速率、催化常數(shù)、總酶濃度、底物濃度和米氏常數(shù)；k、A、R、T、γ和ΔGTS分別為反應(yīng)常數(shù)、指前因子、氣體常數(shù)、熱力學(xué)溫度、透射系數(shù)和過(guò)渡態(tài)激活能。

(1)脂肪酶攻擊酯鍵，將脂肪逐步水解成甘油和脂肪酸等物質(zhì)。脂肪酶具有水溶性，其活性位點(diǎn)包含天冬氨酸、組氨酸和絲氨酸(解聚酶的催化三聯(lián)體)[7]3種氨基酸殘基，該催化三聯(lián)體去質(zhì)子化后生成的氧基負(fù)離子(—O-)攻擊脂肪的酯鍵形成羥基末端(甘油)和?；?酶復(fù)合物，隨后水分子攻擊?；?酶鍵形成羧基末端(脂肪酸)和游離酶。

在進(jìn)行輸出以前，還要設(shè)置相關(guān)的求解控制參數(shù)，包括計(jì)算時(shí)間控制(設(shè)為100 ms)、輸出頻率、沙漏控制類(lèi)型、沙漏系數(shù)以及缺省設(shè)置。由LS-DYNA EXPORTE模塊輸出K文件，打K文件設(shè)置內(nèi)存空間,以及為提高計(jì)算速度而適當(dāng)進(jìn)行質(zhì)量縮放[6]的修改。設(shè)置K文件中的參數(shù)需要具有一定的理論基礎(chǔ)，難度比較大，但是正確的設(shè)置會(huì)大大提高求解效率，縮短仿真時(shí)間，將復(fù)雜的仿真模型快速求解。

2.1 酶種類(lèi)和酶濃度

每種微生物主要分泌一種或少數(shù)幾種降解酶，每種降解酶只能催化特定結(jié)構(gòu)的底物或化學(xué)鍵。通過(guò)宏基因組學(xué)技術(shù)可以識(shí)別編碼降解酶的功能基因，并篩選具有特異功能基因的微生物配制復(fù)合微生物菌劑。例如，XIE等[86]通過(guò)添加具有amoA(AOA，編碼氨單加氧酶) 基因的氨氧化古菌，顯著加快發(fā)酵速度,縮短堆肥時(shí)間。針對(duì)不同類(lèi)型底物，可以接種高效產(chǎn)酶微生物或添加有效生物酶來(lái)加速降解有機(jī)質(zhì)(表1)。例如，若需要降解纖維素和木質(zhì)素含量較高的有機(jī)廢棄物(秸稈等)，可以接種芽孢桿菌、白腐菌等菌株或添加纖維素酶、木質(zhì)素酶等酶液。MAKI等[25]報(bào)道從類(lèi)芽孢桿菌(Paenibacillus)和芽孢桿菌(Bacillus)中分離出的纖維素酶具有高熱穩(wěn)定性、低pH敏感性、高酶活性，從產(chǎn)黃纖維單胞菌(Cellulomonasflavigena)和船蛆桿菌(Terendinibacterturnerae)等菌株分離出的新型多功能纖維素酶能夠降解多種底物。WEI等[87]研究發(fā)現(xiàn)接種微生物菌劑〔包含鏈霉菌屬(Streptomycessp.)、分支桿菌屬(Mycobacteriumsp.)、小單孢菌屬(Micromonosporasp.)和糖單孢菌屬(Saccharomonosporasp.)〕提高了堆肥過(guò)程關(guān)鍵酶(纖維素酶、木聚糖酶、MnP、LiP和PO)活性，促進(jìn)了纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解。馮沖凌等[79]研究了添加酶液(LiP和MnP)對(duì)堆肥過(guò)程微生物群落代謝能力及木質(zhì)纖維素降解的影響，發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)中間產(chǎn)物類(lèi)碳源的代謝能力得到改善，有機(jī)質(zhì)的降解效率顯著提高。

