CN106145376A - 一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料及应用，本发明提供的生物复合材料制备方法简便，制备条件要求低，设备简单，能耗小，制备过程无毒性污染物产生，对环境、工作人员安全，能实现规模化制备生产；最终制备成的生物复合载体成本低，质量稳定性高且能循环使用。处理过程条件温和，可以使固定化菌体保持生物学活性，相比传统处理重金属污水方法，本发明可以多次重复使用后吸附效果好且方便回收并对水体无污染，且无须防止菌体游离污染水源，且无须加絮凝剂。
Description
技术领域
本发明属于微生物技术领域，具体涉及一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料及应用。
背景技术
为提高菌体利用率，降低菌体使用成本，通常采用将菌体固定化的方法，现有技术中有一种是采用包埋法对菌体进行固定的方法，该方法是将卡拉胶、海藻酸钠或壳聚糖和菌体混合在一起，在交联剂作用下，将菌体包裹在载体中，这个方法存在的缺点是：制备过程会使用到有机试剂，其有机试剂有毒性，对环境，尤其对工作人员有较大的危害，且不能实现规模化制备生产，而且卡拉胶、海藻酸钠或壳聚糖包埋菌体，影响菌体与污水中重金属的接触，影响菌体蛋白利用率；还有一种方法是利用无机材料将菌体吸附在上面，这种制备方法成本低廉，可规模化制备，但菌体固定化效果较差，菌体容易脱落，脱落的菌体对污水会造成二次污染。一般制成的壳聚糖珠粒径较大，传质速率会大大降低，而本实验壳聚糖粒径小(300μm左右)传质速率更快，且本实验自制的微珠比起传统壳聚糖膜或者包埋小球所需的重金属吸附时间更短，且传统的壳聚糖膜机械性能差(易碎易破裂)，故循环使用性低。而本实验制备的改性壳聚糖微珠机械性能好，且耐酸碱，故循环使用率高,对于一般菌体,金属离子吸附后会倾入菌体,而重组菌YN-2S丰富的金属硫蛋白展示在表面金属离子可以与菌体表面金属硫蛋白直接接触，减少金属离子倾入菌体的过程；而且固定化的菌体其活性细胞比任何缓冲液更有利于金属硫蛋白活性的保持，是一个天然的蛋白支持平台；同时避免了采用包埋法对金属离子与菌体之间接触传质作用造成影响。虽然采用反相悬浮法可以制备粒径为10～100μm的壳聚糖珠，但是制备过程中使用了大量的表面活性剂等有机试剂，这些试剂可能对环境造成污染。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术缺点，提供一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料，本发明提供的生物复合材料，在制备过程中，设备简单，能耗小，制备过程无毒性污染物产生，对环境、工作人员安全，能实现规模化制备生产；最终制备成的生物复合材料成本低，质量稳定性高，处理铜离子能力强，回收利用性佳。
本发明的另一个目的是提供了一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料在吸收水体中铜的应用。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术措施：
一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料，利用以下方法制备得到：
1)壳聚糖生物复合载体的构建
将2g脱乙酰度为90％的壳聚糖粉末加入到体积比为100mL 1％的乙酸溶液中，充分搅拌(室温25℃下搅拌12h,成均一稳定的胶状溶液后除气至溶液中无气泡)，配制成质量体积比为2％的壳聚糖溶液；将4g氢氧化钠加入到100mL的体积比为66.7％乙醇溶液中，充分溶解，配制成质量体积比为4％的氢氧化钠-乙醇溶液；
本发明制备壳聚糖生物复合载体采用的装置为发明名称为一种壳聚糖珠的制备方法及其制备装置(申请号：201310741611.7)中的壳聚糖珠的制备装置，具体步骤如下：
