CN106340337A - 一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对铀酰离子具有高亲和及高识别能力的印迹真菌材料修复铀污染水体的方法。以典型的兼性海洋红树林内源真菌Fusarium sp.#ZZF51为基质，植酸为功能单体，UO2 2+为模板离子，四乙氧基硅烷(TEOS)为交联剂，采用溶胶‑凝胶技术制备成铀离子印迹材料，然后将所得材料投放于铀污染的水体中，修复铀污染水体，经一段时间之后，将之打捞并进行集中处理。本发明材料对铀酰离子具有高亲和能力及高识别能力，自投放50‑70 min后即可使铀酰离子达到90%以上的去除率。本印迹真菌材料呈颗粒球状，成本低廉，修复效率高，对环境友好，无二次污染，且打捞和集中处理较为简便。

Description

一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹 材料修复铀污染水体的方法
技术领域
本发明涉及铀(VI)污染水体的修复技术领域，是一种以红树林内源真菌Fusarium sp.#ZZF51（一株典型的兼性海洋抗辐射真菌，可于淡水、陆栖及海洋环境生产及产孢）为基质，植酸为功能单体，UO2 2+为模板离子，四乙氧基硅烷(TEOS)为交联剂，采用溶胶-凝胶技术制备成印迹材料快速清除水体中铀(VI)污染的方法。
背景技术
铀是一种放射性物质，也是一种重要的能源物质，在水体和土壤中大多以铀酰离子（UO2 2+）形式存在。随着核工业的快速发展及废旧核设施的退役，一些含铀(VI)废水已给环境和人类带来了较为严重的危害，铀(VI)通常由食物链蓄积在人体肝脏和骨骼中，可诱发肺癌、肝癌、胰腺癌等多种疾病。人们在放射性废水尤其是含铀(VI)废水的处理方面, 目前主要有混凝沉淀、化学沉淀、萃取、膜分离、氧化还原、沉降-结晶、凝结-絮凝、物理吸附、离子交换、电化学处理、蒸发浓缩、渗析及反渗透等方法，这些传统方法虽在一定程度取得了较好效果，但普遍存在产生的泥浆量较大, 工艺流程冗长, 后续处理烦琐，成本高以及二次污染等，尤其对含低/微量铀(VI)废水的处理效果很一般，正因如此，它们的应用便受到极大限制。
微生物修复是指利用微生物（含原始状态和结构改造后状态）机体表面及体内本身化学结构与成分特性来吸附溶于水中的重金属离子,再通过固液分离去除水溶液中重金属离子的一种方法，与传统的修复技术相比,它以其吸收速度快，吸收量大，选择性好，品种丰富，价格低廉, 运行成本低，解吸容易，重复利用率高，适应的pH值和温度范围宽且对低浓度废水(重金属质量浓度1～100 mg·L-1)处理效果好等优点而广受关注。正因如此，微生物修复法被视为处理大量含低浓度重金属离子废水的理想方法，也是该领域内很有前景的方法。
在过去二十来年里，通过微生物修复法来处理含铀(VI)废水主要体现在以下两个方面：（1）改性微生物材料修复铀(VI)污染水体，通常对微生物进行改性的化学物质多为常见有机溶剂、有机酸碱以及拥有多活性位点的有机试剂等，而对采用溶胶-凝胶技术以发生聚合反应制备成印迹聚合物来改性微生物的报道却不多。分子印迹技术是指在合适的溶剂中，将模板分子与功能单体通过非共价键作用形成复合物，然后加入交联剂以发生聚合反应，再从生成的聚合物中去除模板分子即可得到与模板分子大小、形状、官能团完全互补的且具有三维孔穴的印迹材料。本专利是以一种内源真菌Fusarium sp.#ZZF51为基质，植酸为功能单体，UO2 2+为模板离子，四乙氧基硅烷(TEOS)为交联剂，采用溶胶-凝胶技术制备成铀(VI)离子印迹材料来修复铀(VI)污染水体的方法，至今未见文献报道。（2）之前用以修复铀(VI)污染水体的微生物绝大部分来源陆地，而对海洋来源（包括红树林来源）的微生物却鲜有报道。