第三，由于各路管線眾多、管道網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，在施工過(guò)程中必須要對(duì)管線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，并加強(qiáng)對(duì)管線的保護(hù)和避讓?zhuān)瑖?yán)格按照規(guī)范要求做好規(guī)范化施工，以確保工程質(zhì)量。

2.2 酶的固定化

磷和硫是生物體必需的化學(xué)元素，它們?cè)谖⑸锎x過(guò)程中至關(guān)重要[52]。通常認(rèn)為，磷酸酶先催化水解大分子有機(jī)磷化合物得到磷酸二酯和磷酸單酯，它們進(jìn)一步被水解形成PO43-和·OH[53]。硫酸酯酶催化水解脂肪族和芳香族有機(jī)硫化合物，使硫酸酯鍵斷裂從而形成無(wú)機(jī)硫酸鹽、醇類(lèi)、H2S等物質(zhì)[54]。然而，現(xiàn)階段對(duì)這兩大酶系的深入研究相對(duì)缺乏，今后還需要進(jìn)一步識(shí)別它們的組分和作用機(jī)制。

2.3 溫度、酸堿度和碳氮比

溫度對(duì)酶活性的影響是極其顯著的：一方面它會(huì)改變酶的穩(wěn)定性，在5～50 ℃范圍內(nèi)，大部分酶活性隨溫度上升而增加，>60 ℃條件下有些酶活性開(kāi)始降低直至完全失活；另一方面，溫度會(huì)改變酶的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征，包括速率常數(shù)(k)、平衡常數(shù)(Keq)、吉布斯自由能變(ΔG)等[12]425-438。例如，k的溫度敏感性(Q10)可表示為Q10≈10(ΔGTS-lnγ)/RT2。Top范圍大致為30～65 ℃，基本趨勢(shì)為水解酶Top低于氧化還原酶Top，碳轉(zhuǎn)化酶Top低于氮轉(zhuǎn)化酶Top(表2[80,87-88,93-97])。通過(guò)控制堆肥溫度，MIYATAKE等[81]研究認(rèn)為牛糞堆肥的微生物比增長(zhǎng)率和酶活性顯著提升(54 ℃)；張相鋒等[98]研究認(rèn)為秸稈堆肥中有機(jī)質(zhì)降解率大幅增加(60 ℃)；常會(huì)慶等[99]研究認(rèn)為污泥堆肥中腐殖質(zhì)含量提高5.52%(25 ℃)。

蛋白質(zhì)是α-氨基酸的線性聚合物，其側(cè)鏈基團(tuán)帶有電荷，因而蛋白質(zhì)構(gòu)成的酶具有pH依賴(lài)性；電子傳遞過(guò)程中，H+濃度會(huì)影響化學(xué)鍵的斷裂、酶-底物復(fù)合物的形成，進(jìn)而影響酶催化速率和腐殖質(zhì)合成效率[12]397-398。酶活性隨pH增加的變化趨勢(shì)呈“鐘”型曲線或“S”型曲線，酶作用的適宜pH范圍為 4～9[12]398-403。如表2[80,87-88,93-97]所示，pHop范圍約為5～9，淀粉酶和蛋白酶pHop較低。姜新有等[82]通過(guò)添加過(guò)磷酸鈣和石灰控制堆肥初始pH(6.42～6.83)，不僅減少氮素?fù)p失，還提高有機(jī)質(zhì)降解率。此外，緩沖液也能調(diào)節(jié)催化過(guò)程pH，以維持酶活性穩(wěn)定[12]412-416。

表2 生物降解過(guò)程的最大酶活性及其對(duì)應(yīng)理化性質(zhì)

