CN104697989B - 含Fe3+的复合黏土的制备及其变色法检测水体生物毒性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合黏土的制备，在Fe³⁺盐的乙醇溶液中，加入含氨基的硅烷偶联剂，形成层状的黏土，将此黏土与铁氰化钾混合，制备出同时固定Fe³⁺和铁氰化钾的复合黏土，方法简单且具有优良的生物兼容性。本发明还公开了一种变色法检测水体生物毒性的方法：制备的复合黏土可以被微生物的呼吸作用还原，发生变色反应。当水体中存在毒性物质的时候，会抑制微生物的呼吸作用，进而影响到变色反应。基于此复合黏土，实现了一种新颖的变色法监测水体生物毒性的方法，变色信号肉眼可见，操作简单，成本低廉。而且复合黏土同时固定了Fe³⁺和铁氰化钾，避免了这两种物质分散于溶液中造成的材料的浪费及二次污染，简化了操作步骤。

Description

含Fe3+的复合黏土的制备及其变色法检测水体生物毒性的 方法

技术领域

本发明涉及水体生物毒性检测技术领域，特别是涉及一种复合黏土的制备及变色法检测水体生物毒性的方法和应用。

背景技术

随着近代工业的发展，日益增多的环境污染给水生态系统造成了很大的冲击，对其进行毒性检测已经成为评价水环境质量的重要环节。目前，用于污染物毒性测试的方法主要有理化方法和生物学方法。传统理化方法可以精确定量分析某一种或某一类污染物的种类和含量；但这些方法不能直接、全面地反映有毒物质对环境的综合影响。生物学方法是通过检测毒性物质对生物生理行为的改变，进而反映水体毒性大小，其能较全面地反映废水中复合污染物的联合毒性作用，并能充分了解各种环境因子(如pH值、温度、溶解度等)对污染物毒性效应的具体影响，有很大的优势。因此，在水污染研究中，作为常规理化方法的有效补充，使用生物学方法进行生物毒性检测已经成为监测和评价水体环境质量的重要手段之一。

微生物实验本身具有实验周期短、对环境变化灵敏、成本低廉等特点，其特别适合用来进行生物毒性检测。目前应用最广泛的微生物实验是，作为国标方法的发光细菌法检测生物毒性，通过检测有毒物质对发光细菌发光强度的抑制效果来反应水体毒性大小，该方法较成熟，市场上也有一系列的相关仪器问世；但其检测易于被水体本身的浊度影响，并且仪器成本较高。此外，还有通过微生物生化需氧量来判断污染的程度；但生物需氧量通常需要将水样充满完全密闭的溶解氧瓶中，在20℃的暗处培养5天，这样会使得生物毒性的检测滞后，人们不能及时对疑似毒性水体进行控制。

而变色传感器，由于其本身的响应信号肉眼可见，所需检测仪器简单，检测成本低廉，被广泛应用在检测领域。但在生物毒性检测领域，变色传感器的应用还比较少。氨基黏土具有较好的水溶性，优良的生物兼容性，能紧密包覆生物分子等特点。本文合成了一种新颖的复合黏土，并将其应用在生物毒性检测体系。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题提供一种含有Fe³⁺的黏土。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供了一种复合黏土，这种新颖的复合黏土可同时固定Fe³⁺和铁氰化钾，制备方法简单，且具有优良的生物兼容性。

本发明所要解决的第三个技术问题是一种变色法检测水体生物毒性的方法

为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种含有Fe³⁺的黏土，该黏土由下述方法制得：将Fe³⁺盐溶于无水乙醇中；再向Fe³⁺盐的乙醇溶液中逐滴加入氨基硅烷偶联剂，在20～80℃下搅拌乙醇溶液4～40h；将搅拌后的乙醇溶液进行离心得到沉淀，将沉淀清洗2～3次后干燥，得到含有Fe³⁺的黏土。

优选地，所述含Fe³⁺盐选自氯化铁、硫酸铁或硝酸铁；所述Fe³⁺盐溶于乙醇后摩尔浓度为0.01～1.0mol/L.

