بخشی از مقاله
خلاصه:
گرمایش زمین و تغییرات آب و هوایی× ناشی از دی اکسید کربن موجود در جو بحرانی است که تماما به وسیله انسان و فرایند صنعتی شدن شکل گرفته است. راهکار هایی جذب و تبدیل دی اکسید کربن به دو دسته عمده بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی تقسیم می شوند. راهکار های غیر بیولوژیکی بر خلاف روش های بیولوژیکی با وجود کارآمدی خود با آلودگی های زیست محیطی دیگری همراه هستند. در این پژوهش روش آنزیمی به عنوان یکی از روش های بیولوژیکی جذب و تبدیل دی اکسید کربن مورد بررسی قرار گرفته است. آنزیم کربنیک انهیدراز با نقش موثری بر مرحله هیدراتاسیون دی اکسید کربن سرعت کلی واکنش جذب و تبدیل دی اکسید کربن به کربنات کلسیم جامد را به شدت افزایش می دهد. طی این تحقیق عوامل تاثیر گذار بر واکنش آنزیمی نظیر دما، pH و یونهای موجود در محیط واکنش مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تثبیت آنزیم به عنوان روشی موثر برای افزایش فعالیت آنزیمی، استفاده مجدد از آنزیم و سهولت انتقال جرم مواد اولیه و محصولات برای آنزیم کربنیک انهیدراز بررسی شد.
کلمات کلیدی: دی اکسید کربن، جذب آنزیمی، کربنیک انهیدراز، تثبیت آنزیم
.1 مقدمه
میزان دی اکسید کربن بعد از انقلاب صنعتی رشد بسیار زیادی داشته است که این موجب نگرانی های جدی در زمینه آب و هوا و محیط زیست ایجاد کرده است. روش های زیادی برای جذب و ذخیره سازی و یا تبدیل کربن دی اکسید پیشنهاد شده است که غالب آن ها بسیار پر هزینه به نظر می رسند. تبدیل کربن دی اکسید به بی کربنات توسط آنزیم کربونیک انهیدراز به تازگی با مطالعات و تحقیقات انجام شده به حالت اقتصادی نزدیک شده است. در این روش، یون بی کربنات توسط واکنش با یک یون فلزی مناسب به صورت کربنات جامد در می آید که میتوان تا میلیون ها سال آن را نگه داری و ذخیره کرد.[3] فرایند کلی تبدیل دی اکسید کربن به کربنات کلیسم جامد به صورت زیر انجام می شود: دی اکسید کربن محلول در آب، با آب واکنش داده و بی کربنات تولید می شود. که در آن می باشد. سپس کربنیک اسید در اثر واکنش زیر قرار می گیرد. در حضور یون ،ماده تشکیل و رسوب می کند.
در دمای 37 درجه سلیسیوس و pH خنثی - 7 - ثابت سرعت K1، است و مقدار و به ترتیب و است. همچنین در واکنش مرحله دوم K2 برابر با است. سرعت واکنش اول بسیار آهسته است اما وقتی از کاتالیست بیولوژیکی کربنیک انهیدراز استفاده می کنیم سرعت واکنش به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و به میزان می رسد بنابراین آنزیم کربنیک انهیدراز نقش کلیدی در جذب و ذخیره سازی کربن دی اکسید خواهد داشت. آنزیم کربونیک انهیدراز با حذف واکنش مرحله اول که کندترین مرحله از واکنش ها می باشد، طی واکنشهای زیر سرعت کلی واکنش تبدیل دی اکسید کربن به کربنات کلسیم جامد را به شدت افزایش می دهد. [4]
کربنیک آنهیدراز یک آنزیم دارای پروتئین فلزی است که در سایتهای فعال آن یون فلزی Zn++ وجود دارد. این آنزیم به عنوان کاتالیزور واکنش هیدراتاسیون تبدیل کربن دیاکسید به بیکربنات - - عمل میکند. فعالترین و کارآمدترین این نوع آنزیم میتواند ثابت سرعت واکنش را به 10 6 s -1 افزایش بدهد. این آنزیم منشا های فراوانی دارد - حیوانات، گیاهان، جلبک ها و باکتری ها .[1] - حداقل پنج کلاس از این آنزیم تاکنون شناسایی شده است α ، β ، δ و ζ که از لحاظ ساختاری همگی دارای سایت فعال حاوی فلز روی یا یک فلز مشابه دیگر با کارکرد کاتالیستی مشابه روی هستند.[2]
.2 مکانیزم عملکرد کربنیک انهیدراز بر دی اکسید کربن
مکانیزم عملکرد کربنیک انهیدراز بر دی اکسید کربن چهار مرحله است. از شواهد آزمایشات این طور نتیجه گیری می شود که هیدراتاسیون دی اکسید کربن با تشکیل پیوند بین گروه هیدروکسیل- روی جایگاه فعال آنزیم با اتم کربن موجود در دی اکسید کربن آغاز می شود. در مرحله دوم ایجاد بیکربنات با جابجایی یک مولکول آب انجام می شود. در مرحله سوم جابجایی درون مولکولی پروتون مولکول آب متصل به روی به گروه ایمیدازول هیستیدین آنزیم انجام می شود. در مرحله چهارم پروتون جابجا شده به گروه ایمیدازول به محیط بافری آنزیم منتقل شده که طی این مرحله آنزیم شکل فعال اولیه خود را باز می یابد. شماتیک مکانیزم در شکل 1 نشان داده شده است.در حالت کلی سایت فعال شامل یک یون روی - II - که توسط باقی مانده های اسید آمین هیستیدین محاصره شده و یک ملکول آب/یون هیدروکسید است. با اینکه در آنزیم های کلاس β آب مستقیما با یون روی پیوند ندارد اما مکانیزم روی هیدروکسید برای آن و کلاس γ معتبر است. [3]
.3 بررسی عوامل موثر بر جذب و ذخیره سازی آنزیمی دی اکسید کربن
میرجعفری و همکارانش اثر آنزیم کربنیک انهیدراز گاوی را بر هیدراتاسیون دی اکسید کربن مورد بررسی قرار دادند. طی این تحقیق کربن دی اکسید گازی را در آب دیونیزه دمیده و آب اشباع از کربن دی اکسید را تولید کردند. سپس محلول کربنیک انهیدراز را در محیط واکنش بافر فسفات قرار دادند. واکنش با اضافه کردن آب حاوی دی اکسید کربن آغاز شد. اثر غلظت آنزیم و دما طی آزمایشات با محلول حاوی آنزیم از غلظت 0,2 تا 6 میکرو مولار و در دمای 0، 35، 50 درجه سلیسیوس بررسی گردید. بر اساس آزمایشات نتیجه شد استفاده از آنزیم تاثیر بسیار زیادی بر تولید کربنات کلسیم داشته است و طی کمتر از ده دقیقه به حداکثر مقدار خود رسید که در شکل 2 نشان داده شده است. همچنین افزایش غلظت آنزیم تاثیری مثبت در تشکیل بی کربنات و به طبع آن کربنات دارد ولی افزایش دما موجب کاهش تشکیل بی کربنات می شود.[4]
