CN105176961A - 一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法 - Google Patents

一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法 Download PDF

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杨帆
江群
姜昭
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Abstract

一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,它属于生物工程领域。它要解决现有固定化技术在应用中存在易被分解、吸附性能低、降解效率低的问题。方法:一、制备多孔生物质碳材料并制成悬浊液;二、培养阿特拉津降解菌并制成菌悬液;三、悬浊液、菌悬液和包埋剂混合,再加入到CaCl2溶液中,获得固定化小球;四、固定化小球于硬化后清洗,即完成。本发明采用废弃生物质为原料,经过高温碳化-化学活化形成多孔生物质碳材料,具有较强的比表面积和吸附性能,克服了传统固定化载体易被分解、吸附性能弱的缺点,同时能够将环境中分散的阿特拉津吸附富集后再进行降解,促进了环境中阿特拉津的降解效果。

Description

一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法
技术领域
本发明属于生物工程领域,具体涉及一种阿特拉津降解菌剂的制备方法。
背景技术
目前,生物法被认为是其最有前景的污染修复技术。而生物修复环境中污染物的主要途径有两条:生物吸附和生物降解。微生物修复是研究最早、最深入、也是应用最广泛的一种生物修复技术。但是传统菌剂的修复效果受到环境条件的不利影响较大,固定化微生物技术应运而生。固定化微生物技术利用载体材料提供的有利微环境作为缓冲体系有效地屏蔽土著微生物的竞争作用,缓解了不利土壤条件对目标微生物的侵害作用。固定化微生物技术克服了单一菌剂微生物的数量少、活性低、稳定性差以及耐环境冲击能力低的缺点。此外,优良的固定化材料还可以起到疏松剂的作用,加快氧气的输送,因而加速有机污染物的矿化作用。
作为三氮苯类农药中的一种,阿特拉津(分子式:C8H14ClN5)已被世界多个国家划入内分泌干扰物的名单中。目前,用于固定化阿特拉津降解菌的载体材料主要有海藻酸钠、聚乙烯醇、粘土矿物、竹炭、木炭、壳聚糖等等;固定化方法主要有包埋法、吸附挂膜法、吸附包埋法、胶囊法等等。其中无机载体(如粘土矿物)表面官能团较少,与微生物的亲和力有限;天然高分子凝胶载体(如海藻酸钠)强度较低,在厌氧条件下容易被微生物降解;有机高分子凝胶载体(如聚乙烯醇)的传质性较低,容易导致微生物失活。而且以上载体材料的吸附能力较弱,因此这些材料制备的小球只能降解局部的污染物,这极大地限制了它们的应用效果。
生物质碳材料具有很强的吸附作用,且能够增强环境中微生物的活性,促进污染物的降解,有望实现吸附-降解一体化的修复效果。目前将生物碳材料与降解菌联用达到吸附-降解阿特拉津效果的固定化微生物技术尚鲜有报道。
发明内容
本发明目的是为了解决现有固定化技术在应用中存在易被分解、吸附性能低、降解效率低的问题,从而提供一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法。
一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,按以下步骤实现:
一、废弃生物质经过洗涤、干燥、粉碎后置于550℃~850℃下反应1~3h,得到粉末,然后碱洗1~10h,经过滤、洗涤、干燥后与强碱粉末按照质量比1:3进行混合,再置于550℃~850℃下反应1~3h,获得多孔生物质碳材料,并加超纯水制备成浓度为0.01~0.1mg/mL的悬浊液;
二、在无机盐培养基上培养阿特拉津降解菌,48h后取出,装入无菌的离心管中,离心并去除上清液,生理盐水冲洗菌体三次,并制备成OD值为1的菌悬液;
三、取1~5mL悬浊液并加入5~10mL菌悬液,分散均匀后,振荡3~5h,得到多孔生物质碳材料-阿特拉津降解菌的吸附固定体系,然后按照体积比1:(10~15)与质量浓度为1%~5%的包埋剂溶液混合,得到混合液,再逐滴加入到质量浓度为1%~5%的CaCl2溶液中,获得固定化小球;
四、将固定化小球于4℃下硬化12~30h,然后用生理盐水清洗3次,即完成具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备;
其中步骤一中废弃生物质为秸秆、稻壳或畜禽粪便;步骤三中包埋剂为海藻酸钠、明胶、壳聚糖或膨润土。
本发明中具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,有效地解决了传统固定化材料寿命短的问题,同时实现了吸附-降解一体化,促进了降解菌对于阿特拉津的降解能力。
本发明制备的固定化阿特拉津降解菌剂,与传统方法制备的固定化降解菌剂相比具有显著优势:载体材料采用废弃生物质为原料,经过高温碳化-化学活化形成多孔生物质碳材料,且表面含有大量的高度芳香化结构,具有较强的比表面积和吸附性能,克服了传统固定化载体易被分解、吸附性能弱的缺点,同时能够将环境中分散的阿特拉津吸附富集后再进行降解,促进了环境中阿特拉津的降解效果,实现了吸附材料与微生物降解联合修复的功能。
附图说明
图1为实施例中制备所得固定化阿特拉津降解菌剂的实物图;
图2为实施例中多孔生物质碳材料的吸附-脱附等温线;
图3为实施例中多孔生物质碳材料的扫描电镜分析结果图;
图4为实施例中多孔生物质碳材料的扫描电镜分析结果图;
图5为实施例中多孔生物质碳材料吸附降解菌后的扫描电镜分析结果图;
图6为实施例中多孔生物质碳材料吸附降解菌后的扫描电镜分析结果图;
图7为实施例中多孔生物质碳材料的红外光谱结果图;
图8为实施例中制备所得固定化阿特拉津降解菌剂对水体中阿特拉津降解效果图,其中■表示空白,●表示多孔生物质碳材料,▲表示固定化阿特拉津降解菌剂,▼表示游离态降解菌。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,按以下步骤实现:
