嗜碱-嗜盐的Halomonas sp.明胶酶：一种可持续的酶法替代方案，用于环保型皮革脱毛

《Bioresource Technology Reports》：Alkali-halophilic Halomonas sp. gelatinase as a sustainable enzymatic alternative for eco-friendly leather dehairing

【字体：大中小】 时间：2026年06月10日 来源：Bioresource Technology Reports 4.3

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埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴科学技术大学生物技术系，邮政信箱16417，亚的斯亚贝巴

摘要

酶法脱毛提供了一种可持续的解决方案，因为它减少了化学物质的使用并降低了废水的毒性。在这项研究中，从埃塞俄比亚的盐湖Chitu湖（LC）和Shala湖（LS）中分离出了产生明胶酶的细菌菌株，以评估它们在可持续皮革脱毛方面的潜力。从这些碱性湖泊中采集的样本用于分离嗜盐细菌。在53个分离株中，根据其明胶酶活性选择了3个具有较强活性的菌株（LC3、LC8和LS5），并通过16S rRNA基因测序鉴定为Halomonas pantelleriensis（LC3）、Halomonas alkalitolerans（LC8）和Halomonas salifodinae（LS5）。LC3产生的粗酶具有最高的明胶酶活性（53.93 U/mL）。在40°C、pH 10、15% NaCl、7%明胶以及4 mL（2.6 × 10^4 CFU/mL）的接种量条件下，经过96小时的培养并添加葡萄糖-蛋白胨后，酶活性达到最大值（59.97 U/mL）。优化后的LC3菌株在15%的粗酶浓度下（149.93 U/cm^2）仅需18小时即可完成脱毛，而传统的石灰-硫化物处理方法则需要12小时。与化学方法相比，酶法脱毛还减少了污染负荷：BOD减少了46.08%（682 mg/L）、COD减少了70.66%（3391 mg/L）、TSS减少了60%（1800 mg/L）和TDS减少了28.07%（4218 mg/L）。组织学和扫描电子显微镜分析证实了胶原蛋白结构的完整性以及有效的脱毛效果，验证了该过程的效率。总之，这项研究表明，嗜碱嗜盐菌株LC3具有优异的明胶酶活性和环保的脱毛效率，同时保持了胶原蛋白的完整性并减少了制革废水的污染负荷。

引言

明胶酶属于金属蛋白酶家族，能够降解明胶、胶原蛋白、酪蛋白、信息素和纤维蛋白原等物质。其对明胶的作用分为两个阶段：首先，明胶被水解成多肽，然后这些多肽进一步分解为α-氨基酸（Ekpenyong等人，2016年）。明胶酶在所有生物领域中都有存在，包括动物、植物和微生物。由于微生物具有广泛的催化活性、成本效益、稳定性、易于处理以及在受控条件下快速生长等优点，因此通常更倾向于使用微生物来源的明胶酶（Mohamed等人，2017年）。在这些微生物中，细菌被认为是具有商业价值的胞外明胶酶的主要生产者（Pathade等人，2024年）。在工业上，明胶酶被用于生产明胶和基于胶原蛋白的水解物及肽类，这些产物为药品、饮料和食品产品提供了凝胶化和乳化性能（Li等人，2022年）。

近年来，人们开始关注从极端pH值和盐度环境中分离新的明胶酶产生菌株，因为这些嗜盐细菌产生的酶在高盐条件下仍然保持活性，并且能够在大多数蛋白质通常沉淀或变性的环境中发挥作用（Nanjundaiah，2022年）。相关研究还发现，某些微生物能够在制革工业废水中定植，因为这些废水中含有丰富的动物皮屑残留物，如脂肪、明胶和胶原蛋白（Gargano等人，2023年）。补充研究表明，从禽类废弃物中分离出的细菌菌株可以通过丝氨酸肽酶活性去除人类毛发（Manjula，2014年），而从类似废弃物中提取的明胶酶则可以在不破坏角蛋白的情况下去除皮肤上的毛发（Saeed等人，2023年）。总的来说，这些发现突显了适应恶劣环境的微生物所具有的多样化的酶学能力，并展示了它们在废水管理和制革工业中的广泛应用前景。

