CN104609574A - 用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法。首先将温度敏感的聚合物引入到中空多孔二氧化硅纳米粒子空腔处；然后将此复合纳米粒子接枝细菌的表面。在较低温度情况下，复合纳米粒子能够从废液中吸附苯酚，而在较高温度下又能够将吸附的苯酚分子释放，通过这一个过程，可以使细菌周围的相对苯酚浓度增加，从而加快其代谢过程。本发明通过微生物的代谢作用彻底降解苯酚，转化为二氧化碳和水，不会产生二次污染。将温度敏感聚合物引入到中空多孔纳米粒子空腔处，一方面可以增加纳米粒子的吸附量，另一方面可以在不同温度下实现苯酚在纳米粒子上的吸附与解吸附。为污水处理剂提供了更广泛地选择。

Description

用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法
技术领域
本发明属于高分子纳米复合材料技术领域，具体涉及温度响应纳米复合物与微生物复合的制备方法及在苯酚降解上的应用。
背景技术
苯酚是常见化工原料，随着国家经济的发展，化学工业的扩张，苯酚已成为污水中常见的污染物之一，在污水处理中，去除苯酚也成为常规任务。由于苯酚在水中溶解性较高，因此含有苯酚的废水被认为最难处理的废水之一。目前，处理含苯酚废水的方法主要有吸附，化学氧化以及生物法等。其中，微生物能够将苯酚降解为二氧化碳和水，不会产生二次污染，因此生物法被公认为最为经济有效的处理手段。但是，相比于吸附法，生物降解的处理的速度较慢。这是因为，除了较长时间的生物代谢过程之外，微生物周围的苯酚浓度与整个水体环境的浓度相同，因此微生物从周围环境中摄取苯酚也将会耗费较长的时间；同时，为了避免微生物群落对环境造成新的不利影响，人们会控制微生物的投放与生长。
近些年来，纳米技术的发展给废水的治理带来了新的机遇。纳米粒子的小尺寸效应以及特殊的光电性能被广泛的应用于废水的处理。纳米粒子尺寸较小，因此具有较大的比表面积，从而具有较强的吸附能力。为了进一步增加纳米粒子的吸附能力，一大批介孔纳米材料被用于废水的处理。但是，普通的介孔纳米粒子，很难达到自动脱附的目的，因此很难重复利用；另外，吸附法的另一项缺点就是很难能够彻底吸附掉一定浓度的含酚废水，一旦达到吸附平衡，将不会吸附水体中的苯酚分子；并且介孔纳米粒子的投放量需要很大，远超过吸附对象，才会有吸附效果。这些都限制了吸附法的应用。
将微生物与介孔纳米材料连用可以增加微生物的活性，发挥两者的优势；其中微生物纳米粒子复合体系的设计是两者能够发挥功效的关键，复合体系的设计不仅影响复合体系的稳定性，更涉及微生物与纳米粒子功能的发挥。中国专利申请CN102603083A提供一种以真菌等微生物为连续相基体、纳米材料为分散相的能够有效去除水中有机物的生物纳米复合材料；利用微生物表面的活性基团与纳米材料有机的整合，从而获得能有效去除水中有机物且易于回收的生物纳米复合材料。但是其制备方法过于复杂，并且未发挥微生物、纳米材料的协同作用，很难推广。
在水体环境因素一定的情况下，复合体系内部的稳定性、协同性以及表面特性对其处理活性有着重要的影响；同时对于苯酚水处理剂而言，还需要具有脱吸附的功能。
发明内容
本发明目的是提供一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，由此将多孔纳米粒子接枝到微生物表面，制备出高效稳定的苯酚处理剂，以实现其在含苯酚水处理方面的应用。
为达到上述发明目的，本发明采用的具体技术方案是：
一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，包括以下步骤：
（1）将中空多孔纳米粒子加入含有硅烷与酸酐的有机溶剂A中，搅拌，得到表面修饰的中空多孔纳米粒子；
所述有机溶剂A为二甲基甲酰胺或者二甲亚砜；所述硅烷、酸酐、中空多孔纳米粒子的质量比例为2∶1∶0.1；
（2）将表面修饰的中空多孔纳米粒子加入含有N-异丙基丙烯酰胺、功能单体、交联剂与引发剂的有机溶剂B中，搅拌；然后离心处理、除去上清，将得到的沉淀再分散至有机溶剂B中，氮气气氛下，于60～90℃反应7～9h，离心，沉淀真空干燥得到接枝聚合物的中空多孔纳米粒子；
所述有机溶剂B为二甲基甲酰胺或二甲亚砜；所述功能单体为丙烯酰胺或者甲基丙烯酸；所述交联剂为二乙烯基苯或者N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰；所述N-异丙基丙烯酰胺、功能单体、交联剂、引发剂、表面修饰的中空多孔纳米粒子的质量比例为1∶1∶0.01∶1；
（3）将接枝聚合物的中空多孔纳米粒子分散至磷酸缓冲溶液中，然后加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、 N-羟基琥珀酰亚胺，搅拌后离心处理，沉淀为活化的中空多孔纳米粒子；所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、 N-羟基琥珀酰亚胺、接枝聚合物的中空多孔纳米粒子的质量比例为2∶1∶1；
