CN100469864C

CN100469864C - 聚胺酸化学修饰菌、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN100469864C
Application number: CNB2006100196489A
Authority: CN
Inventors: 李步海; 孙小梅; 余军霞; 佟蜜; 雷超
Original assignee: South Central University for Nationalities
Current assignee: South Central Minzu University
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: CN1970728A

Abstract

本发明涉及一种聚胺酸化学修饰菌，所述的聚胺酸化学修饰菌由下述方法制备：(a)将灭活干菌加入到质量比为1～10%的交联剂的水溶液中，振荡10-20小时后，洗涤，干燥，得交联菌；(b)将二酐及二胺类物质溶于N，N-二烷基酰胺中，室温搅拌反应1-2小时，再将前述的交联菌加入到上述N，N-二烷基酰胺溶液中，在40-50℃搅拌反应2-4小时；(c)将上述合成的菌体加入到碱溶液中，碱化0.5-1小时后，离心、洗涤至中性，冷冻干燥，得菌。对聚胺酸化学修饰酵母菌的实施结果表明其对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附量比未修饰的酵母菌增加了十倍。

Description

聚胺酸化学修饰菌、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及微生物科学、固相有机合成及环境科学等学科的交叉领域，更具体地说涉及聚胺酸化学修饰菌、其制备方法及应用。

背景技术

自从上世纪70年代以来，人们对生物吸附进行了大量的研究。微生物对金属离子的吸附机理非常复杂，其表面的官能团如巯基、羧基、羟基、氨基等，可与金属离子结合，通过离子交换、络合、协同、螯合、物理吸附等方式富集溶液中的金属。微生物来源广泛，价格低廉，与其他非生物吸附剂相比较，具有吸附快速、pH和温度范围宽、易于再生等优点。在实际应用过程中，既可以从废水中回收金属资源，也可以从自然水体中提炼金属，具有良好的应用前景。

然而，在实际过程中，微生物吸附剂往往由于其表面结构松散，机械强度差，吸附能力弱等原因，限制了其具体的应用。

发明内容

本发明的目的针对微生物直接吸附重金属的上述缺陷，提供一种聚胺酸化学修饰菌、其制备方法及应用，该方法制备聚胺酸化学修饰菌的原料易得，价格低廉，操作快速简便，不需要苛刻的实验条件。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种聚胺酸化学修饰菌，其特征在于所述的聚胺酸化学修饰菌由下述方法制备：(a)将灭活干菌加入到质量比为1～10％的交联剂的水溶液中，振荡10-20小时后，洗涤，干燥，得交联菌；(b)将二酐及二胺类物质溶于N，N-二烷基酰胺中，室温搅拌反应1-2小时，再将前述的交联菌加入到上述N，N-二烷基酰胺溶液中，在40-50℃搅拌反应2-4小时；(c)将上述合成的菌体加入到碱溶液中，碱化0.5-1小时后，离心、洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸化学修饰菌。

聚胺酸化学修饰菌的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(a)将灭活干菌加入到质量比为1～10％的交联剂的水溶液中，振荡10-20小时后，洗涤，干燥，得交联菌；(b)将二酐及二胺类物质溶于N，N-二烷基酰胺中，室温搅拌反应1-2小时，再将前述的交联菌加入到上述N，N-二烷基酰胺溶液中，在40-50℃搅拌反应2-4小时；(c)将上述合成的菌体加入到碱溶液中，碱化0.5-1小时后，离心、洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸化学修饰菌。

