CN103275172B - 一种湖泊水华蓝藻胞外聚合物的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湖泊水华蓝藻胞外聚合物的制备方法及应用，包括以下步骤：（1）原位获取湖泊水华蓝藻样品，采用微碱及热浴法实现胞外聚合物与藻体高效分离；（2）采用低温高速离心剪切作用获得胞外聚合物粗品；（3）微孔滤膜过滤，低压浓缩获得富含胞外聚合物的样品；（4）向上述样品中加入无水醇沉，过夜，分离取沉淀；（5）沉淀样品经透析脱盐纯化，冷冻干燥，得到湖泊蓝藻胞外聚合物。本发明获得的湖泊水华蓝藻胞外聚合物具有良好的絮凝性能，同时能高效去除污染水体中的重金属及色度，在环境保护领域具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种湖泊水华蓝藻胞外聚合物的制备方法，特别是可将其用于水环境治理保护，属于生物工程技术领域。
背景技术
近年来，随着人类活动及富营养化程度的加剧，湖泊蓝藻水华频繁爆发，给人类健康及生态环境造成恶劣影响。蓝藻胞外聚合物是在蓝藻细胞生长繁殖过程中产生的一系列大分子有机物的统称，可将蓝藻单个菌体粘附聚集形成蓝藻群体，从而促进蓝藻水华的发生。胞外聚合物主要来源于细胞分泌、细胞溶解、细胞吸附及外来物质等。据统计，胞外聚合物约占蓝藻细胞有机组分的90%以上，故属高有机质含量生物质。
另一方面，目前我国水体污染严重，包括重金属污染、浊度及色度污染，这些污染水体严重影响着饮用水水质，给人类健康带来隐患。已有研究表明，化学法是一种净化水体水质的有效方法，但该法存在操作成本高、反应条件剧烈、衍生二次污染物等缺点。所以，寻找一种环境友好型水质净化处理剂已成为当今政府及研究工作者面临的主要任务。
水华蓝藻胞外聚合物是一种大分子有机物，含有大量的羧基、羟基、胺基等官能团，可通过氢键、范德华力等作用吸附水体中的浊度及色度物质，并可与水体中的重金属形成螯合物质，从而使水体得到净化。
申请号为97109350的专利公布了一种丝状蓝藻水溶性多糖及胞外多糖的提取分离方法，通过脱色去杂、热水提取、乙醇沉淀、真空干燥等步骤，基本实现了丝状蓝藻胞外多糖的提取。但对湖泊水华蓝藻胞外聚合物的却没有涉及，且没有研究胞外聚合物在水环境治理方面的应用潜力。
所以，发展一种从水华蓝藻中获取胞外聚合物并将其应用于去除水体中的污染物质，可达到“以废治废”的目的，对促进环境治理及经济节约型社会的创建均具有重要的战略意义。
发明内容
目前关于水华蓝藻胞外聚合物制备方法的研究较少，而采用水华蓝藻胞外聚合物用于水环境治理方面的应用更是鲜有报道。针对上述研究瓶颈，本发明提出一种水华蓝藻胞外聚合物的制备方法及应用，具有操作简单、制备量大、环境友好型等优点，可达到“以废治废”的目的，具有广阔的应用前景。
本发明的第一目的即在于提供一种湖泊水华蓝藻胞外聚合物的制备方法，具体通过以下技术方案来实现：
（1）原位获取水华蓝藻，采用微碱及热浴法实现胞外聚合物与藻体高效分离；
（2）采用低温高速离心剪切作用获得胞外聚合物粗品；
（3）通过微孔滤膜过滤，滤液进行低压浓缩，获得富含胞外聚合物的样品；
（4）通过向上述样品中加入无水醇沉，实现分级沉淀，分离取沉淀物；
（5）沉淀物经透析脱盐纯化，冷冻干燥，得到湖泊蓝藻胞外聚合物。
本发明所述的水华蓝藻即富营养化湖泊原位蓝藻，其中蓝藻生物量为1.0-5.0g/L。
其中，步骤1所述的微碱是指提取时向待提取藻液中添加质量分数为35~45%的NaOH或KOH溶液，使提取液pH值维持在8~9；所述热浴是指将提取藻液置于温度为55~65℃的热水浴中，热浴时间控制为25~35min，为确保待提取藻液受热均匀，热浴搅拌速度为30~80rpm。
步骤2所述低温高速离心的温度在0~4℃、离心力为15000~18000g，优选温度为2~3℃，离心力为16000~17000g。
步骤3所述的滤膜是指孔径小于8μm微孔滤膜；所述低压浓缩的压力在0.8~1.0MPa，浓缩温度不超过60℃，浓缩至原体积的1/3~1/5，优选孔径为0.45μm的微孔滤膜。
步骤4所述的乙醇沉淀是指向浓缩藻液中添加4~5倍体积的无水乙醇，0~4℃静置沉降24h以上，优选24-48h。
步骤5所述的透析纯化是指采用分子量<14000Da的透析袋去除小分子有机物及无机盐离子杂质，透析时间>60h，透析温度0~4℃。优选分子量为8000-10000Da的透析袋，透析时间为72-96h。
所述的冷冻干燥的干燥压力<0. 2MPa，干燥温度为-40~-60℃，以确保干燥期间胞外聚合物组分的稳定性。