使用27G针头型号，壳聚糖溶液通过恒流泵流经注射器针头将壳聚糖溶液滴定到氢氧化钠-乙醇溶液中，给针头加6000V压即制成粒径大小为300μm壳聚糖微珠，再用去离子水反复洗涤，直至无氢氧化钠残留；取壳聚糖微珠1g，加入10mL体积比为2.5％的戊二醛溶液，25℃下静置反应4h，反应完毕后用去离子水反复洗涤，直至无未反应的戊二醛，得到交联活化的壳聚糖珠。
2)微生物固定
将步骤1)制备的交联活化的壳聚糖珠与重组菌YN-2S(假单胞菌表达载体的构建及金属硫蛋白的表面展示，叶婷)(OD600＝5.0，pH＝7.4的PBS缓冲液重悬)按1g：10毫升进行摇匀混合后静置固定，固定化温度为4℃，固定化时间为2h，即得生物复合材料。
一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料在吸收水体重金属离子中的应用，包括将该生物复合材料投入含重金属离子的水体(铜离子，铬离子，镉离子等)中吸附重金属离子，还包括该生物复合材料对重金属离子的解吸附以及该生物复合材料循环利用的过程。
生物复合材料对铜离子的解吸附：在35℃，置于210rpm摇床中，将100mL 0.1M的盐酸与1g吸附了铜离子的生物复合材料混合,解析3小时，将解吸附后的载体滤出，使用PBS缓冲液冲洗。
生物复合材料的贮存：将制备得到的生物复合材料用去离子水反复过滤洗涤3～5次后；对用来盛放的带棉塞的三角瓶瓶进行灭菌处理；将洗净无游离菌残留的样品放在灭菌后的三角瓶内，加入PBS(PH＝7.4)缓冲液后塞紧棉塞，完毕放入4℃冰箱保存，需要时取出即可。具体请详见具体实施方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的生物复合材料制备方法简便，制备条件要求低，设备简单，能耗小，制备过程无毒性污染物产生，对环境、工作人员安全，能实现规模化制备生产；最终制备成的生物复合载体成本低，质量稳定性高且能循环使用。
本发明所述壳聚糖(Chitosan)是一种甲壳素脱乙酰产物，在亲水性、可再生性和生物相容性方面有很大的优势。壳聚糖基本构成为胺基葡萄糖，含有丰富的氨基和羟基，可进行基团修饰，也可以被制成球珠材料用于药物缓释、固定化等领域，壳聚糖本身对各种重金属都具有良好的吸附性能且本身具有很大的吸附容量。
制备过程条件温和，可以使固定化菌体保持生物学活性，相比采用包埋对微生物进行固定的方法，本发明可以使底物与菌体直接接触，增加了传质，蛋白生物学活性利用率更高。
处理过程条件温和，可以使固定化菌体保持生物学活性，相比传统处理重金属污水方法，本发明可以多次重复使用后吸附效果好且方便回收并对水体无污染，且无须防止菌体游离污染水源，且无须加絮凝剂。
附图说明
图1为4000倍的扫描电镜下重组菌YN-2S的扫描电镜图
图2为4000倍的扫描电镜下壳聚糖固定重组菌YN-2S后的表面图
具体实施方式：
以下结合实施例对本发明作进一步解释说明。本发明所述技术方案，如未特别说明，均为本领域的常规方案，所述试剂或材料，如未特别说明已被公开或来源于商业渠道。
实施例1：
一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料，利用以下方法制备得到：
1)壳聚糖生物复合载体的构建
将2g脱乙酰度为90％的壳聚糖粉末加入到体积比为1％的100mL乙酸溶液中，充分搅拌(室温25℃下搅拌12h,成均一稳定的胶状溶液后除气至溶液中无气泡)，配制成质量体积比为2％的壳聚糖溶液；将4g氢氧化钠加入到体积比为66.7％的100mL乙醇溶液中，充分溶解，配制成质量体积比为4％的氢氧化钠-乙醇溶液；
本发明制备壳聚糖生物复合载体采用的装置为发明名称为一种壳聚糖珠的制备方法及其制备装置(申请号：201310741611.7)中的壳聚糖珠的制备装置，具体步骤如下：
使用27G针头型号，壳聚糖溶液通过恒流泵流经注射器针头将壳聚糖溶液滴定到氢氧化钠-乙醇溶液中，给针头加6000V压即制成粒径大小为300μm左右的壳聚糖微珠，再用去离子水反复洗涤，直至无氢氧化钠残留；取壳聚糖微珠1g，加入10mL体积比为2.5％的戊二醛溶液，25℃下静置反应4h，反应完毕后用去离子水反复洗涤，直至无未反应的戊二醛，得到交联活化的壳聚糖珠。