一般来说，海洋微生物分为两大类：第一类为专性海洋微生物，即只能在海洋和河口环境中生长和产孢；第二类为兼性海洋微生物，即来自淡水或陆栖但能在海洋环境中生产和产孢的种类，诚然，这类微生物仍能回归淡水或陆栖进行生产及产孢。众所周知，海洋环境具有高盐、高压、低温、少光照、贫营养、局部高温等特征，正是这种极端环境造就了海洋来源微生物拥有自己特殊的种属及独特的代谢方式，并能产生结构新颖功能独特的代谢产物，这些代谢产物十分有助于微生物对铀(VI)污染水体的修复，所以说利用海洋来源微生物（尤其为经结构修饰改造后的海洋来源微生物）来修复铀(VI)污染水体则潜力无限。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的是提供一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的方法，该方法既具有取材方便、成本低廉、环境友好，修复效率高（尤其对低铀(VI)离子浓度废水），又具有处理步骤简单，风险小，水体pH值接近中性，适应温度范围宽等多重特点。
为解决上述任务，本项专利通过采样和培养实验，从多种南海红树林內源真菌中筛选出本身富集铀(VI)能力强、生长和繁殖速度快、且耐盐抗辐射的兼性海洋真菌Fusarium sp.#ZZF51。真菌Fusarium sp.#ZZF51采自湛江，由中山大学化学化工学院海洋天然产物实验室林永成教授和佘志刚教授惠赠，菌种现保存在中山大学化学化工学院及南华大学化学化工学院。菌丝体通过结构修饰改造后得到铀酰离子印迹材料，然后将之一次性投放可使浓度为40-60 mg·L-1的含铀(VI)污染水体中铀(VI)的浓度下降90%以上，最终完全达到国家的排放标准。
一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀(VI)污染水体的方法，其具体的措施是：以兼性海洋真菌Fusarium sp.#ZZF51为基质，植酸为功能单体，UO2 2+为模板离子，四乙氧基硅烷(TEOS)为交联剂，采用溶胶-凝胶技术制备成印迹材料，然后将上述所得材料投放于铀污染的水体中，经修复一段时间后，将之打捞并进行集中处理，铀污染水体中铀的浓度下降90%以上。印迹材料的制备原理见图1所示。
印迹材料的制备过程如下：
（1）真菌发酵培养液经 121 ℃ 、0.1 MPa高温灭菌 15 min后，接菌，25 ℃静置培养22天，待菌丝体成熟后，经纱布过滤、烘干、研磨、100目过筛，置于干燥器中保存备用；
（2）准确称取上述菌粉0.1 g于50 mL的三口烧瓶中，加入10 mL蒸馏水后置于磁力搅拌器上搅拌30 min（转速125 rpm•min-1）使菌粉得到充分溶胀，然后快速加入0.5 mmol的功能单体植酸和0.1 mmol的模板离子UO2 2+，再缓慢滴入22 mL交联剂TEOS与无水乙醇的混合液（体积比为1:10），超声15 min以混合均匀，然后置于集热式磁力搅拌器上于75 ℃水浴搅拌聚合反应3 h（转速维持125 rpm•min-1），室温冷却，静置12 h，过滤，得到粗品；
（3）分别以乙醇和蒸馏水对粗品各洗涤两次后于真空干燥箱内45 ℃干燥至恒重，即得负载铀酰离子印迹聚合物；
（4）将上述聚合物转入索氏提取器以6 mol•L-1的盐酸溶液进行洗脱，直至洗脱液中检测不到模板离子UO2 2+为止，最后用蒸馏水洗涤多余的盐酸，洗脱好的印迹聚合物（MIP）45℃真空干燥24 h后出料。
非印迹材料的制备方法同上，仅是步骤（2）中未加模板离子UO2 2+而已。印迹材料及非印迹材料的相关扫描电镜性状见图2-4所示。
印迹材料修复铀污染水体的详细步骤是：
（1）按照每升含铀40-60 mg水体中投放0.3-0.5 g印迹材料；
（2）铀污染水体的pH值控制在弱酸性5.0-7.0；