优选地，所述氨基硅烷偶联剂选自氨丙基三甲氧基硅烷（APTMOS）、氨丙基三乙氧基硅烷（APTEOS）或N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷；所述氨基硅烷偶联剂在乙醇溶液中的摩尔浓度为0.01～1.0mol/L；优选的，所述氨基硅烷偶联剂为氨丙基三甲氧基硅烷（APTMOS）。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种复合粘土，该复合黏土由下述方法制得：将制得的含Fe³⁺的黏土分散在水中得到含 Fe³⁺的黏土分散液；再向含Fe³⁺的黏土分散液中逐滴加入铁氰化钾溶液；得到混合溶液，将所得混合溶液放在暗室静置6～60h；然后将混合溶液进行离心得到沉淀，浆沉淀清洗2～3次干燥，得到复合黏土。

优选地，所述含Fe³⁺的黏土分散液的质量浓度为：0.001g/ml～0.1g/ml；所述混合溶液中铁氰化钾的摩尔分数为0.1～0.001mol/L。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供用含Fe³⁺的复合黏土变色法检测水体生物毒性的方法，该方法包括如下步骤：

（1）取复合黏土，分散于水溶液中，得到复合黏土分散液；

（2）培养微生物菌液；

（3）取步骤（1）中制得的复合黏土分散液，步骤(2)培养的微生物菌液和营养物质水溶液混合，向混合溶液中加入待检测物质，在37℃下进行培养，观测结果。

优选地，步骤(1)所述复合黏土分散液指复合黏土分散于水中后，得到的质量浓度为0.001g/ml～0.1g/ml的分散液

优选地，步骤(2)所述微生物菌液选自大肠杆菌菌液、酵母菌菌液或大肠杆菌和酵母菌的混合菌液；所述混合菌液中大肠杆菌和酵母菌菌液按体积比例为1:4～4:1混合。

优选地，步骤(3)所述复合黏土分散液与微生物菌液按体积比为1:3～3:1混合；

优选地，步骤(3)所述营养物质选自葡萄糖，果糖或半乳糖，所述营养物质水溶液浓度为0.01～0.1mol/L。

本发明制备的含有Fe³⁺的黏土中Fe³⁺是通过共价键固定在黏土中；制备的复合黏土，同时含有Fe³⁺和铁氰化钾，其中铁氰化钾是通过静电力固定在黏土中，从而本发明制备的复合黏土实现了Fe³⁺和铁氰化钾的同时固定；本发明利用所制备的复合黏土与微生物之间的作用及由其引起的变色反应来 检测水体毒性。其原理是微生物可以通过呼吸作用把黏土中的铁氰化钾还原成亚铁氰化钾，还原的亚铁氰化钾和黏土中的Fe³⁺发生反应，进而产生变色反应。当水体中存在毒性物质的时候，会抑制微生物的呼吸作用，进而影响到变色反应。

本发明的有益效果是：

1.本发明合成了一种新颖的复合黏土，这种黏土同时固定了Fe³⁺和铁氰化钾，制备方法简单，其本身具有优良的生物兼容性。

2.本发明的复合黏土可以被微生物还原，从而产生变色反应。基于此反应，实现了一种新颖的变色法监测水体生物毒性的方法，变色信号肉眼可见，操作简单，成本低廉。

3.本发明提供了一种变色法检测水体生物毒性的方法，即把复合黏土应用于生物毒性检测领域，复合黏土同时固定了Fe³⁺和铁氰化钾，避免了这两种物质分散于溶液中造成的材料的浪费及二次污染，同时简化了操作步骤。

附图说明

图1a是实施例1复合黏土与微生物菌液反应0min的反应图；

图1b是实施例1复合黏土与微生物菌液反应120min后的反应图；

图2a是实施例2毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应0min的反应图；

图2b是实施例2毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应120min后的反应图；

图3a是实施例3毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应0min的反应图；

图3b是实施例3毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应120min后的反应图；

图4a是实施例4毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应0min的 反应图；

图4b是实施例4毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应120min后的反应图；

图5a是实施例5毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应0min的反应图；

图5b是实施例5毒性物质存在时，复合黏土与微生物菌液反应120min后的反应图；

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

1.含Fe³⁺黏土的制备:

将FeCl₃溶于无水乙醇中，溶液中Fe³⁺的摩尔浓度为0.04mol/L。然后逐滴加入氨丙基三甲氧基硅烷（APTMOS），加入溶液后的摩尔浓度为0.02mol/L。在30℃下搅拌4小时以上。对溶液进行离心得到沉淀，然后清洗2～3次后，进行干燥。

2.复合黏土的制备：

取制备的Fe³⁺的黏土，分散在水中，浓度为0.001g/ml，然后逐滴加入铁氰化钾溶液，加入后浓度为0.001mol/L。得到的混合液放在暗室静置6小时。然后对溶液进行离心得到沉淀，清洗2～3次，进行干燥。

3.复合黏土与微生物的反应：

(1)复合黏土，分散于水中后的质量浓度为：0.001g/ml

(2)微生物菌液：以大肠杆菌（E.coli）为受试微生物，接种于液体培养基中。大肠杆菌液体培养基成分（质量分数）：0.3%牛肉膏，1%蛋白胨，0.5%氯化钠。培养16小时，离心清洗得到湿菌体，分散在磷酸盐缓冲液中，保 存在4℃下；

(3)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，然后加入葡萄糖溶液作为营养物质，葡萄糖溶液的浓度为0.01mol/L，作为样品1，放在37℃下进行培养。

(4)作为对比实验，取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，加入与(3)中葡萄糖溶液等量的去离子水，作为样品2，放在37℃下进行培养。由图1a可知反应前，样品1和样品2都为土黄色；图1b中样品1为培养120min后，颜色变成深绿色；图1b样品2为加入去离子水但没加入营养物质培养120min后，颜色没有发生变化。这表明微生物通过呼吸还原作用，可以使复合黏土发生变色反应。

实施例2：

1.含Fe³⁺黏土的制备:

将FeCl₃溶于无水乙醇中，溶液中Fe³⁺的摩尔浓度为0.04mol/L。然后逐滴加入氨丙基三甲氧基硅烷（APTMOS），加入溶液后的摩尔浓度为0.02mol/L。在30℃下搅拌4小时以上。对溶液进行离心得到沉淀，然后清洗2～3次后，进行干燥。

2.复合黏土的制备：

取制备的Fe³⁺的黏土，分散在水中，浓度为0.001g/ml，然后逐滴加入铁氰化钾溶液，加入后浓度为0.001mol/L。得到的混合液放在暗室静置6小时。然后对溶液进行离心得到沉淀，清洗2～3次，进行干燥。

3.复合黏土与微生物的反应：

(1)复合黏土，分散于水中后的质量浓度为：0.001g/ml

(2)微生物菌液：以大肠杆菌（E.coli）为受试微生物，接种于液体培养基中。大肠杆菌液体培养基成分（质量分数）：0.3%牛肉膏，1%蛋白胨，0.5% 氯化钠。培养16小时，离心清洗得到湿菌体，分散在磷酸盐缓冲液中，保存在4℃下；

(3)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，然后加入葡萄糖，加入后其溶液浓度为0.01mol/L。然后加入Hg²⁺，加入后浓度为40μg/ml。放在37℃下进行培养。

由图2b可知加入毒物培养120min后，混合溶液与图2a相比并没有变色，与图1b样品1对比可知，毒性物质存在的时候会抑制微生物的呼吸作用，进而阻碍了复合黏土发生变色反应。

实施例3：

1.含Fe³⁺黏土的制备:

将Fe(NO₃)₃溶于无水乙醇中，溶液中Fe³⁺的摩尔浓度为0.1mol/L。然后逐滴加入氨丙基三乙氧基硅烷（APTEOS），加入溶液后的摩尔浓度为0.02mol/L。在30℃下搅拌4小时以上。对溶液进行离心得到沉淀，然后清洗2～3次后，进行干燥。

2.复合黏土的制备：

取制备的Fe³⁺的黏土，分散在水中，浓度为0.001g/ml，然后逐滴加入铁氰化钾溶液，加入后浓度为0.001mol/L。得到的混合液放在暗室静置6小时。然后对溶液进行离心得到沉淀，清洗2～3次，进行干燥。

3.复合黏土与微生物的反应：

(1)复合黏土，分散于水中后的质量浓度为：0.001g/ml

(2)微生物菌液：以酵母菌为受试微生物，接种酿酒酵母（S.cerevisiae）于液体培养基中，液体培养基成分为（质量浓度）：1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖，生长24h，离心清洗得到湿菌体，分散在磷酸盐缓冲液中，保存在4℃下。