2)微生物固定
将步骤1)制备的交联活化的壳聚糖珠与重组菌YN-2S(假单胞菌表达载体的构建及金属硫蛋白的表面展示，叶婷)(OD600＝5.0，pH＝7.4的PBS缓冲液重悬)按1g：10毫升进行摇匀混合后静置固定，固定化温度为4℃，固定化时间为2h，即得生物复合材料，用于以下实施例。
所述的重组菌YN-2S的具体构建过程如下：
利用PCR得到恶臭假单胞菌AB92019中肽聚糖相关脂蛋白编码基因的启动子PoprL片段，将该启动子片段经HindlII/Nco I酶切位点克隆至质粒载体体pGFP-SH，得到重组质粒粒pYMB01。然后用EcoRI/HindllI双酶切质粒pYMB01，回收550bps含有oprL启动子的片断并插入到广宿主质粒载体pUCPl8的相同位点，得到重组质粒pYMB02。进一步将大肠杆菌商用质粒载体pTrcHis-B(美国Invitrogen公司)的NcoI/EcoRI位点间的131bps多克隆位点序列克隆到pYMB02上，构建假单胞菌表达质粒pYMB03。以含有inaK全长基因的质粒pMPL003为模板，扩增inaK-n DNA片断，该片段经Nco I/Bgl II双酶切位点插入到重组质粒pYMB03的相同位点上，得到重组质粒pYN。再将含有两个拷贝蓝细菌金属硫蛋白基因smtA的DNA片段经BglII/EcoR I位点插入质粒pYN，以得到质粒pYN2S。将质粒pYN2S电转化至恶臭假单胞菌AB92019，用羧苄抗性平板进行筛选，得到的阳性转化子就是YN-2S重组菌。具体构建过程详见《假单胞菌表达载体的构建及金属硫蛋白的表面展示，叶婷》。
实施例2：
生物复合材料对水体中100mg/L铜离子的吸附效率及循环重复性利用：
1)称取1g实施例1制备好的生物复合材料进行吸附实验，锥形瓶中加入100mL的初始浓度为100mg/L的Cu2+溶液，将pH值调为6，35℃下置于210rpm摇床中吸附3小时,用原子吸收法测上清液中铜离子剩余量。
2)生物复合载体对铜离子解吸附；在35℃，置于210rpm摇床中，将100mL 0.1M的盐酸与吸附了铜离子的生物复合材料混合,解析3小时，将解吸附后的载体滤出，使用PBS缓冲液冲洗。
3)将上述解吸附后的生物复合载体再次进行吸附实验，锥形瓶中加入100mL的初始浓度为100mg/L的Cu2+溶液，将pH值调为6，35℃下置于210rpm摇床中吸附3小时,用原子吸收法测上清液中铜离子剩余量。重复吸附解吸附6次,并记录每一次小球铜离子吸附量。以上吸附实验，每次三组重复，吸附效率为其平均值。
七次的吸附效率分别为76.4％，76.1％，77.5％，74.7％，72.5％，71.7％，69.7％。
从上述数据中可发现，六次吸附解吸附循环后，第七次的吸附量仍为原来的91.4％以上，仍然可以达到6.97mg/g，说明本发明制备的生物复合材料不仅对水体中铜离子的吸附能力强，并且利于回收，可循环利用。
实施例3：
生物复合材料对水体中10mg/L浓度铜离子的吸附效率及循环重复性利用：
具体步骤同实施例2。
七次的吸附效率分别为95.4％，90.9％，91.5％，89.6％，91.3％，91.2％，88.6％。
实施例4：
生物复合材料对水体中300mg/L铜离子的吸附效率及循环重复性利用：
具体步骤同实施例2。
七次的吸附效率分别为48.4％，46.7％，45.3％，48.6％，46.7％，46.2％，44.9％，第七次吸附量仍为第一次的92.8％。
实施例5：
生物复合材料对水体中20mg/L铜离子的吸附效率：
取1g实施例1制备的生物复合材料进行吸附实验，锥形瓶中加入100mL的初始浓度为20mg/L的Cu2+溶液，将pH值调为6，35℃下置于210rpm摇床中吸附3小时,用原子吸收法测上清液中铜离子剩余量。三次平行实验，最终得出当溶液中铜离子的浓度为20mg/L时，吸附效率为87.2％，此时吸附量为1.74mg/g。
实施例6：
生物复合材料的贮存：
