CN105132327B - 一种多环芳烃污染修复微囊材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多环芳烃污染修复微囊材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将微黄分支杆菌(Mycobacterium gilvum)CP13在细菌培养液中培养得到菌液；所述微黄分支杆菌CP13，于2013年7月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCCNo.7963；(2)用海藻酸钙和壳聚糖通过层层自组装将上述菌液包埋于微囊中，制得多环芳烃污染修复微囊材料。本发明通过层层自组装，制得具有微生物活性的微囊材料，该材料具有超强环境适应能力，且对多环芳烃污染具有很好的去除能力。本发明微囊材料可用于含多环芳烃工业废水的生物处理及多环芳烃污染土壤的生物修复。

Description

一种多环芳烃污染修复微囊材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境污染物生物处理技术领域，具体涉及一种多环芳烃高效降解微囊材料的制备及其在废水生物处理和污染土壤修复中的应用。
背景技术
多环芳烃是环境中普遍存在的一类有机污染物，它通常是指一类含有两个或两个以上苯环，以线状、角状或簇状排列的稠环型化合物，具有生物积累性和环境持久性，并且有致癌、致畸、致突变(三致)作用，对自然界生物安全和人类健康构成巨大威胁。
环境中多环芳烃绝大多数积累于土壤中，在适宜的情况下它们可能迁移到其他环境介质中，扩大污染范围并改变暴露途径。农田中的多环芳烃多由污灌所致，它可以通过农作物以生物链的形式传递，将其积累于人体内，造成人体的损伤。多环芳烃农田污染土壤修复，尤其是强化长期污染土壤的修复显得十分重要和迫切。
在污染环境中比较常见，难以降解的多环芳烃中，芘由于它的酮类代谢物比母体毒性更大且有致突变性，所以芘常被作为监测多环芳烃污染的指示物和其它多环芳烃生物降解的模型分子，成为多环芳烃中的代表物。
利用微生物处理法解决环境中的多环芳烃污染问题已被广泛接受，其优点在于效果好、费用低、二次污染少等，是一类低耗高效和环境安全的生物修复技术。目前，人们通过人工富集培养等技术，已经分离得到很多能降解或转化某种多环芳烃的微生物。然而，游离微生物在实际修复中因土著菌的恶性竞争或环境条件改变等因素，往往难以适应实际修复环境，无法达到理想的修复效果，因此，研制出具有较强环境适应性的多环芳烃高效降解的生物材料已经成为目前污染环境治理和修复研究的热点问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种多环芳烃降解微生物活性微囊材料及其制备方法和应用。
为了实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：
一种多环芳烃污染修复微囊材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将微黄分支杆菌(Mycobacterium gilvum)CP13在细菌培养液中培养得到菌液；所述微黄分支杆菌CP13，于2013年7月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCCNo.7963；
(2)用海藻酸钙和壳聚糖通过层层自组装将上述菌液包埋于微囊中，制得多环芳烃污染修复微囊材料。
所述细菌培养液为营养肉汁培养基，成分及用量：牛肉膏3g/L，蛋白胨10g/L，NaC15g/L，琼脂20g/L，调整pΗ 7.0-7.2。
步骤(2)所述菌液包埋于微囊的步骤为：将壳聚糖加入到菌液中，使其沉积在细菌体表面，再将海藻酸钙溶液加入其中，使其在壳聚糖的表面进一步沉积；如此重复2-3次，即可将上述菌液包埋于微囊中。
所述壳聚糖和海藻酸钙的浓度均为0.1-2.0g/L。
上述方法制备的多环芳烃污染修复微囊材料在降解水中及土壤中多环芳烃的应用。
所述多环芳烃为芘。
所述微囊材料的添加量为水中：0.1g/20ml；土中为2.0g/400g土。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)故本发明微囊材料对恶劣环境的适应能力超强，可适应很宽范围的酸碱性及低高温环境。对多环芳烃污染具有超强去除能力，在室温(20±5℃)下，40天内可将菜园土壤中所含的高浓度(120mg/kg)多环芳烃芘去除81％以上。该材料7天内对水中含有高达50mg/L芘的去除率可以在80％以上，且在强酸碱性(pH 3-10)及强高低温(10-40℃)等恶劣条件下均不影响其降解性能。可用于含多环芳烃工业废水的废水处理及土壤的生物修复处理。
(2)由本发明的微囊材料由降解多种三环PAHs和四环PAHs的安全的微黄分枝杆菌CP13组成。具有去除土壤中多种多环芳烃的能力，适合南方水稻土、菜园土、红壤等土壤类型，具有修复多环芳烃污染土壤的显著效果。
本发明所提供的微黄分支杆菌(Mycobacterium gilvum)CP13，于2013年7月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，简称CGMCC，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，保藏编号为CGMCCNo.7963。该菌株已经在公开号为CN102824897A的专利中公开，属于现有技术。
附图说明
图1不同芘初始浓度对本发明微囊材料降解芘的影响图。(a)10mg/L，(b)30mg/L，(c)50mg/L。处理：(○)游离菌的空白，(●)本发明微囊材料的空白，(△)游离菌，(▲)本发明微囊材料，(□)游离菌，(■)本发明微囊材料，(◇)游离菌，(◆)本发明微囊材料。