（3）在投放印迹材料50-70 min后将之打捞上来；
（4）将打捞上来的印迹真菌材料转移到安全地方进行干燥、粉碎、焚烧，最后填埋到铀尾矿库集中处理。
为了达到更好的吸附效果及经济效益，可以采取以下措施：
（1）投放印迹材料后采用振荡或搅拌装置，振速以120-200 rpm为宜；
（2）修复温度环境，以20℃-32 ℃为宜；
（3）改性真菌的固液比含量，以0.4 g•L-1效果最佳；
（4）改性菌丝体与水体接触的时间，以60 min效果最佳；
（5）铀(VI)污染水体的pH值以控制在6.0效果最佳；
（6）污染水体中铀浓度以50 mg•L-1效果最佳；
本发明是以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的方法，该法通过向铀污染水体投放上述改性真菌材料，然后利用其对铀选择性吸附作用以达到去除水体中铀的效果。
一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的技术方案，相比现有技术具有以下有益效果：
（1）真菌菌种来源海洋，因海洋环境的特殊性致使海洋真菌具有特殊的种属及独特的代谢方式，所以所选用材料较为特殊。
（2）真菌Fusarium sp.#ZZF51发酵培养方便，其菌丝体来源十分丰富。
（3）以典型的兼性海洋红树林内源真菌Fusarium sp.#ZZF51为基质，植酸为功能单体，UO2 2+为模板离子，四乙氧基硅烷(TEOS)为交联剂，采用溶胶-凝胶技术制备成铀(VI)离子印迹聚合物，步骤简单，操作简便。
（4）印迹材料对铀酰离子具有高亲和及高识别能力，自投放后50-70 min即可达到90%以上的去除率。
（5）印迹材料呈颗粒球状，密度相对较小，易于打捞和集中处理。
（6）操作及管理简便、成本低、修复效率高，对环境友好，无二次污染等经济和技术优势。它适用于铀矿山、水冶厂以及各种废矿石和尾矿浸出液等各种铀污染水体的后期处理。
附图说明
图1印迹材料的制备原理图；
图2印迹材料吸附铀酰离子前扫描电镜图；
图3印迹材料吸附铀酰离子后扫描电镜图；
图4非印迹材料扫描电镜图扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
向pH值为5.0含铀(VI)量为40 mg•L-1的50 mL污染水体中投放20 mg真菌印迹材料，室温磁力搅拌60 min（转速150 rpm），过滤，检测水体中铀(VI)的含量，计算得到铀(VI)的去除率及吸附容量分别为95.91%及95.91 mg•g-1。
实施例2：
向pH值为6.0含铀(VI)量为50 mg•L-1的50 mL污染水体中投放20 mg真菌印迹材料，室温磁力搅拌60 min（转速150 rpm），过滤，检测水体中铀(VI)的含量，计算得到铀(VI)的去除率及吸附容量分别为94.28%及117.85 mg•g-1。
实施例3：
向pH值为7.0含铀(VI)量为50 mg•L-1的50 mL污染水体中投放20 mg真菌印迹材料，室温磁力搅拌50 min（转速150 rpm），过滤，检测水体中铀(VI)的含量，计算得到铀(VI)的去除率及吸附容量分别为89.06%及111.33 mg•g-1。
实施例4：
向pH值为7.0含铀(VI)量为60 mg•L-1的50 mL污染水体中投放25 mg真菌印迹材料，室温磁力搅拌50 min（转速150 rpm），过滤，检测水体中铀(VI)的含量，计算得到铀(VI)的去除率及吸附容量分别为95.62%及95.62 mg•g-1。
实施例5：印迹材料(MIP) 及非印迹材料（NIP）对铀酰离子的选择性吸附性能测试