（4）将细菌分散至磷酸缓冲溶液中；然后加入活化的中空多孔纳米粒子，震荡得到用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系；所述细菌为恶臭假单胞菌或脱氮副球菌。
上述技术方案中，所述中空多孔纳米粒子为中空多孔四氧化三铁或中空多孔二氧化硅，其粒径为50～500nm。
上述技术方案中，所述有机溶剂A为二甲亚砜；所述硅烷为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；所述酸酐为丁二酸酐。
上述技术方案中，步骤（1）中，搅拌5～7小时后经过离心处理，沉淀干燥后得到表面修饰的中空多孔纳米粒子。
上述技术方案中，步骤（2）中，所述有机溶剂B为二甲亚砜；所述功能单体为甲基丙烯酰胺；所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈。
上述技术方案中，步骤（2）中，搅拌12～24小时；单体与引发剂小分子有效进入到纳米粒子空腔内。
上述技术方案中，步骤（3）中，搅拌10～20分钟；有效活化接枝聚合物的中空多孔纳米粒子。
上述技术方案中，步骤（4）中，细菌与活化的中空多孔纳米粒子质量比为1∶1；震荡1～3 h。
上述技术方案中，细菌为恶臭假单胞菌或脱氮副球菌，为现有产品；本发明将含有细菌的LB培养基（OD600=1.5）离心得到细菌，含有细菌的LB培养基无特殊要求，菌种购于中国工业微生物菌种保藏管理中心；磷酸缓冲溶液亦为现有技术，可市购或自行配制。
通过上述方法可以成功将纳米粒子接枝到微生物表面，得到用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系。
本发明将修饰后的纳米复合粒子与微生物复合，一方面能够通过微生物达到降解作用彻底代谢掉废水中的苯酚；另一方面，通过修饰后的纳米复合物在不同刺激条件下的吸附与解吸附过程，增加了微生物周围的苯酚浓度，从而加速整个微生物代谢过程。通过化学键将细菌与纳米粒子相结合，相比于传统的挂膜技术，更加提高了复合系统的稳定性。因此本发明的产品可以用于处理污水，所以本发明还公开了上述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系在制备污水处理剂中的应用。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 本发明首次将中空多孔纳米粒子通过化学键接枝到微生物表面，制备了微生物与纳米粒子复合体系；将该复合体系用于处理污水，能够将废水中的苯酚降解至零左右，而且降解之后的产物为二氧化碳和水，因此不会产生二次污染。
2. 本发明得到的微生物与纳米粒子复合体系中，接枝多孔纳米粒子一方面可以增加纳米粒子的苯酚吸附量，另一方面可以在不同温度下实现苯酚在纳米粒子上的吸附与解吸附，克服了现有吸附材料在水处理领域脱吸附困难的缺陷。
3. 本发明将纳米粒子与微生物复合，在室温情况下，复合体系能够从污水中吸附苯酚，而在较高温度下又能够将吸附的苯酚分子释放，通过这一个过程，可以使细菌周围的相对苯酚浓度增加，从而加快其代谢过程；通过不同温度下纳米粒子对苯酚的吸附与解吸附，增加了微生物周围的苯酚浓度，从而加快整个生物降解过程，大大提高了细菌活性，与纯微生物处理相比，处理同样苯酚的时间降为不到60%；最大限度的发挥了两种材料的协同作用，可以完全、快速的清除污水中的苯酚，取得了意想不到的效果。
4. 本发明公开、的制备方法简单，制备的微生物与纳米粒子复合体系结构稳定，能够有效地代谢掉废水中的苯酚，大大拓展了污水处理剂的应用。
附图说明
图1为实施例一中TRPHMS的透射电镜照片图；
图2为实施例一中BacteriaTRPHMS的扫描电镜照片图；
图3 实施例二中TRPHMS的吸附以及在不同温度下的解吸附情况图；
图4为实施例三中单纯细菌以及细菌与纳米粒子复合物代谢苯酚的情况图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一 用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系
(1)将聚合物引入到中空多孔二氧化硅（HMS）
2mlγ-氨丙基三乙氧基硅烷与0.8 g丁二酸酐溶解至10ml二甲亚砜中，然后将50 mg，中空多孔二氧化硅（HMS）分散至此溶液中，常温下搅拌5h，离心，沉淀真空干燥得到表面修饰的中空多孔二氧化硅HMS-COOH；得到的HMS-COOH纳米粒子分散至含有113mg N-异丙基丙烯酰胺、1mmolN,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.0mmol甲基丙烯酰胺和7mg偶氮二异丁腈的10ml二甲亚砜中，搅拌12 h，让单体与引发剂小分子进入到纳米粒子空腔内；离心除去上清液，剩下的沉淀重新分散至10 ml二甲亚砜中，氮气保护下，70℃聚合7h，离心，沉淀真空干燥得到接枝聚合物的中空多孔纳米粒子TRPHMS。
