廃水処理における酵素の応用

水は世界で最も重要な自然資源であり、多くの表面水資源は汚染に非常に脆弱です。自然水源はしばしば、外来物質汚染を含む市町村の廃水によって汚染され、時にはより毒性の高い分解生成物を含むことがあります。これまで、凝集、フロック形成、活性炭吸着など、廃水を処理するためのさまざまな物理的および化学的技術が開発されてきました。逆浸透、ナノフィルtration、光分解、イオン交換、先進酸化などのより高度な技術も、実験室で成功を収めています。しかし、都市の廃水処理のコストは非常に高いです。近年、廃水処理のための生物学的手法が注目を集めています。これらは、比較的低コストで簡単な設備を必要としながら、毒性不純物を含む多くの不純物を完全に酸化できるため、重要です。その中でも、主に酸化還元反応を触媒する酵素オキシドレダクターゼは、広範な基質特異性、位置選択性、エナンチオ選択性を持ち、特に染料、フェノールおよび関連化合物など、さまざまな廃液を効果的に処理できます。

多くの化学酸化剤とは異なり、酸化酵素は基質を鉱物化せず、代わりに自由ラジカルを形成し、それが変換生成物の一部に分解されるか、非酵素的プロセス（酸化的カップリング反応）によって異なる分子に結合して高分子量化合物を形成します。さらに、酵素触媒による変換生成物は、親化合物よりも最小限の毒性を示すか、より生分解性が高く、廃水に対する生物的酸化処理の能力を示しています。酸化酵素には、酸素化酵素、ペルオキシダーゼ、ポリフェノールオキシダーゼが含まれ、これらはすべて、酸化メカニズムを通じてフェノール、芳香族、または無機汚染物質の分解を引き起こします。

酸素化酵素

酸素化酵素は、さまざまな基質に原子または分子の酸素を導入する地域、立体、エナンチオ選択性を達成し、疎水性化合物をより水溶性で反応性のある形態に変換します。酸素化酵素は主に細胞内酵素であり、バイオ合成や代謝において重要な役割を果たします。医薬品の製造や特殊化学品の合成に使用されるだけでなく、酸素化酵素は炭化水素やその類似化合物の生分解にも関連しています。このプロセスは一般的に生体変換と見なされます。これらの化合物は、不適切な使用、保管、廃棄のために環境汚染物質と見なされます。酸素化酵素による生体変換には主に3つの理由があります：

酸素化酵素の化学的対応物は存在しないか、必要な位置選択性および立体選択性が欠けています。
分子酸素は、厳しい化学酸化剤と比較して安価で環境に優しい酸化剤として使用できます。
それらは天然物の修飾や医薬品中間体およびキラルビルディングブロックの合成に関与しています。

ペルオキシダーゼ

ペルオキシダーゼは、すべての生命体に存在するヘム含有タンパク質と呼ばれることがあります。これには、分解者、生産者、消費者が含まれます。彼らは植物の葉の酸化的損傷を防ぎ、木質化プロセスに関与します。彼らは、特に過酸化水素（H₂O₂）やその他の有機過酸化物の還元を仲介し、化学的に多様な化合物の酸化を伴います。ペルオキシダーゼの活性は、基質への電子の移動を正確に伴い、反応中に無害な成分に分解される原因となります。ペルオキシダーゼ反応には、酸化的脱水素化、酸化的ハロゲン化、H₂O₂の不均化、酸素移動反応の4種類が主に含まれます。これらの4つの反応は、家庭や産業からの染料、フェノール、芳香族などの頑固な不均一廃水汚染物質の処理においてペルオキシダーゼの中心性を持っています。

ポリフェノールオキシダーゼ

ポリフェノールオキシダーゼは、特定の商業食品の適合性や不適合性に関与する二核銅含有酵素の一種であり、茶、コーヒー、ココアの褐変から、特定の果物、野菜、加工ワインや飲料の褐変の悪化までを含みます。ポリフェノールオキシダーゼは、風味を高め、食品の品質を決定し、廃水からフェノール汚染物質を除去するために多くの用途で広く使用されています。彼らは、芳香族環のヒドロキシル化を通じてこれらの用途を達成し、その後、モノまたはジフェノールを酸化して高反応性のキノンやラジカルを形成し、さらに非酵素的に重合または他の材料と反応して非常に不溶性の分子色素を形成します。彼らは自然界にほぼ普遍的に存在し、その分泌は主に真菌の病原性や植物のストレスおよび機械的損傷に対する生理的反応に関連しています。彼らが酸化するフェノール化合物の違いにより、彼らは主に2つのカテゴリに分かれます：チロシナーゼとラッカースです。

チロシナーゼ

チロシナーゼは、ペルオキシダーゼに似た酸化反応を触媒するタイプ3の銅二核金属タンパク質であり、動物や人間のI-チロシンからメラニンの合成において重要な役割を果たします。彼らは基質から電子のペアを引き抜くことによって酸化を行い、その活性は2つの酸素依存反応によって強調されます：モノフェノール化合物のオルトヒドロキシル化からo-ジフェノールへの変換は、クレソラーゼ活性によるものであり、その後、自然発生的なo-ジフェノールの酸化は、カテコラーゼ活性によるものです。反応性ヒドラジンは、非酵素的な自己重合または置換されていないフェノールとの共同凝集を経て、不溶性の凝集体を形成し、親フェノールよりも毒性が低く、高い分離性を持ちます。これらのメカニズムは、チロシナーゼがフェノールを含む廃水や土壌の処理の選択肢となる可能性があることを示唆しています。しかし、相対的に低い酸化還元電位、流体マトリックス内での不活性化、および酸化されたフェノール生成物の混和性は、環境や産業での有用性を低下させます。

ラッカース

1883年以来、ラッカースは日本の漆の木 Rhus vernicifera（現在は Toxicodendron vernicifluum）の樹脂に見つかり、さまざまな植物、真菌、昆虫、細菌において検出されており、重要な生物学的役割を果たしています。細菌においては、形態形成、頑固な芳香族基質の生物同化、着色、胞子形成、酸化剤や紫外線に対する保護シールドの形成に関与している可能性があります。さらに、ラッカースはさまざまな基質、特にフェノール化合物の酸化的切断を触媒します。ラッカースは基質の好みの順序を持ち、オルト > パラ > メタ置換フェノールであり、さまざまな芳香族化合物を含むように拡張できます。ラッカースのこれらの特性は、廃水の処理を支援するために使用されるときに、芳香族汚染物質の生分解を開始し維持する能力を示唆しています。

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