(2)有機(jī)廢棄物主要含有四環(huán)素類(lèi)、喹諾酮類(lèi)、磺胺類(lèi)、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、聚醚類(lèi)抗生素[70]5大類(lèi)抗生素。生物酶能夠破壞抗生素分子的某些脆弱化學(xué)鍵或阻斷抗生素與靶點(diǎn)的結(jié)合，從而降低抗生素的毒性作用[71-72]。自1940年首次使用抗生素以來(lái)，大量生物酶已被確認(rèn)可以修飾和降解不同類(lèi)別抗生素，包括β-內(nèi)酰胺類(lèi)、氨基糖苷類(lèi)、酚類(lèi)和大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)等抗生素[72]。例如，夏湘勤等[73]報(bào)道白腐菌(white-rot fungi)、肉毒鏈霉菌(Streptomyce)分泌的木質(zhì)素酶能有效降解諾氟沙星、氧氟沙星和環(huán)丙沙星等喹諾酮類(lèi)抗生素，其毒性可降低70%～90%。

2.4 激活劑和抑制劑

添加劑對(duì)酶活性的調(diào)控途徑包括環(huán)境條件、底物和酶系特征[12]379-391。常用的酶激活劑是表面活性劑，其作用機(jī)制[102]如下：(1)改變底物結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)底物與酶的接觸和作用；(2)對(duì)生物酶構(gòu)象產(chǎn)生影響，提高酶的活性和穩(wěn)定性，改善酶的失活問(wèn)題；(3)促進(jìn)生物酶在底物上的有效吸附。如表3[83-84,97,102-111]所示，某些金屬離子(Fe2+、Cu2+、K+等)在適宜濃度下，能夠活化生物酶功能，因而表現(xiàn)出激活作用。另外，由于堆肥中、后期氮素?fù)p失嚴(yán)重，原位保氮的需求促使脲酶抑制劑和硝化抑制劑應(yīng)運(yùn)而生，它們能有效減少氮流失[103-104]。與此同時(shí)，添加劑對(duì)生物酶的調(diào)節(jié)作用還受到激活劑(或抑制劑)濃度、底物結(jié)構(gòu)特性(疏水性、氫鍵、官能團(tuán)、可及度等)、水解/氧化還原條件(水分、pH、攪拌等)、酶系特征(種類(lèi)和濃度等)的影響[102]。例如，豬糞堆肥過(guò)程中低濃度Cu2+(起始濃度為255 mg·kg-1，降解過(guò)程為26～117 mg·kg-1)刺激脲酶活性，而高濃度Cu2+(起始濃度為554 mg·kg-1，降解過(guò)程為106～518 mg·kg-1)抑制脲酶活性[112]；雞糞和菌糠共堆肥過(guò)程中N-正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)只作用于脲酶，以達(dá)到保氮目的[103]。酶激活劑和抑制劑對(duì)酶活性、酶需求量、有機(jī)物降解率、產(chǎn)品質(zhì)量的控制效果顯著(表3[83-84,97,102-111])。

常州紡院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專(zhuān)業(yè)留學(xué)生來(lái)源眾多，并且毫無(wú)漢語(yǔ)基礎(chǔ)或者漢語(yǔ)基礎(chǔ)薄弱，在職業(yè)技能課的學(xué)習(xí)時(shí)就會(huì)面臨語(yǔ)言難關(guān)。因此，英語(yǔ)和漢語(yǔ)相結(jié)合的雙語(yǔ)教學(xué)，在職業(yè)技能課的學(xué)習(xí)中更有必要。

表3 參與有機(jī)廢棄物降解的酶激活劑和抑制劑

3 研究展望

酶降解高效、環(huán)保、可控，是有機(jī)廢棄物資源化利用的有效解決方案之一。雖然目前對(duì)酶降解作用過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚存在諸多限制和挑戰(zhàn)，但是隨著分子方法和模型方法的發(fā)展與應(yīng)用，將會(huì)逐步揭示微生物-酶-有機(jī)廢棄物系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)制，并為進(jìn)一步高效調(diào)控酶作用夯實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)研究中，以下幾個(gè)方面有待于進(jìn)一步加強(qiáng)：