(3)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，加入葡萄 糖溶液作为营养物质,葡萄糖溶液的浓度为0.05mol/L，作为样品1，放在37℃下进行培养。

(4)作为对比试验，取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，加入葡萄糖溶液作为营养物质,葡萄糖溶液的浓度为0.05mol/L，然后加入3,5-二氯苯酚（DCP），加入后浓度为70μg/ml，作为样品2，放在37℃下进行培养。

由图3a可知反应前复合黏土与微生物溶液混合，样品1和样品2颜色都为土黄色；当培养120min后，图3b中样品1颜色变成绿色，而图3b中样品2的颜色没有发生变化。这表明微生物通过呼吸还原作用，可以使复合黏土发生变色反应；而当存在3,5-二氯苯酚（DCP）的时候，由于DCP的毒性作用，微生物的呼吸作用会被抑制，进而阻碍了变色反应。

实施例4：

1.含Fe³⁺黏土的制备:

将Fe(NO₃)₃溶于无水乙醇中，溶液中Fe³⁺的摩尔浓度为0.1mol/L。然后逐滴加入氨丙基三乙氧基硅烷（APTEOS），加入溶液后的摩尔浓度为0.02mol/L。在30℃下搅拌4小时以上。对溶液进行离心得到沉淀，然后清洗2～3次后，进行干燥。

2.复合黏土的制备：

取制备的Fe³⁺的黏土，分散在水中，浓度为0.001g/ml，然后逐滴加入铁氰化钾溶液，加入后浓度为0.001mol/L。得到的混合液放在暗室静置6小时。然后对溶液进行离心得到沉淀，清洗2～3次，进行干燥。

3.复合黏土与微生物的反应：

(1)复合黏土，分散于水中后的质量浓度为：0.001g/ml

(2)微生物菌液：以大肠杆菌（E.coli）为受试微生物，接种于液体培养基中。大肠杆菌液体培养基成分（质量分数）：0.3%牛肉膏，1%蛋白胨，0.5% 氯化钠。培养16小时，离心清洗得到湿菌体，分散在磷酸盐缓冲液中，保存在4℃下；

(3)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，然后加入葡萄糖，加入后其溶液浓度为0.01mol/L，作为样品1,放在37℃下进行培养。

(4)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:1的比例混合均匀，然后加入葡萄糖，加入后其溶液浓度为0.01mol/L，然后加入Cd²⁺，加入后浓度为60μg/ml,作为样品2，放在37℃下进行培养。

由图4a中可知反应前复合黏土与微生物溶液混合，样品1和样品2颜色都为土黄色；当培养120min后图4b中样品1的颜色变成绿色，而图4b中样品2的颜色没有发生变化。这表明微生物通过呼吸还原作用，可以使复合黏土发生变色反应；而当Cd²⁺存在的时候，由于Cd²⁺的毒性作用，微生物的呼吸作用会被抑制，进而阻碍了变色反应。

实施例5

1.一种含Fe³⁺黏土的制备:

将Fe₂(SO₄)₃溶于无水乙醇中，溶液中Fe³⁺的摩尔浓度为0.01mol/L。然后逐滴加入氨丙基三乙氧基硅烷（APTEOS），加入溶液后的摩尔浓度为0.02mol/L。在30℃下搅拌4小时以上。对溶液进行离心得到沉淀，然后清洗2～3次后，进行干燥。

2.复合黏土的制备：

取制备的Fe³⁺的黏土，分散在水中，浓度为0.001g/ml，然后逐滴加入铁氰化钾溶液，加入后浓度为0.001mol/L。得到的混合液放在暗室静置6小时。然后对溶液进行离心得到沉淀，清洗2～3次，进行干燥。

3.复合黏土与微生物的反应：

(1)复合黏土，分散于水中后的质量浓度为：0.001g/ml

(2)微生物菌液：接种大肠杆菌（E.coli）于液体培养基中。大肠杆菌液 体培养基成分（质量分数）：0.3%牛肉膏，1%蛋白胨，0.5%氯化钠。培养16小时，离心清洗得到湿菌体，分散在磷酸盐缓冲液中，保存在4℃下；