本发明的干菌所用单位g，交联剂水溶液所用单位为mL，干菌与交联剂水溶液的用量比是1：5～10，二酐与二胺的用量摩尔比是3～8：1。

所述干菌没有特别限制，本领域技术人员可以根据所吸附金属离子进行选择，如针对Pb²⁺和Cd²⁺，其可以是酵母菌、大肠杆菌、金球菌、绿脓菌、曲霉菌或青霉菌等。

二胺类物质为分子中含两个氨基的氨基酸类或脲类物质，如精氨酸、赖氨酸、胱氨酸、硫脲、氨基硫脲或尿素等。

交联剂为戊二醛、甲醛或乙醛。

出于环保的考虑，所述二酐为均苯四甲酸二酐、乙二胺四乙酸二酐、二苯酮四羧酸二酐、联苯四甲酸二酐或单醚四甲酸二酐。

合成时所用N，N-二烷基酰胺为N，N-二甲基甲酰胺。

聚胺酸化学修饰菌应用于吸附重金属离子中。

本发明所得修饰菌是针对自然的生物体机械强度差、吸附效率低、回收困难等问题，用聚胺酸修饰细胞壁合成了一类新型生物吸附剂。本发明具有原料品种丰富，制备成本低廉，制作方法简便，吸附效率高，再生性能好等优点，在处理重金属废水方面有着广阔的发展前景。以聚胺酸也就是由均苯四甲酸酐和硫脲为原料制得修饰酵母菌为例，进行相关说明。显微镜图片图1表明，修饰后，细胞壁完好，并且出现了明显的聚集现象，表明细胞壁表面发生了化学反应。相对于未修饰菌图2a，碱化前修饰菌的红外图谱图2b中在1721.4cm^-1出现新的峰，此峰为羧基中C＝0的伸缩振动峰。经碱化后，羧酸转化为羧酸根离子，在修饰菌的红外谱图中出现了1583和1382cm^-1两个新峰图2b，这两个峰应为羧酸根离子中C＝0的不对称和对称伸缩振动峰。未修饰菌和修饰菌的N(1s)和0(1s)的XPS谱图见图3a、图3b、图3c和图3d，未修饰菌的0(1s)XPS谱图如图3a中534.3，532.5，531.0eV出现的三个峰，分别对应于C-0，0＝C-0和0＝C-NH₂中的氧。在修饰菌的0(1s)XPS谱图如图3c中出现了两个新峰(535.9，529.0eV)，535.9eV对应于酯基(0＝C-OR)中的氧，529.0eV对应峰的可能是硫脲中的C＝S键被氧化成C＝0所致。从0(1s)模拟峰的峰面积之比如表1，从表1上看，修饰菌中羧基氧的含量明显提高，羟基含量明显下降。0(1s)的XPS谱图表明，聚胺酸中的酐与菌体表面的羟基发生了醇解反应，反应方程式1-3如下。另外，从N(1s)谱图中也可以看出，在修

表1为表1为本发明未修饰酵母菌和修饰酵母菌的0(1s)XPS谱图中各模拟峰的峰面积之比。

反应方程式1-3

饰菌的N(1s)XPS谱图中也出现了新峰，此峰对应于聚胺酸中的氮。以上红外，显微镜，XPS结果表明聚胺酸成功地接枝在了菌体的表面。修饰菌的电位滴定曲线如图4显示修饰菌表面有两个突跃，对应的官能团分别为氨基和羧基，含量分别为1.36和0.7mmol g^-1。Pb²⁺和Cd²⁺的吸附动力学曲线如图5a、图5b和图6a、图6b所示，图5a、图5b和图6a、图6b表明，修饰菌对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附在50min就可达到平衡。吸附反应为准二级反应如表2，从表2中吸附速率常数v₀

表2为本发明修饰酵母菌吸附Pb²⁺和Cd²⁺的动力学曲线模拟参数表；

可以看出修饰菌的吸附速度远远大于未修饰菌。Pb²⁺和Cd²⁺的吸附等温线如图5a和图6a表明，修饰菌对Pb²⁺和Cd²⁺的最大吸附量分别为214.1，96.0mg g^-1，远远高于相关文献报道的数值(100，50mg g^-1)。用单分子层吸附模式(Langmuir)和多分子层吸附模式(Freundlich)吸附等温式对吸附过程进行模拟，其模拟曲线见图7b、图7c，相关参数列于表3。从表3中表3为本发明修饰酵母菌吸附Pb2+和Cd2+的Langmuir和Freundlich吸附等温线模拟参数表。

可以看出，用Langmuir吸附等温式进行模拟所得的相关系数(R²＝0.999)远远大于用Freundlich吸附等温式模拟的(R²<0.990)，说明修饰菌对Pb²⁺的吸附模式为Langmuir单分子层吸附模式。菌体对Pb²⁺的pH实验(图8)表明，吸附量随着溶液的pH的增加而增大，最佳pH范围是4.0～6.0，适合于弱酸性或中性水体的处理，具有很强的实际意义。

