CN104694419A - 一种高效铅离子生物吸附剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效铅离子生物吸附剂及其制备方法与应用。所述生物吸附剂含有菌株耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans），来源于美国模式菌种保藏中心（ATCC），编号为ATCC13939，待处理的含Pb²⁺溶液pH为2.0-4.0，加入所述生物吸附剂后的耐辐射奇球菌终浓度为0.02-0.04g/ml。待处理的含Pb²⁺溶液pH调至2.0-4.0，然后加入所述的吸附剂，吸附剂的终浓度为0.02-0.04g/ml，搅拌反应，反应时间3min或以上，即达到清除水体中Pb²⁺的效果，通过过滤、离心或者自然沉淀将菌体从溶液中分离。所述的水体为放射性或50摄氏度以上水体。

Description

一种高效铅离子生物吸附剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于环境污染治理领域，涉及了一种利用细菌的生物吸附剂及其高效快速的清除溶液中铅离子的方法。

背景技术

由于现代工业的发展和人类的活动，全球范围内重金属的污染变得日益严重，我国也频现重金属污染事件，如血铅中毒和镉大米等污染事件。这些事件给我们敲响了警钟，重金属在环境中的积累对人体健康造成了严重的威胁。

重金属污染的治理方法现在主要有物理方法、化学方法和生物方法。其中物理方法和化学方法因其操作简便、材料易得而成为研究和应用的主要方法。而近来利用生物吸附剂如细菌、真菌、海藻和植物来处理重金属污染也开始崭露头角。生物方法具有高效、经济、环保等优点。细菌作为生物吸附剂的重要来源，因其繁殖速度快，吸附剂易得，吸附效率高、能耗低，遗传改造方便而被认为具有很大的应用潜力。因此，利用细菌处理环境中重金属污染也成为当下研究的热点。

微生物能通过细胞表面吸附、生物沉淀、氧化还原及细胞积累等方式与重金属相互作用，从而将其从溶液中富集到菌体，达到清除重金属的效果。大量的研究证明很多微生物都可以吸附重金属，被作为生物吸附剂。如利用耐铅放线菌处理1 mM的铅溶液，吸附率可达94.5%，处理4 mM的溶液时吸附率为26.0%；另外，利用白腐真菌修复土壤中的铅污染，当每亩施入量为1.5吨时，可将土壤中的铅含量从1000mg/kg降至428mg/kg。但是，在极端环境条件下（如高氧化环境），大部分细菌都不能很好的存活下来，所以难以作为生物吸附剂来处理极端条件下的重金属污染。耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）作为一种极端微生物，能够耐受多种极端环境如电离辐射、氧化压力、干燥和UV等。耐辐射球菌可降解废水中的孔雀石绿，效率高达95%以上。但目前尚无在重金属污染处理领域的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是要克服现有的难题，提供一种高效铅离子生物吸附剂及其制备方法与应用。

一种高效铅离子生物吸附剂，所述生物吸附剂含有菌株耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans），来源于美国模式菌种保藏中心（ATCC），编号为ATCC13939，待处理的含Pb²⁺溶液pH为2.0-4.0，加入所述生物吸附剂后的耐辐射奇球菌终浓度为0.02-0.04g/ml。

所述的耐辐射奇球菌为干燥粉末状态或者液体培养状态。

所述的耐辐射奇球菌可进一步经过基因工程改造。

，

（1）菌种的活化与培养：

将耐辐射奇球菌划线接种于TGY固体培养基上，培养基组成为蛋白胨5g/L，酵母提取物3 g/L，葡萄糖1 g/L，15 g/L琼脂，30±2 ℃培养40~45小时，挑取单菌落接种于三角瓶中摇瓶培养至对数生长期早期，然后按1%的接种比例转接至大瓶的培养基中，在30±2℃，180-220rpm的条件下培养18-30h；

（2）收集菌体，将细胞培养至稳定期后，离心收集菌体，离心力为7000-8000g，离心时间为10min，收集得到新鲜菌体。

（3）洗涤菌体，用pH为7.0的磷酸缓冲液将菌体重新悬浮，充分震荡，再离心收集菌体，离心力为7000-8000g，离心时间为10min。

进一步，所述步骤（3）收集的菌体进行真空冷冻干燥。

所述的真空冷冻干燥具体如下，将收集的菌体置于-20℃条件下12小时，然后置于-80℃12小时，将冰冻的菌体置于冷冻干燥机中，温度为-50℃至-55℃，干燥24-36h。

一种应用所述生物吸附剂吸附或回收铅离子的方法，步骤如下：

将待处理的含Pb²⁺溶液pH调至2.0-4.0，然后加入所述的吸附剂，吸附剂的终浓度为0.02-0.04g/ml, 搅拌反应，反应时间3min或以上，即达到清除水体中Pb²⁺的效果，通过过滤、离心或者自然沉淀将菌体从溶液中分离。