图2不同pH值(a)及不同温度(b)对本发明微囊材料降解芘的影响图。芘初始浓度＝10mg/L。处理：(a)(△)游离菌-pH 7，(▲)本发明微囊材料-pH 7，(□)游离菌-pH 3，(■)本发明微囊材料-pH 3，(◇)游离菌-pH 10，(◆)本发明微囊材料-pH 10；(b)(△)游离菌-30℃，(▲)本发明微囊材料-30℃，(□)游离菌-10℃，(■)本发明微囊材料-10℃，(◇)游离菌-40℃，(◆)本发明微囊材料-40℃。
图3本发明微囊材料对芘污染土壤的修复过程中，土壤中芘去除率变化图。芘初始浓度＝120mg/kg。处理：(○)游离菌，本发明微囊材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
本发明多环芳烃降解微囊材料的制备
本发明的微黄分枝杆菌CP13菌株的培养方法：
将CP13菌株分别划线接种于牛肉汁蛋白胨培养基上，28-30℃培养48h，然后分别接入500mL三角瓶，在30℃，150r/min下，培养12h。然后按5％接种量接入到5L种子罐中，在180r/min，pH 7.5，通气量5L/min下，培养24h。
营养肉汁培养基，成分及用量(g/L)：牛肉膏3，蛋白胨10，NaCl5，琼脂20，调整pΗ7.0-7.2。
具体步骤如下：1)将微黄分支杆菌(Mycobacterium gilvum)CP13在细菌培养液中培养好菌液；2)将0.2g/L的聚阳离子(壳聚糖)20ml加入到菌液中，使其沉积在细菌体表面，再将等体积等浓度的的聚阴离子(海藻酸钙)溶液加入其中，使其在壳聚糖的表面进一步沉积。如此重复2-3次，即可将上述菌液包埋于微囊中。从而制备出细菌固定化的微囊。无菌装袋封口，4度冰箱中保藏。
实施例2
将实施例1制得的微囊材料按比例为0.1g/20ml接种至芘浓度10mg/L的MSM培养液中，以不含该微囊材料的含芘MSM培养液为空白，置于30℃的摇床中，在150r/min条件下避光振荡培养后测定培养液中芘的剩余量。所述MSM培养液的配方为：100mg/L(NH4)2SO4，20mg/LMgSO4·7H2O，10mg/LCaCl2·2H2O；微量元素：1.2mg/LFeSO4·7H2O，0.3mg/LMnSO4·H2O，0.3mg/LZnSO4·7H2O，0.1mg/LCoSO4·7H2O，0.1mg/L(NH4)6Mo7O24·4H2O；磷酸盐缓冲溶液：2.5g/LK2HPO3，0.77g/LKH2PO3，pH值为7.2～7.4。
由图1可知，在实验浓度范围，微囊材料对PYR的去除效率更高。在芘初始浓度分别为10，30，50mg/L时，3d去除率分别可以由游离CP13菌的60，40，20％提高到微囊材料的95，65，55％。其中在高浓度情况下(如50mg/L)，微囊材料优势更加显著。
实施例3
将实施例1制得的微囊材料按比例为0.1g/20ml接种至芘浓度10mg/L的MSM培养液中，以不含该微囊材料的含芘MSM培养液为空白，游离菌做对照，置于30℃的摇床中，在150r/min条件下避光振荡培养后测定培养液中芘的剩余量。由图2可知，本发明微囊材料在pH 3～10条件下均可有效降解多环芳烃芘。特别是在pH为3的酸性情况下，游离菌的去除率只有15％，而本发明微囊材料则仍可维持在95％以上。可见，本发明微囊材料与游离菌相比具有更广的pH适应范围。同时，本发明微囊材料在温度为10-40℃条件下均可有效降解多环芳烃芘。类似地，在环境温度低至10℃的情况下，游离菌4d去除率只有17％左右，而本发明微囊材料则可达到80％。而在40℃的情况下，本发明微囊材料的4d去除率保持在80％，也远远高于同时间内游离菌的40％。可见本发明微囊材料与游离菌相比具有更佳的热稳定性。
本实施例说明本发明多环芳烃降解微生物微囊材料在酸性，中性和碱性的较宽pH范围内及10-40℃条件下均能较好的降解芘，为其在不同pH及低高温环境中的应用提供了保证。
实施例4
本发明微囊材料对芘污染土壤的修复实验
在500ml烧杯中装有400g已经加入芘120mg/kg土的不灭菌土壤，土壤中加入实施例1的2.0g微囊材料，使得初始接种量为107CFU/g土。游离CP13作为对照，使用量同样为107CFU/g土，在30度恒温箱中培养。培养6d、10d、20d、40d后，取样测定土壤中芘的残留量。
图3结果表明：使用本发明微囊材料修复40d后，使用本发明微囊材料对含有芘120mg/kg的土壤处理40天后芘的去除率即可达到81％，而此时游离菌对照的降解率仅为42％。

Claims (7)

1.一种多环芳烃污染修复微囊材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将微黄分支杆菌(Mycobacterium gilvum)CP13在细菌培养液中培养得到菌液；所述微黄分支杆菌CP13，于2013年7月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCCNo.7963；
(2)用海藻酸钙和壳聚糖通过层层自组装将上述菌液包埋于微囊中，具体步骤为：将壳聚糖加入到菌液中，使其沉积在细菌体表面，再将等体积等浓度的海藻酸钙溶液加入其中，使其在壳聚糖的表面进一步沉积；如此重复2-3次，制得多环芳烃污染修复微囊材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细菌培养液为营养肉汁培养基，成分及用量：牛肉膏3g/L，蛋白胨10g/L，NaC15g/L，琼脂20g/L，调整pΗ7.0-7.2。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述壳聚糖和海藻酸钙的浓度均为0.1-2.0g/L。
4.权利要求1～3任一项所述方法制备的多环芳烃污染修复微囊材料。
5.权利要求4所述微囊材料在降解水中及土壤中多环芳烃的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述多环芳烃为芘。
7.根据权利要求5或6所述的应用，其特征在于，所述微囊材料的添加量为水中：0.1g/20ml；土中为2.0g/400g土。
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