附图说明

图1a为本发明未修饰酵母菌的显微镜图片；

图1b为本发明以均苯四甲酸酐和硫脲制备得聚胺酸修饰酵母菌的显微镜图片；

图2为本发明未修饰酵母菌、碱化前修饰酵母菌及修饰酵母菌的红外图谱；

图3a为本发明未修饰酵母菌0(1s)的XPS图谱；

图3b为本发明未修饰酵母菌N(1s)的XPS图谱；

图3c为本发明修饰酵母菌的0(1s)的XPS图谱；

图3d为本发明修饰酵母菌N1s)的XPS图谱；

图4为本发明修饰酵母菌的滴定曲线；向0.0500g修饰酵母菌加入20.00mL水，然后用0.1mol L-1的HCl滴定，记录pH值随加入的HCl的体积的变化；

图5a为本发明修饰酵母菌吸附Pb²⁺的动力学曲线；

图5b及吸附动力学曲线的准二级模拟方程；准二级模拟方程为，t/qt＝1/v0+t/qe，v0为吸附速率，qe为吸附反应达平衡时的吸附量，t为吸附时间，qt为t时间的吸附量；

图6a为本发明修饰酵母菌Cd²⁺的动力学曲线；

图6b为本发明修饰酵母菌吸附吸附动力学曲线的准二级模拟方程；

图7a为本发明修饰酵母菌吸附Pb²⁺和Cd²⁺的吸附等温线；

图7b、图7c为本发明修饰酵母菌吸附Pb²⁺和Cd²⁺用Langmuir和Freundlich吸附等温线模拟曲线；(Langmuir和Freundlich吸附等温线式分别为：q_e/q_m＝C_e/(1/b+C_e)，log q_e＝log a+1/n log C_e，q_m为最大吸附量，q_e为吸附反应达平衡时的吸附量，b为常数，a，n为Freundlich吸附等温式中吸附常数)；

图8为本发明修饰酵母菌吸附Pb²⁺的酸度曲线图。

具体实施方式

聚胺酸化学修饰菌的合成方法。

实施例1：聚胺酸修饰酵母菌合成

1.先将15g干酵母菌加入75mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液中，振荡反应14小时后，离心，水洗，干燥，得戊二醛交联菌；

2.将0.078mol的均苯四甲酸二酐及0.026mol精氨酸溶于100mL的N，N-二甲基甲酰胺中，室温搅拌1～2小时后加入6.0g戊二醛交联菌，40～50℃继续反应2小时后，离心，用N，N-二甲基甲酰胺洗涤产物4次；

3.将上述所得得酵母菌加入到50mL 0.1mol L^-1NaOH溶液中，碱化0.5小时后，离心，洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸修饰酵母菌。

实施例2：聚胺酸修饰酵母菌合成

1.先将15g干酵母菌加入100mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液，振荡反应15小时后，离心，水洗，干燥，得戊二醛交联菌；

2.将0.208mol的均苯四甲酸二酐及0.026mol硫脲溶于100mL的N，N-二甲基甲酰胺中，室温搅拌2小时后加入6.0g戊二醛交联菌，40-50℃继续反应3小时后，离心，用N，N-二甲基甲酰胺洗涤产物4次；

3.将上述所得酵母菌加入到50mL 0.1mol L^-1NaOH溶液中，碱化1小时后，离心，洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸修饰酵母菌。

实施例3：聚胺酸修饰酵母菌合成

1.先将15.0g干酵母菌加入150mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液中，振荡反应16小时后，离心，水洗，干燥；

2.将0.14mol的均苯四甲酸二酐及0.026mol赖氨酸溶于100mL的N，N-二甲基甲酰胺中，室温搅拌2小时后加入6.0g戊二醛交联菌，40-50℃继续反应4小时后，离心，用N，N-二甲基甲酰胺洗涤产物4次；

3.将上述所得酵母菌加入到50mL 0.1mol L^-1NaOH溶液中，碱化0.75小时后，离心，洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸修饰酵母菌。

实施例4：聚胺酸修饰大肠杆菌合成

1.先将15.0g干大肠杆菌加入100mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液中，振荡反应15小时后，离心，水洗，干燥；

2.将0.14mol的乙二氨四乙酸二酐及0.026mol硫脲溶于100mL的N，N-二甲基甲酰胺中，室温搅拌2小时后加入6.0g戊二醛交联菌，40-50℃继续反应3小时后，离心，用N，N-二甲基甲酰胺洗涤产物4次；