本发明的第二目的即要求保护采用上述制备方法得到的蓝藻胞外聚合物。该胞外聚合物中多糖、蛋白质等大分子含量占80%以上，含有羧基、羟基、酚基等丰富的官能团，是一种高分子有机生物聚合物。
本发明的第三目的即在于要求保护上述蓝藻胞外聚合物在高效净化污染水体治理中的应用。
本发明所述的蓝藻胞外聚合物可用于净化含浊度、色度及重金属污染的水体，净化效果良好。
所述的水体包括两大类水体：所述的污染水体包括工业废水和受到人类活动而污染的自然水体；第一类如电镀、冶炼、等行业生产过程中产生的工业废水，另一类包括河流、湖泊、景观水等。
为保证最佳净化效果，所述的污染水体浊度不超过50 NTU，色度不超过100度；重金属可包含一种或多种重金属种类，其中单种重金属浓度不超过100mg/L，多种重金属总浓度之和不超过300mg/L。
所述的重金属种类包括国家标准规定的8种可迁移元素：Sb、As、Ba、Cd、Cr、Pb、Hg、Se。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、相比室内培养的铜绿微囊藻及丝状蓝藻，水华蓝藻生物量大，胞外聚合物含量高，提取回收效益可观。
2、相比传统提取胞外多糖的方法，微碱热浴联合处理方法可最大限度获取水华蓝藻胞外聚合物，且不破坏蓝藻细胞的完整性。
3、相比传统化学法净化污染水体，水华蓝藻胞外聚合物作为一种生物净化方法，操作简单，成本低廉，且不产生二次衍生污染物，为环境友好型处理技术。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需指出，以下实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
实施例1 ：蓝藻胞外聚合物的制备
取夏季太湖蓝藻水华样品，蓝藻生物量为1.5g/L,蓝藻水样采集后置于4℃冰箱内，并于12h内进行胞外聚合物提取制备操作。
取50ml蓝藻水华样品，采用40%的NaOH溶液调节蓝藻水华样品至pH值为9.0，平衡10min，再将待提取藻液置于60℃恒温热水反应30min；取出立即冷却，并于4℃条件下以15000g离心力离心操作15min，收集上清液；上清液过0.45μm滤膜过滤后并浓缩至原体积的1/4，采用4倍体积无水乙醇于4℃条件下沉淀24h，同等温度下沉淀物经分子量14000Da的透析袋透析72h；透析袋内物质于-50℃条件下进行冷冻干燥，获得纯化水华蓝藻胞外聚合物，收率为95%。该胞外有机物主要含多糖及蛋白质类物质，占总有机物含量的90%以上。
实施例2： 蓝藻胞外聚合物的制备
取秋季太湖蓝藻水华样品，蓝藻生物量为2.3g/L,蓝藻水样采集后置于4℃便携式冰箱内，并于12h内进行胞外聚合物提取制备操作。
取一定量（50ml）的蓝藻水华样品，采用35%的KOH溶液调节待提取蓝藻水华样品至pH至为8.5，平衡10min，再将待提取藻液置于55℃恒温热水反应35min；取出立即冷却，并于4℃条件下以17000g离心力离心操作15min，收集上清液；上清液过0.45μm滤膜过滤后并浓缩至原体积的1/3，采用4倍体积无水乙醇于4℃条件下沉淀24h，同等温度下沉淀物经分子量14000Da的透析袋透析96h；透析袋内物质于-40℃条件下进行冷冻干燥，获得纯化水华蓝藻胞外聚合物，收率为95%。该胞外有机物主要含多糖及蛋白质类物质，占总有机物含量的90%以上。
实施例3 ：蓝藻胞外聚合物的制备
取夏季巢湖蓝藻水华样品，蓝藻生物量为4.0g/L,蓝藻水样采集后置于4℃便携式冰箱内，并于12h内进行胞外聚合物提取制备操作。
取一定量（50ml）的蓝藻水华样品，采用45%的KOH溶液调节蓝藻水华样品至pH至为8.0，平衡10min，再将待提取藻液置于65℃恒温热水反应25min；取出立即冷却，并于4℃条件下以16000g离心力离心操作15min，收集上清液；上清液过0.45μm滤膜过滤后并浓缩至原体积的1/5，采用4倍体积无水乙醇于4℃条件下沉淀36h，同等温度下沉淀物经分子量14000Da的透析袋透析72h；透析袋内物质于-55℃条件下进行冷冻干燥，获得纯化水华蓝藻胞外聚合物，收率为90%。该胞外有机物主要含多糖及蛋白质类物质，占总有机物含量的90%以上。
实施例4 ：蓝藻胞外聚合物的制备
取秋季巢湖蓝藻水华样品，蓝藻生物量为4.5g/L,蓝藻水样采集后置于4℃便携式冰箱内，并于12h内进行胞外聚合物提取制备操作。