所述的水体为放射性水体或50摄氏度以上水体。

本发明的有益效果：

高效快速、绿色环保、廉价易得等特点，另外适用于辐射或具有50摄氏度以上等极端环境。

附图说明  

图1是本发明所制备的Pb²⁺生物吸附剂的吸附动力学实验结果的示意图；

图2是本发明所制备的Pb²⁺生物吸附剂的吸附特性实验结果的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明做进一步的说明，这些实施例应被理解为仅是举例说明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：一种耐辐射球菌来源的Pb²⁺生物吸附剂的制备方法, 步骤如下：

    a.细菌培养，将配制好的TGY培养基（将5g蛋白胨、3g酵母粉和1g葡萄糖溶于1 L水中）置于高压灭菌锅中灭菌，灭菌条件为121℃，灭菌时间为20min。从平板上挑取耐辐射奇球菌单菌落于5ml灭菌的TGY培养基中在摇床过夜培养，培养条件为30℃，摇床转速为200rpm。然后按1%的接种比例转接至大瓶的培养基中，在30℃，200rpm的条件下培养24h。

b. 收集菌体，将细胞培养至稳定期后，离心收集菌体，离心力为8000g，离心时间为10min，收集得到新鲜菌体。

c. 洗涤菌体，用PH为7.0的磷酸缓冲液将菌体重新悬浮，充分震荡，再离心收集菌体，离心力为8000g，离心时间为10min。

d. 真空冷冻干燥，将收集的菌体置于-20℃12小时，然后置于-80℃12小时，然后将冰冻的菌体置于冷冻干燥机中，温度为-55℃，干燥28h。

e. 将菌体从冷冻干燥机中取出，得到耐辐射奇球菌干粉，即为Pb²⁺吸附剂。

实施例2：一种耐辐射球菌来源的Pb²⁺生物吸附剂的制备方法,步骤如下：

a. 细菌培养，将配制好的TGY培养基（将5g蛋白胨、3g酵母粉和1g葡萄糖溶于1 L水中）置于高压灭菌锅中灭菌，灭菌条件为121℃，灭菌时间为20min。从平板上挑取耐辐射奇球菌单菌落于5ml灭菌的TGY培养基中在摇床过夜培养，培养条件为30℃，摇床转速为220rpm。然后按1%的接种比例转接至大瓶的培养基中，在30℃，220rpm的条件下培养20h。

b. 收集菌体，将细胞培养至稳定期后，离心收集菌体，离心力为8000g，离心时间为10min，收集得到新鲜菌体。

c. 洗涤菌体，用PH为7.0的磷酸缓冲液将菌体重新悬浮，充分震荡，再离心收集菌体，离心力为8000g，离心时间为10min。

d. 真空冷冻干燥，将收集的菌体置于-20℃12小时，然后置于-80℃12小时，然后将冰冻的菌体置于冷冻干燥机中，温度为-53℃，干燥30h。

e. 将菌体从冷冻干燥机中取出，得到耐辐射奇球菌干粉，即为Pb²⁺吸附剂。

实施例3：一种耐辐射球菌来源的Pb²⁺生物吸附剂的制备方法,步骤如下：

a. 细菌培养，将配制好的TGY培养基（将5g蛋白胨、3g酵母粉和1g葡萄糖溶于1 L水中）置于高压灭菌锅中灭菌，灭菌条件为121℃，灭菌时间为20min。从平板上挑取耐辐射奇球菌单菌落于5ml灭菌的TGY培养基中在摇床过夜培养，培养条件为30℃，摇床转速为200rpm。然后按1%的接种比例转接至大瓶的培养基中，在30℃，180rpm的条件下培养28h。

b. 收集菌体，将细胞培养至稳定期后，离心收集菌体，离心力为8000g，离心时间为10min，收集得到新鲜菌体。

c. 洗涤菌体，用PH为7.0的磷酸缓冲液将菌体重新悬浮，充分震荡，再离心收集菌体，离心力为8000g，离心时间为10min。

d. 真空冷冻干燥，将收集的菌体置于-20℃12小时，然后置于-80℃12小时，然后将冰冻的菌体置于冷冻干燥机中，温度为-50℃，干燥30h。

e. 将菌体从冷冻干燥机中取出，得到耐辐射奇球菌干粉，即为Pb²⁺吸附剂。

利用本发明所述的方法制备的Pb²⁺吸附剂的使用方法，是将含Pb²⁺溶液的PH调至2.0-4.0左右，然后加入该吸附剂，加入吸附剂的浓度为0.02-0.04g/ml,搅拌反应，反应时间3min以上，然后通过过滤、离心或者自然沉淀将菌体从溶液中分离，即达到清除水体中Pb²⁺的效果。

如附图1所示的吸附动力学实验方法，是称取0.2±0.02g吸附剂于50ml的离心管中，然后加入10mM的Pb²⁺溶液10ml（PH4.0左右），然后在30℃，200rpm的条件下分别反应1, 3, 5, 10, 30min后，8000g离心10min去除菌体，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测量上清液中的铅浓度，按照如下公式计算Pb²⁺清除率：