据上述制备方法所得印迹材料(MIP) 及非印迹材料（NIP），准确称量20 mg MIP 和20mg NIP 各3 份，分别加入到含铀(VI)量为50 mg•L-1 pH值为6.0的50 mL水体、含Th()量为50 mg•L-1 pH值为6.0的50 mL水体及含Cu(Ⅱ)量为50 mg•L-1 pH值为6.0的50 mL水体中，室温磁力搅拌60 min（转速150 rpm），过滤，取清液分别检测溶液吸光度，计算MIP 和NIP 的吸附容量，上述每次实验平行三次，最终结果为三组实验的平均值，实验数据见表1，由表可知MIP对铀(VI)的吸附容量117.85 mg g-1远远大于对Th(Ⅳ)及Cu(Ⅱ)的吸附容量（分别为35.95 mg g-1及29.33 mg g-1 ），即MIP对之相对选择性系数分别为3.28及4.02。相比较而言，NIP对铀(Ⅵ)、Th(Ⅳ)及Cu(Ⅱ)这三种重金属离子的吸附容量差别不太明显(分别为65.78 mg g-1、37.58 mg g-1及30.38 mg g-1)，上述情况表明制备的MIP对铀(VI)具有强亲和性及高识别能力。
表1印迹材料MIP与非印迹材料NIP对铀(VI)选择性吸附性能比较

Claims (3)

1.一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的方法，以兼性海洋真菌Fusarium sp.#ZZF51为基质，植酸为功能单体，UO2 2+为模板离子，四乙氧基硅烷为交联剂，其特征在于：采用溶胶-凝胶技术制备成印迹材料，然后将上述所得印迹材料投放于铀污染的水体中，经修复一段时间后，将印迹材料打捞并进行集中处理，铀污染水体中铀的浓度下降90%以上；
所述印迹材料的制备过程为：
（1）真菌发酵培养液经 121 ℃ 、0.1 MPa高温灭菌 15 min后，接菌，25 ℃静置培养22天，待菌丝体成熟后，经纱布过滤、烘干、研磨、100目过筛，置于干燥器中保存备用；
（2）准确称取上述菌粉0.1 g于50 mL的三口烧瓶中，加入10 mL蒸馏水后置于磁力搅拌器上搅拌30 min，转速125 rpm•min-1，使菌粉得到充分溶胀，然后快速加入0.5 mmol的功能单体植酸和0.1 mmol的模板离子UO2 2+，再缓慢滴入22 mL交联剂TEOS与无水乙醇的混合液，体积比为1:10，超声15 min以混合均匀，然后置于集热式磁力搅拌器上于75 ℃水浴搅拌聚合反应3 h，转速维持125 rpm•min-1，室温冷却，静置12 h，过滤，得到粗品；
（3）分别以乙醇和蒸馏水对粗品各洗涤两次后于真空干燥箱内45 ℃干燥至恒重，即得负载铀酰离子印迹聚合物；
（4）将上述印迹聚合物转入索氏提取器以6 mol•L-1的盐酸溶液进行洗脱，直至洗脱液中检测不到模板离子UO2 2+为止，最后用蒸馏水洗去多余的盐酸，洗脱好的印迹聚合物45 ℃真空干燥24 h后出料，即制成印迹材料；
所述印迹材料修复铀污染水体的具体步骤是：
（2.1）按照每升含铀40-60 mg水体中投放0.3-0.5 g印迹材料；
（2.2）铀污染水体的pH值控制在弱酸性5.0-7.0；
（2.3）在投放印迹材料50-70 min后将之打捞上来；
（2.4）将打捞上来的印迹材料转移到安全地方进行干燥、粉碎、焚烧，最后填埋到铀尾矿库集中处理。
2.根据权利要求1所述的一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的方法，其特征在于：为了达到更好的吸附效果，采用振荡或搅拌装置，振速以120-200 rpm为宜。
3.根据权利要求1所述的一种以兼性海洋真菌为基体以植酸为功能单体所制备的印迹材料修复铀污染水体的方法，其特征在于：为了达到更好的吸附效果，修复温度环境以20℃-32 ℃为宜。
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