一、废弃生物质经过洗涤、干燥、粉碎后置于550℃~850℃下反应1~3h,得到粉末,然后碱洗1~10h,经过滤、洗涤、干燥后与强碱粉末按照质量比1:3进行混合,再置于550℃~850℃下反应1~3h,获得多孔生物质碳材料,并加超纯水制备成浓度为0.01~0.1mg/mL的悬浊液;
二、在无机盐培养基上培养阿特拉津降解菌,48h后取出,装入无菌的离心管中,离心并去除上清液,生理盐水冲洗菌体三次,并制备成OD值为1的菌悬液;
三、取1~5mL悬浊液并加入5~10mL菌悬液,分散均匀后,振荡3~5h,得到多孔生物质碳材料-阿特拉津降解菌的吸附固定体系,然后按照体积比1:(10~15)与质量浓度为1%~5%的包埋剂溶液混合,得到混合液,再逐滴加入到质量浓度为1%~5%的CaCl2溶液中,获得固定化小球;
四、将固定化小球于4℃下硬化12~30h,然后用生理盐水清洗3次,即完成具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备;
其中步骤一中废弃生物质为秸秆、稻壳或畜禽粪便;步骤三中包埋剂为海藻酸钠、明胶、壳聚糖或膨润土。
本实施方式步骤一中碱洗目的是去除生物质本身存在的Si等成分从而形成多孔结构。
本实施方式步骤一中所得多孔生物质碳材料是具有丰富孔结构,大比表面积和强吸附性的载体材料。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中废弃生物质经过洗涤、干燥、粉碎后置于650℃下反应2h,得到粉末,然后碱洗3h。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是:步骤一中洗涤均是采用超纯水洗涤3次,干燥温度均为60℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤一中碱洗采用浓度为1~6mol//L的KOH溶液或浓度为1~6mol//L的NaOH溶液。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤一中过滤次数为3次。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤一中强碱粉末为KOH粉末或NaOH粉末。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤一中置于750℃下反应1.5h,获得多孔生物质碳材料。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤二中特拉津降解菌为鲁氏不动杆菌(Acinetobacterlwoffii),DNS-32。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤三中取2mL悬浊液并加入8mL菌悬液,分散均匀后,振荡4h。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤三中按照体积比1:12与质量浓度为3%的包埋剂溶液混合,得到混合液,再逐滴加入到质量浓度为3%的CaCl2溶液中。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤四中将固定化小球于4℃下硬化24h。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例:
具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,按以下步骤实现:
一、废弃生物质经过洗涤、干燥、粉碎后置于850℃下反应2h,得到粉末,然后采用浓度为1~6mol//L的KOH溶液洗1~10h,经过滤、洗涤、干燥后与KOH粉末按照质量比1:3进行混合,再置于850℃下反应2h,获得多孔生物质碳材料,并加超纯水制备成浓度为0.05mg/mL的悬浊液;
二、在无机盐培养基上培养阿特拉津降解菌,48h后取出,装入无菌的离心管中,离心并去除上清液,生理盐水冲洗菌体三次,并制备成OD值为1的菌悬液;
三、取2mL悬浊液并加入8mL菌悬液,分散均匀后,振荡4h,得到多孔生物质碳材料-阿特拉津降解菌的吸附固定体系,然后按照体积比1:12与质量浓度为3%的包埋剂溶液混合,得到混合液,再逐滴加入到质量浓度为3%的CaCl2溶液中,获得固定化小球;
四、将固定化小球于4℃下硬化24h,然后用生理盐水清洗3次,即完成具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备;
其中步骤一中废弃生物质为秸秆;步骤三中包埋剂为海藻酸钠。
本实施例步骤二中特拉津降解菌为鲁氏不动杆菌(Acinetobacterlwoffii),DNS-32。
本实施例中制备所得固定化阿特拉津降解菌剂,如图1所示,成球效果较好,易成球,且形状规则,大小均匀,色泽均匀。
本实施例步骤一中所得多孔生物质碳材料,进行物理性能检测:结果如图2所示,可见碳载体保存了天然秸秆的孔道,使其具有较大的比表面积,且孔道直径大约为5微米左右,有利于降解菌的富集。如图3、图4、图5和图6所示,可见,具有丰富孔结构,大比表面积,能够具有强吸附性。如图7所示,可见其表面具有丰富的含氧官能团,有利于增强吸附性能。
本实施例中制备所得固定化阿特拉津降解菌剂,进行吸附-降解效果检测:
实验组设置:
(1)含阿特拉津的无机盐溶液,空白组;
(2)多孔碳材料加阿特拉津的无机盐溶液;
(3)多孔碳材料-海藻酸钠小球(不含菌)加阿特拉津的无机盐溶液;
(4)多孔碳材料-海藻酸钠固定化降解菌加阿特拉津的无机盐溶液;
(5)游离态降解菌加阿特拉津的无机盐溶液。
修复试验为期30天,固定化阿特拉津降解菌对于水溶液中阿特拉津的去除效果如图8所示,可见,在30天时固定化降解菌剂处理组中,固定化降解菌剂仍然具有降解性能,阿特拉津的残留量小于20%,而未加入固定化降解菌剂的空白对照组中,阿特拉津残留量在80%,同时对游离态降解菌处理组和固定化材料组的修复效果进行了评价,阿特拉津的残留量分别在70%和40%。