3.将上述所得大肠杆菌加入到50mL 0.1mol L^-1NaOH溶液中，碱化1小时后，离心，洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸修饰大肠杆菌。

实施例5：实施例2所述的修饰酵母菌对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附：

1.称取0.1000g修饰酵母菌于250.0mL锥形瓶中，加入100.00mL 250μg mL^-1Pb标液，室温条件下于170rpm下摇床吸附，定期取样，测定Pb的浓度，计算修饰菌对Pb的吸附量，绘制其吸附时间曲线如图5a：吸附量q对吸附时间t作图；

2.称取0.1000g修饰酵母菌于250.0mL锥形瓶中，加入100.00mL100.00μg mL^-1Cd标液，室温条件下于170rpm下摇床吸附，定期取样，测定Cd的浓度，计算修饰菌对Cd的吸附量，绘制其吸附时间曲线如图6a：吸附量q对吸附时间t作图；

3.取7份0.1000g修饰酵母菌中分别加入100.00mL的150，200，220，250，300，350，400μg mL^-1Pb标准溶液，室温条件下摇床170rpm反应50min后，测定Pb的浓度，计算修饰菌对Pb的吸附量，绘制其吸附等温线如图7a：平衡吸附量q_e对平衡浓度Ce作图；

4.取7份0.1000g修饰酵母菌中分别加入100.00mL的50，80，100，150，200，250，300μg mL^-1Cd标准溶液，室温条件下摇床170rpm反应50min后，测定Cd的浓度，计算修饰菌对Cd的吸附量，绘制其吸附等温线如图7a：平衡吸附量q_e对平衡浓度Ce作图；

5.在0.1000g修饰酵母菌中加入不同酸度的100.00mL 250μg mL^-1Pb溶液，于250.0mL锥形瓶中室温条件下摇床170rpm反应50min后，测定Pb的浓度，计算修饰菌对Pb的吸附量，绘制其酸度曲线如图8：吸附量q对pH作图。

Claims

1、一种聚胺酸化学修饰菌，其特征在于所述的聚胺酸化学修饰菌由下述方法制备：(a)将灭活干菌加入到质量比为1～10％的交联剂的水溶液中，振荡10-20小时后，洗涤，干燥，得交联菌，其中干菌所用单位g，交联剂水溶液所用单位为mL，干菌与交联剂水溶液的用量比是1：5～10；(b)将二酐及二胺类物质溶于N，N-二烷基酰胺中，室温搅拌反应1-2小时，所用二酐与二胺的用量摩尔比是3～8：1，再将前述的交联菌加入到上述N，N-二烷基酰胺溶液中，在40-50℃搅拌反应2-4小时；(c)将上述合成的菌体加入到碱溶液中，碱化0.5-1小时后，离心、洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸化学修饰菌。

2、聚胺酸化学修饰菌的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：(a)将灭活干菌加入到质量比为1～10％的交联剂的水溶液中，振荡10-20小时后，洗涤，干燥，得交联菌，干菌所用单位g，交联剂水溶液所用单位为mL，干菌与交联剂水溶液的用量比是1：5～10；(b)将二酐及二胺类物质溶于N，N-二烷基酰胺中，室温搅拌反应1-2小时，所用二酐与二胺的用量摩尔比是3～8：1，再将前述的交联菌加入到上述N，N-二烷基酰胺溶液中，在40-50℃搅拌反应2-4小时；(c)将上述合成的菌体加入到碱溶液中，碱化0.5-1小时后，离心、洗涤至中性，冷冻干燥，得聚胺酸化学修饰菌。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述干菌为酵母菌、大肠杆菌、金球菌、绿脓菌、曲霉菌或青霉菌。

4、根据权利要求2所述的的方法，其特征在于：交联剂为戊二醛、甲醛或乙醛。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：二酐为均苯四甲酸二酐、乙二胺四乙酸二酐、二苯酮四羧酸二酐、联苯四甲酸二酐或单醚四甲酸二酐。

6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：二胺类物质为分子中含两个氨基的精氨酸、赖氨酸、胱氨酸、硫脲、氨基硫脲或尿素。

7、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：合成时所用N，N-二烷基酰胺为N，N-二甲基甲酰胺。

8、根据权利要求1所述的聚胺酸化学修饰菌应用于吸附重金属离子中。