附图1为上述TRPHMS的透射电镜照片，从图中可以明显的看出聚合物已经成功引入到HMS空腔，得到的复合物粒径约为140 nm。
(2)将纳米复合物接枝到微生物细胞表面，具体步骤如下所示：
纳米复合物的活化
将上述TRPHMS分散至10ml 磷酸缓冲溶液中， 然后加入90mg1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、50 mg N-羟基琥珀酰亚胺，常温搅拌20 min，离心，沉淀为活化的中空多孔二氧化硅。
纳米复合物接枝到微生物细胞表面
取50 ml OD600=1.5 的含有恶臭假单胞菌（CICC 21906）的LB培养基，离心，将离心后的细菌重新分散至10 ml 磷酸缓冲溶液中，将上述活化的中空多孔二氧化硅纳米粒子加入到此菌液中，常温震荡1h，得到BacteriaTRPHMS，为用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系。
附图2为上述BacteriaTRPHMS的扫描电镜照片，从图中可以看出纳米复合物已经成功接枝到细菌细胞表面。
实施例二
分别将50 mg TRPHMS和HMS分散至 20 ml 500mg L-1的苯酚溶液中，不同时间内取样，测定其吸附容量。离心得到吸附到饱和的TRPHMS，然后置于不同温度清水中，测试水中苯酚浓度，从而确定苯酚从纳米粒子解吸附情况。
附图3为上述TRPHMS和HMS的吸附以及TRPHMS在不同温度下（低于以及高于纳米粒子LCST（低临界溶解温度））的解吸附情况，从图中可以明显看出，相比于HMS，引入聚合物后TRPHMS吸附速率以及吸附量都有所提高。另外，在解吸附的情况下，温度升高之后（大于LCST），相比于温度小于LCST时TRPHMS的解吸附速度更快，说明本发明的中空多孔纳米粒子能够在较高温度下释放出吸附的苯酚。
实施例三
将150 ml 恶臭假单胞菌LB培养液平均分成三份，其中两份按上述实施例接枝TRPHMS，另外一份离心备用。将两份BacteriaTRPHMS以及纯菌液Bacteria分别加入到100 ml 500 mg L-1的苯酚溶液，配成三份样品；纯菌液以及一份BacteriaTRPHMS样品置于室温下；另一份BacteriaTRPHMS样品在室温以及37℃水浴中交替放置；分别取样，测试不同时间苯酚的浓度。交替水浴处理的步骤为1h室温以及20 min 37℃水浴
附图4为不同时间不同样品中苯酚浓度的变化情况。从图中可以看出，相较于单纯的细菌，复合体系降解苯酚的速度更快，这是因为纳米粒子吸附的原因。另外，在不同温度下交替放置的样品降解苯酚的速度最快，处理时间不到纯细菌的60%；除了纳米粒子吸附的原因之外，其在不同温度下的吸附与解吸附过程大大增加了细菌周围的苯酚浓度，从而加快了降解过程。
实施例四 用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系
2mlγ-氨丙基三乙氧基硅烷与0.8 g丁二酸酐溶解至10ml二甲基甲酰胺中，然后将50 mg，中空多孔四氧化三铁（Fe3O4）分散至此溶液中，常温下搅拌7h，离心，沉淀真空干燥得到表面修饰的中空多孔四氧化三铁Fe3O4-COOH；得到的Fe3O4-COOH纳米粒子分散至含有100mg N-异丙基丙烯酰胺、1mmolN,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.0mmol甲基丙烯酸和7mg过氧化苯甲酰的10ml二甲亚砜中，搅拌18 h，让单体与引发剂小分子进入到纳米粒子空腔内；离心除去上清液，剩下的沉淀重新分散至10 ml二甲亚砜中，氮气保护下，80℃聚合8h，离心，沉淀真空干燥得到接枝聚合物的中空多孔纳米粒子TRP Fe3O4。
将上述TRP Fe3O4分散至10ml 磷酸缓冲溶液中， 然后加入90mg1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、50 mg N-羟基琥珀酰亚胺，常温搅拌15 min，离心，沉淀为活化的中空多孔四氧化三铁。
取50 ml OD600=1.5 的含有脱氮副球菌（ATC 19367）的LB培养基，离心，将离心后的细菌重新分散至10 ml 磷酸缓冲溶液中，将上述活化的中空多孔四氧化三铁纳米粒子加入到此菌液中，常温震荡3h，得到BacteriaTRP Fe3O4，为用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系。