接种酿酒酵母（S.cerevisiae）于液体培养基中，液体培养基成分为（质量浓度）：1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖，生长24h，离心清洗得到湿菌体，分散在磷酸盐缓冲液中，保存在4℃下。

以大肠杆菌（E.coli）和酿酒酵母（S.cerevisiae）的混合菌株作为受试微生物，分别取大肠杆菌和酿酒酵母菌液，按照体积比3:1混合后，保存在4℃下。

(3)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:3的比例混合均匀，加入葡萄糖溶液作为营养物质，葡萄糖溶液的浓度为0.01mol/L，作为样品2，放在37℃下进行培养。

(4)取微生物菌液与黏土溶液，以体积比1:3的比例混合均匀，加入葡萄糖溶液作为营养物质，葡萄糖溶液的浓度为0.01mol/L，然后加入乙酰甲胺磷，加入后浓度为80μg/ml，作为样品3,放在37℃下进行培养。

由图5a可知反应前复合黏土与微生物溶液混合，样品2和样品3颜色都为土黄色；当培养120min后，图5b中样品2颜色变成绿色，而图5b中样品3颜色没有变化。这表明微生物通过呼吸还原作用，可以使复合黏土发生变色反应；而当乙酰甲胺磷存在的时候，样品3由于毒性物质的毒性作用，微生物的呼吸作用会被抑制，进而阻碍了变色作用。

Claims (11)

1.一种含有Fe³⁺的黏土，其特征在于，由下述方法制得：将Fe³⁺盐溶于无水乙醇中；再向Fe³⁺盐的乙醇溶液中逐滴加入氨基硅烷偶联剂，在20～80℃下搅拌乙醇溶液4～40h；将搅拌后的乙醇溶液进行离心得到沉淀，将沉淀清洗2～3次后干燥，得到含有Fe³⁺的黏土。

2.根据权利要求1所述的含有Fe³⁺的黏土，其特征在于：所述Fe³⁺盐选自氯化铁、硫酸铁或硝酸铁；所述Fe³⁺盐溶于乙醇后摩尔浓度为0.01～1.0mol/L。

3.根据权利要求1所述的含有Fe³⁺的黏土，其特征在于：所述氨基硅烷偶联剂选自氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷或N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷；所述氨基硅烷偶联剂在乙醇溶液中的摩尔浓度为0.01～1.0mol/L。

4.根据权利要求3所述的含有Fe³⁺的黏土，其特征在于：所述氨基硅烷偶联剂为氨丙基三甲氧基硅烷。

5.一种复合黏土，其特征在于，由以下方法制得：将权利要求1～4任一项制得的含有Fe^{3 +}的黏土分散在水中得到含Fe³⁺的黏土分散液；再向含Fe³⁺的黏土分散液中逐滴加入铁氰化钾溶液；得到混合溶液，将所得混合溶液放在暗室静置6～60h；然后将混合溶液进行离心得到沉淀，将沉淀清洗2～3次干燥，得到复合黏土。

6.根据权利要求5所述的复合黏土，其特征在于；所述含Fe³⁺的黏土分散液的质量浓度为：0.001g/ml～0.1g/ml；所述混合溶液中铁氰化钾的摩尔分数为0.1～0.001mol/L。

7.一种变色法检测水体生物毒性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取权利要求5或6制备的复合黏土，分散于水溶液中，得到复合黏土分散液；

(2)培养微生物菌液；

(3)取步骤(1)中制得的复合黏土分散液，步骤(2)培养的微生物菌液和营养物质水溶液混合，向混合溶液中加入待检测物质，在37℃下进行培养，观测结果。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述复合黏土分散液指复合黏土分散于水中后，得到的质量浓度为0.001g/ml～0.1g/ml的分散液。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述微生物菌液选自大肠杆菌菌液、酵母菌菌液或大肠杆菌和酵母菌的混合菌液；所述混合菌液中大肠杆菌和酵母菌菌液按体积比例为1:4～4:1混合。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述复合黏土分散液与微生物菌液按体积比为1:3～3:1混合。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述营养物质选自葡萄糖，果糖或半乳糖，所述营养物质水溶液浓度为0.01～0.1mol/L。