(1)有機(jī)廢棄物酶降解的途徑與分子機(jī)制。目前人們對(duì)有機(jī)廢棄物主要成分的酶降解過(guò)程已有初步了解，但對(duì)降解酶系的種類(lèi)、催化途徑和分子機(jī)制還不完全清楚，比如木質(zhì)素降解酶系、有機(jī)磷和有機(jī)硫轉(zhuǎn)化酶系等。腐殖質(zhì)的合成機(jī)制仍是一個(gè)黑匣子，木質(zhì)素降解酶系催化機(jī)制的深入研究有望驗(yàn)證木質(zhì)素-蛋白質(zhì)聚合學(xué)說(shuō)的正確性。

(2)微生物-酶-有機(jī)廢棄物系統(tǒng)的新陳代謝。微生物物種、酶種類(lèi)、功能基因數(shù)量和有機(jī)廢棄物組分繁多，其形成的代謝網(wǎng)絡(luò)更是錯(cuò)綜復(fù)雜。研究微生物-酶-有機(jī)廢棄物系統(tǒng)的代謝途徑與分子機(jī)制是系統(tǒng)認(rèn)識(shí)生物降解過(guò)程、研發(fā)酶激活劑、調(diào)控酶作用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。同位素示蹤、基因測(cè)序和網(wǎng)絡(luò)模型等方法有助于對(duì)該新陳代謝機(jī)制的識(shí)別。

1.2.2 樣品近紅外光譜掃描及數(shù)據(jù)預(yù)處理 采用Nicolet Antaris II型FT-NIR光譜儀對(duì)407個(gè)樣本進(jìn)行光譜采集，光譜掃描范圍為1 000～2 500 nm，掃描次數(shù)64次，分辨率為0.5 nm。3次重復(fù)，取平均值作為該樣品的最終光譜數(shù)據(jù)。對(duì)煙葉近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時(shí)需對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)操作預(yù)處理，最大程度地去除冗余信息，以降低或消除非目標(biāo)因素對(duì)光譜信息的影響[17]，從而更利于從復(fù)雜的光譜中提取有效信息，在一定程度上提高校正模型的穩(wěn)健性。在此，通過(guò)使用多元散射校正和二階導(dǎo)數(shù)的方法分別對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作。

(3)激活劑對(duì)酶作用的調(diào)控。深入研究激活劑對(duì)酶系組分之間的協(xié)同作用關(guān)系，激活劑與有機(jī)廢棄物組分之間的作用力、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征，以及激活劑對(duì)酶-底物耦合關(guān)系的影響，有利于掌握各種激活劑的功能特征和使用方法。

其次，“方便”和“便宜”是影響留學(xué)生購(gòu)買(mǎi)決策的兩個(gè)重要因素。大多數(shù)留學(xué)生的可支配收入較低，甚至生活費(fèi)都是他們父母提供的，所以他們可能更關(guān)心產(chǎn)品的價(jià)格。因此，在保證自身利益的前提下，網(wǎng)上零售商最好提供最大的優(yōu)惠價(jià)格，以促進(jìn)他們的網(wǎng)上消費(fèi)。

(4)酶的固定化技術(shù)。固定化技術(shù)是改善和提升酶活性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。一方面，當(dāng)前固定化技術(shù)缺乏普適性，需要進(jìn)一步深入研究以完善技術(shù)；另一方面，需要與企業(yè)緊密對(duì)接，推動(dòng)酶的固定化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

(5)降解酶的規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用。通過(guò)構(gòu)建高效基因工程菌來(lái)提高降解酶的表達(dá)量或者利用生化合成技術(shù)來(lái)批量生產(chǎn)酶制劑，在生物降解的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面都具有重要意義和價(jià)值。此外，還需要減少酶需求量和提高酶解效率以降低成本，優(yōu)化工藝流程和削減污染物毒性以保護(hù)環(huán)境。