传统的皮革脱毛工艺依赖于碱性硫化钠和石灰，这是主要的污染来源。仅这一阶段就占了生物需氧量（BOD）的约40%、化学需氧量（COD）的50%、总污染负荷的60-70%，并且产生了与皮革加工相关的高碱性废水（Zekeya等人，2019年）。未经处理的废水含有高浓度的BOD和有毒成分，对水、土壤、植被和人类健康造成危害（Liknaw等人，2017年）。此外，接触硫化钠、硫酸铵、氯化钠等化学物质的制革工人面临严重的职业风险，包括呼吸系统并发症以及肺癌、胰腺癌和膀胱癌等癌症的风险增加（Dastageer等人，2017年）。

与传统方法相比，酶法脱毛作为一种有前景的可持续替代方案应运而生。诸如蛋白酶、角蛋白酶和明胶酶等酶能够针对性地降解毛发和胶原蛋白，且不会产生有毒副产物，从而降低BOD、COD和总体污染物负荷。与化学方法不同，酶法在温和条件下进行，减少了工人接触有害物质的风险，并产生的废水更易于后续处理（Reiner，2016年）。此外，由于产生明胶酶的细菌容易在皮革上定植，因此明胶酶在制革工业中的应用比其他酶更具优势。目前对于从嗜碱嗜盐细菌中提取的明胶酶在脱毛中的应用及其对制革工业环境可持续性的影响研究还不够充分。因此，本研究旨在从嗜碱嗜盐细菌中生产明胶酶，并评估其作为制革工业脱毛可持续解决方案的潜力，从而提高皮革产品质量并改善环境。

章节摘录

采样区域描述

采样区域包括埃塞俄比亚盐湖地区的两个地点：Chitu湖（LC）和Shala湖（LS）。这两个湖泊位于奥罗米亚地区的埃塞俄比亚裂谷，距离亚的斯亚贝巴以南约200至220公里。它们位于Abijatta-Shalla国家公园内，都具有高盐度特征（Worku，2018年）。LC的纬度为7°24′0″N（823,768米），经度为38°25′0″E（4,250,40米），海拔高度为

嗜碱嗜盐细菌的分离及明胶酶活性的筛选

本研究从LC和LS采集的富集泥样和土壤样本中分离出了总共53个细菌菌落（图S4）。其中，23个菌株来自LS（占43.4%），而Chitu湖的可培养细菌数量显著更多，共有30个形态独特的菌落（占总数的56.6%）。在53个菌株中，只有14个在营养明胶培养基中表现出液化现象。这些菌株被命名为：LC1、LC2、LC3、LC4、LC5、LC6、LC8和LC9来自Chitu湖，LS1、LS2来自LS

局限性与操作挑战

尽管响应面方法（RSM）在捕捉因素间的相互作用和确定最佳条件方面统计上更为有效，但由于粗酶制备方面的挑战，本研究采用了逐变量法（OVAT）。虽然OVAT通过确认单个因素的影响建立了可靠的基线，但它无法识别协同作用，在多变量情况下效率较低。最佳条件严格限于实验室环境

结论

来自嗜碱嗜盐湖泊的细菌菌株LC3、LC8和LS5表现出高效的明胶酶生产能力，并通过16S rRNA基因测序在属水平上得到了鉴定。LC3与Halomonas (Franzmannia) pantelleriensis密切相关，而LC8和LS5分别与Halomonas alkalitolerans和Halomonas salifodinae有较远的关系。其中，Halomonas pantelleriensis

Hana Bizualem：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。Gessesse Kebede Bekele：实验研究。Gadisa Abdisa：数据分析。Mesfin Tafesse Gemeda：数据分析。Ebrahim M. Abda：资源获取。Fassil Assefa Tuji：验证。Selfu Girma：方法设计。Gizachew：数据管理。

资助

本研究得到了埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴科学技术大学的支持。

Abusham等人，2009年

Mandal等人，2012年

Maria等人，2011年

Mata等人，2002年

Pathak和Rathod，2017年

Sun，2021年

Turenne等人，2001年

作者声明本研究是在没有任何可能被视为利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

作者衷心感谢埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴科学技术大学和Wolaita Sodo大学提供的财政支持。

摘要

引言