清除率（%）=（C₀-C _e ）/C₀*100

其中，C₀为初始Pb²⁺浓度，C _e 为吸附剂处理后上清液中Pb²⁺浓度；

      从附图1中结果得出， 3min以后反应基本达到平衡状态，清除率达到了99%以上，说明该Pb²⁺吸附剂的清除速度快，清除效率高。

附图2说明了不同的条件如pH、温度、吸附剂浓度和Pb²⁺浓度对吸附剂清除效率的影响。

pH对清除效率的影响：用HCl将10mM的Pb²⁺溶液的PH调节至1, 2， 3， 4，然后称取0.2±0.02g吸附剂于50ml的离心管中，分别加入不同PH的Pb²⁺溶液10ml，在30℃，200rpm的条件下反应30min后，8000g离心10min去除菌体，用ICP-OES测量上清液中的铅含量，计算清除率。

温度对清除效率的影响：将10mM的Pb²⁺溶液分装于不同的瓶子中，分别置于1, 20， 30， 40， 60℃预热，然后称取0.2±0.02g吸附剂于50ml的离心管中，分别加入10ml上述预热的Pb²⁺溶液，在相应的温度下反应30min后，8000g离心10min去除菌体，用ICP-OES测量上清液中的铅含量，计算清除率。

吸附剂浓度对清除效率的影响：分别称取0.01±0.001g，0.05±0.005g，0.1±0.01g，0.2±0.01g，0.3±0.01g，0.4±0.01g吸附剂于50ml的离心管中，分别加入PH=4的Pb²⁺溶液10ml，在30℃，200rpm的条件下反应30min后，8000g离心10min去除菌体，用ICP-OES测量上清液中的铅含量，计算清除率。

Pb²⁺浓度对清除效率的影响：配制20mM的Pb²⁺溶液，然后稀释得到10mM, 8mM, 6mM, 4mM, 2 mM, 1 mM, 0.5 mM的稀释液待用。称取0.2g吸附剂至50ml离心管中，分别加入上述不同浓度的Pb²⁺溶液，在30℃，200rpm的条件下反应30min后，8000g离心10min去除菌体，用ICP-OES测量上清液中的铅含量，计算清除率。

通过附图2的结果可以得到，本发明所述的Pb²⁺吸附剂在PH4左右清除能力较高，而温度对该吸附剂的影响不大，这也有利于该吸附剂的自然或特殊人工环境下的应用。另外在吸附剂浓度达到0.02g/ml时，清除效率接近平衡，对于2-10mM范围内的Pb²⁺溶液的清除率能达到99%以上。

通过以上实验说明，通过本发明制备的耐辐射奇球菌来源的Pb²⁺吸附剂能过快速、高效的清除溶液中的Pb²⁺，具有很高的应用价值。

Claims (8)

1.一种高效铅离子生物吸附剂，其特征是，所述生物吸附剂含有菌株耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans），来源于美国模式菌种保藏中心（ATCC），编号为ATCC13939，待处理的含Pb²⁺溶液pH为2.0-4.0，加入所述生物吸附剂后的耐辐射奇球菌终浓度为0.02-0.04g/ml。

2.根据权利要求1所述的高效铅离子生物吸附剂，其特征是，所述的耐辐射奇球菌为干燥粉末状态或者液体培养状态。

3.根据权利要求1所述的高效铅离子生物吸附剂，其特征是，所述的耐辐射奇球菌可进一步经过基因工程改造。

4.一种如权利要求1所述的高效铅离子生物吸附剂的制备方法，其特征是，

（1）菌种的活化与培养：

将耐辐射奇球菌划线接种于TGY固体培养基上，培养基组成为蛋白胨5g/L，酵母提取物3 g/L，葡萄糖1 g/L，15 g/L琼脂，30±2 ℃培养40~45小时，挑取单菌落接种于三角瓶中摇瓶培养至对数生长期早期，然后按1%的接种比例转接至大瓶的培养基中，在30±2℃，180-220rpm的条件下培养18-30h；

（2）收集菌体，将细胞培养至稳定期后，离心收集菌体，离心力为7000-8000g，离心时间为10min，收集得到新鲜菌体；

（3）洗涤菌体，用pH为7.0的磷酸缓冲液将菌体重新悬浮，充分震荡，再离心收集菌体，离心力为7000-8000g，离心时间为10min。

5.如权利要求4所述的高效铅离子生物吸附剂的制备方法，其特征是，进一步，所述步骤（3）收集的菌体进行真空冷冻干燥。

6.如权利要求5所述的高效铅离子生物吸附剂的制备方法，其特征是，

    所述的真空冷冻干燥具体如下，将收集的菌体置于-20℃条件下12小时，然后置于-80℃12小时，将冰冻的菌体置于冷冻干燥机中，温度为-50℃至-55℃，干燥24-36h。

7.一种应用如权利要求1-3中任何一项所述生物吸附剂吸附或回收铅离子的方法，其特征是，步骤如下：

将待处理的含Pb²⁺溶液pH调至2.0-4.0，然后加入所述的吸附剂，吸附剂的终浓度为0.02-0.04g/ml, 搅拌反应，反应时间3min或以上，即达到清除水体中Pb²⁺的效果，通过过滤、离心或者自然沉淀将菌体从溶液中分离。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是，所述的水体为放射性或50摄氏度以上水体。