将实施例1制备的生物复合材料用离子水反复过滤洗涤3～5次后；对用来盛放的带棉塞的三角瓶进行灭菌处理；将洗净无游离菌残留的样品放在灭菌后的三角瓶内，加入PBS(PH＝7.4)缓冲液后塞紧棉塞，完毕放入4℃冰箱保存，需要时取出即可。
为验证储存效果，制作一批生物复合材料后于第1，2，3，6，9，12，15，20，25，30，35，40，45天后取样，验证在铜离子浓度为90mg/L时，将pH值调为6，35℃下置于210rpm摇床中吸附3小时后的吸附量，数据表明，在4摄氏度下表现出耐储存性能。经30d的4摄氏度的储存，生物材料对铜离子的最大吸附值为最初的73.2％(吸附量为4.46mg/g)，而经45d的4摄氏度贮存后，最大吸附值保持为原来的53.8％(吸附量为3.59mg/g)。
实施例7：
生物复合材料在不同pH值溶液中的吸附效率：
用1g生物复合材料分别在pH 4.0、pH 5.0、pH 6.0、pH 7.0和pH 8.0条件下进行吸附实验，5个锥形瓶中分别加入100mL的初始浓度为100mg/L的Cu2+溶液，分别用0.1M的HCl和0.1M的NaOH将溶液的pH值调为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0。置于35℃，210rpm摇床中下吸附3小时。吸附平衡后取上清，测量溶液中残余Cu2+含量。三次平行实验，pH为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0的情况下吸附效率为55.4％，68.6％，72.8％，71.7％，70.9％。
实施例8：
生物复合材料对水体中100mg/L镉离子的吸附效率：
取1g实施例1制备的生物复合材料进行吸附实验，锥形瓶中加入100mL的初始浓度为100mg/L的Cd2+溶液，将pH值调为6，35℃下置于210rpm摇床中吸附3小时,用原子吸收法测上清液中镉离子剩余量。三次平行实验，最终得出当溶液中镉离子的浓度为100mg/L时，吸附效率为77.2％，此时吸附量为7.72mg/g。说明此生物复合材料对水体中100mg/L镉离子的吸附效率良好。
实施例8：
生物复合材料对水体中50mg/L铬离子的吸附效率：
取1g实施例1制备的生物复合材料进行吸附实验，锥形瓶中加入100mL的初始浓度为50mg/L的Cr3+溶液，将pH值调为7，35℃下置于210rpm摇床中吸附3小时,用原子吸收法测上清液中铬离子剩余量。三次平行实验，最终得出当溶液中铬离子的浓度为50mg/L时，吸附效率为61.1％，此时吸附量为3.06mg/g。
本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。
Claims (3)
1.一种利用壳聚糖为载体制备的生物复合材料，包括以下步骤：
1）将2g脱乙酰度为90%的壳聚糖粉末加入到体积比为1%的100mL 乙酸溶液中，充分搅拌，即室温25℃下搅拌12h,成均一稳定的胶状溶液后除气至溶液中无气泡，配制成质量体积比为2%的壳聚糖溶液；将4g氢氧化钠加入到100mL的体积比为66.7%乙醇溶液中，充分溶解，配制成质量体积比为 4%的氢氧化钠-乙醇溶液；
使用27G针头型号，壳聚糖溶液通过恒流泵流经注射器针头将壳聚糖溶液滴定到氢氧化钠-乙醇溶液中，给针头加6000V压即制成粒径大小为300μm壳聚糖微珠，再用去离子水反复洗涤，直至无氢氧化钠残留；取壳聚糖微珠1g，加入10mL 体积比为2.5%的戊二醛溶液，25℃下静置反应4h，反应完毕后用去离子水反复洗涤，直至无未反应的戊二醛，得到交联活化的壳聚糖珠；
2）微生物固定
将步骤1）制备的交联活化的壳聚糖珠与OD600=5.0，pH＝7.4重组菌YN-2S按1g：10毫升进行摇匀混合后静置固定，固定化温度为4℃，固定化时间为2h，即得生物复合材料。
2.利用权利要求1所述的生物复合材料在吸收水体重金属离子中的应用，所述的重金属离子为铜离子、镉离子或铬离子。
3.权利要求1所述的生物复合材料在制备同时吸收水体中铜离子、镉离子和铬离子中的应用。
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