取50ml蓝藻水华样品，采用40%的NaOH溶液调节待提取的蓝藻水华样品至pH至为8.5，平衡15min，再将待提取藻液置于65℃恒温热水反应25min；取出立即冷却，并于4℃条件下以15000g离心力离心操作15min，收集上清液；上清液过0.45μm滤膜过滤后，采用4倍体积无水乙醇于4℃条件下沉淀48h，同等温度下沉淀物经分子量10000Da的透析袋透析96h；透析袋内物质于-55℃条件下进行冷冻干燥，获得纯化水华蓝藻胞外聚合物，收率为93%。该胞外有机物主要含多糖及蛋白质类物质，占总有机物含量的90%以上。
实施例5 ：蓝藻胞外聚合物在处理浊度污染水体中的应用
称取1g实施例1制备的水华蓝藻胞外聚合物配成溶液（1g/L），取0.1ml胞外聚合物溶液，加入0.25mlCaCl2溶液（90mM）作为助凝剂，再加入4.65ml浅水湖泊高浊度（45NTU）水体。采用六联搅拌机先快速搅拌（200rpm）1min，后慢速搅拌（30rpm）5min，沉降5min。取表层2cm上清液，测定对照组及经胞外聚合物处理后水样的浊度。结果表明，经胞外聚合物处理后上清液浊度降至4NTU，胞外聚合物的浊度去除率高达90%以上。
实施例6：蓝藻胞外聚合物在处理色度污染水体中的应用
某受污染景观水体原色度为75度，将实施例2制备的蓝藻胞外聚合物配成一定浓度的溶液（0.5g/L）。取0.5ml该溶液，加入到20ml受污染的景观水体中，并加入3ml CaCl2溶液（90mM）作为助凝剂。采用六联搅拌机先快速搅拌（200rpm）1min，后慢速搅拌（30rpm）5min，沉降5min。取表层2cm上清液，测定对照组及经胞外聚合物处理后水样的色度。结果表明，经胞外聚合物处理后上清液色度降至20NTU，胞外聚合物的色度去除率高达70%以上。
实施例7：蓝藻胞外聚合物在处理重金属Pb污染水体中的应用
某工业污水受重金属污染严重，其中Pb浓度达到90mg/L。量取实施例3制备的蓝藻胞外聚合物溶液（1g/L）5ml，加入到100ml该受重金属污染的水体中；反应1h后，将液体装入截留分子量14000Da的透析袋透析72h；采用电感耦合等离子体发射光谱法测定透析前后Pb的浓度，其中透析后Pb浓度为6mg/L，该水华蓝藻胞外聚合物对重金属Pb的去除率达到95%左右。
实施例8: 蓝藻胞外聚合物在处理重金属Cd、Cr、Pb、Hg污染水体中的应用
某工业污水受重金属污染严重，其中Cd、Cr、Pb、Hg浓度分别为65mg/L、82mg/L、70mg/L、55mg/L。量取实施例4制备的蓝藻胞外聚合物溶液（1g/L）5ml，加入到100ml该受重金属污染的水体中；反应1h后，将液体装入截留分子量14000Da的透析袋透析96h；采用电感耦合等离子体发射光谱法测定透析前后Cd、Cr、Pb、Hg的浓度，其中透析后Cd、Cr、Pb、Hg浓度为3.5mg/L、5.0mg/L、4.0mg/L、2.2mg/L，该水华蓝藻胞外聚合物对混合重金属的去除率均达到90%以上。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1. 一种湖泊水华蓝藻胞外聚合物的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）原位获取水华蓝藻，采用微碱及热浴法实现胞外聚合物与藻体高效分离；所述微碱是指提取时向待提取藻液中添加质量分数为35~45%的NaOH或KOH溶液，使提取液pH值维持在8~9；所述热浴是指将提取藻液置于温度为55~65℃的热水浴中，热浴时间控制为25~35min，热浴搅拌速度为30~80rpm；
（2）采用低温高速离心剪切作用获得胞外聚合物粗品；所述低温高速离心的温度为0~4℃、离心力为15000~18000g；
（3）通过微孔滤膜过滤，滤液进行低压浓缩，获得富含胞外聚合物的样品；所述滤膜是指孔径小于8μm微孔滤膜；所述低压浓缩的压力为0.8~1.0MPa，浓缩温度不超过60 ℃；
（4）向上述样品中加入无水醇沉，实现分级沉淀，分离取沉淀物；所述的乙醇沉淀是指向浓缩藻液中添加4~5倍体积的无水乙醇，0~4℃静置沉降24h以上；
（5）沉淀物经透析脱盐纯化，冷冻干燥，得到湖泊蓝藻胞外聚合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5所述的透析纯化是指采用分子量<14000Da的透析袋去除小分子有机物及无机盐离子杂质，透析时间>60h，透析温度为0~4℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5所述的冷冻干燥的干燥压力<0. 2MPa，干燥温度为-40~-60℃。
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