Claims (10)

1.一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于它按以下步骤实现:
一、废弃生物质经过洗涤、干燥、粉碎后置于550℃~850℃下反应1~3h,得到粉末,然后碱洗1~10h,经过滤、洗涤、干燥后与强碱粉末按照质量比1:3进行混合,再置于550℃~850℃下反应1~3h,获得多孔生物质碳材料,并加超纯水制备成浓度为0.01~0.1mg/mL的悬浊液;
二、在无机盐培养基上培养阿特拉津降解菌,48h后取出,装入无菌的离心管中,离心并去除上清液,生理盐水冲洗菌体三次,并制备成OD值为1的菌悬液;
三、取1~5mL悬浊液并加入5~10mL菌悬液,分散均匀后,振荡3~5h,得到多孔生物质碳材料-阿特拉津降解菌的吸附固定体系,然后按照体积比1:(10~15)与质量浓度为1%~5%的包埋剂溶液混合,得到混合液,再逐滴加入到质量浓度为1%~5%的CaCl2溶液中,获得固定化小球;
四、将固定化小球于4℃下硬化12~30h,然后用生理盐水清洗3次,即完成具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备;
其中步骤一中废弃生物质为秸秆、稻壳或畜禽粪便;步骤三中包埋剂为海藻酸钠、明胶、壳聚糖或膨润土。
2.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤一中废弃生物质经过洗涤、干燥、粉碎后置于650℃下反应2h,得到粉末,然后碱洗3h。
3.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤一中洗涤均是采用超纯水洗涤3次,干燥温度均为60℃。
4.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤一中碱洗采用浓度为1~6mol//L的KOH溶液或浓度为1~6mol//L的NaOH溶液。
5.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤一中强碱粉末为KOH粉末或NaOH粉末。
6.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤一中置于750℃下反应1.5h,获得多孔生物质碳材料。
7.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤二中特拉津降解菌为鲁氏不动杆菌(Acinetobacterlwoffii),DNS-32。
8.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤三中取2mL悬浊液并加入8mL菌悬液,分散均匀后,振荡4h。
9.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤三中按照体积比1:12与质量浓度为3%的包埋剂溶液混合,得到混合液,再逐滴加入到质量浓度为3%的CaCl2溶液中。
10.根据权利要求1所述的一种具有吸附-降解功能的固定化阿特拉津降解菌剂的制备方法,其特征在于步骤四中将固定化小球于4℃下硬化24h。
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