将150 ml 脱氮副球菌LB培养液平均分成三份，其中两份接枝TRP Fe3O4，另外一份离心备用。将两份BacteriaTRP Fe3O4以及纯菌液Bacteria分别加入到100 ml 500 mg L-1的苯酚溶液，配成三份样品；纯菌液以及一份BacteriaTRP Fe3O4样品置于室温下；另一份BacteriaTRP Fe3O4样品在室温以及37℃水浴中交替放置；分别取样，测试不同时间苯酚的浓度。交替水浴处理的步骤为1h室温以及20 min 37℃水浴。
表1为苯酚浓度降解至0左右消耗的时间。从中可以看出，相较于单纯的细菌，复合体系降解苯酚的速度更快，这是因为纳米粒子吸附的原因。另外，在不同温度下交替放置的样品降解苯酚的速度最快，处理时间不到纯细菌的60%；除了纳米粒子吸附的原因之外，其在不同温度下的吸附与解吸附过程大大增加了细菌周围的苯酚浓度，从而加快了降解过程。
表1 苯酚浓度降解至0左右消耗的时间 /小时
                                                

Claims (10)

1. 一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将中空多孔纳米粒子加入含有硅烷与酸酐的有机溶剂A中，搅拌，得到表面修饰的中空多孔纳米粒子；
所述有机溶剂A为二甲基甲酰胺或者二甲亚砜；所述硅烷、酸酐、中空多孔纳米粒子的质量比例为2∶1∶0.1；
（2）将表面修饰的中空多孔纳米粒子加入含有N-异丙基丙烯酰胺、功能单体、交联剂与引发剂的有机溶剂B中，搅拌；然后离心处理、除去上清，将得到的沉淀再分散至有机溶剂B中，氮气气氛下，于60～90℃反应7～9h，离心，沉淀真空干燥得到接枝聚合物的中空多孔纳米粒子；
所述有机溶剂B为二甲基甲酰胺或二甲亚砜；所述功能单体为丙烯酰胺或者甲基丙烯酸；所述交联剂为二乙烯基苯或者N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰；所述N-异丙基丙烯酰胺、功能单体、交联剂、引发剂、表面修饰的中空多孔纳米粒子的质量比例为1∶1∶0.01∶1；
（3）将接枝聚合物的中空多孔纳米粒子分散至磷酸缓冲溶液中，然后加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、 N-羟基琥珀酰亚胺，搅拌后离心处理，沉淀为活化的中空多孔纳米粒子；所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、 N-羟基琥珀酰亚胺、接枝聚合物的中空多孔纳米粒子的质量比例为2∶1∶1；
（4）将细菌分散至磷酸缓冲溶液中；然后加入活化的中空多孔纳米粒子，震荡得到用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系；所述细菌为恶臭假单胞菌或脱氮副球菌。
2. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：所述中空多孔纳米粒子为中空多孔四氧化三铁或中空多孔二氧化硅；所述中空多孔纳米粒子的粒径为50～500 nm。
3. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述有机溶剂A为二甲亚砜；所述硅烷为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；所述酸酐为丁二酸酐。
4. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，搅拌5～7小时后经过离心处理，沉淀干燥后得到表面修饰的中空多孔纳米粒子。
5. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述有机溶剂B为二甲亚砜；所述功能单体为甲基丙烯酰胺；所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈。
6. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，搅拌12～24小时。
7. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，搅拌10～20分钟。
8. 根据权利要求1所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，震荡1～3 h。
9. 根据权利要求1～8所述任意一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法制备得到的用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系。
10. 权利要求9所述用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系在制备污水处理剂中的应用。
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