CN106902729B - 一种Zr-La复合金属氧化物、制备及其控制水体富营养化去除磷酸盐的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Zr‑La复合金属氧化物、制备及其控制水体富营养化去除磷酸盐的应用。Zr‑La复合金属氧化物,其特征在于:它为ZrO2和La2O3组成的Zr‑La复合金属氧化物微球,微球表面有许多纳米粒子堆积,并含有羟基基团,具有疏松多孔结构。所述的Zr‑La复合金属氧化物,采用微通道辅助注射法:将含有壳聚糖和锆前驱体和镧前驱体的均匀透明溶液用注射器注射到氢氧化钠溶液中得到壳聚糖/Zr‑La氢氧化物微球然后煅烧制得,其中:锆前驱体以锆含量计,镧前驱体以镧含量计,锆前驱体和镧前驱体中锆的摩尔百分比为10‑60mol%。本发明提供的Zr‑La复合金属氧化物对磷酸盐的去除效率高,去除时间短,循环稳定性好。在控制水体富营养化去除磷酸盐中有很好的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种Zr-La复合金属氧化物、制备及其控制水体富营养化去除磷酸盐的应用,并考察其抑制大肠杆菌生长的应用。
背景技术
磷是地球上储存量有限的一种资源,它是核酸和蛋白质等的重要组成成分,在细胞膜中以磷脂的形式存在,因此是所有生物有机体的必需营养元素。它几乎参与了人体生命活动所有的生理反应,对维持人体正常的生命活动及生理机能有非常重要的意义。由于工业和农业对磷的大量需求,导致湖水、河水中存在高浓度的磷,而水体中过量的磷会引起水体富营养化。这种现象的发生会刺激藻类因获得营养物质而疯狂生长,使水中的含氧量减少导致水中微生物死亡从而破坏生态系统的平衡,以及降低饮用水的质量。此外水体富营养化过程中产生的微囊藻毒素通过食物链进入人体后会诱发人体原发性肝细胞癌。因此对水体中的磷酸盐进行去除与回收对于治理水污染及社会的可持续发展有着深远的意义。
目前,人们已研发了大量的方法用于水体中磷酸盐的去除,用于去除水体中磷酸盐的方法有化学沉淀法、生物处理法、吸附法等。由于化学沉淀法会产生大量的沉淀需要进行后续处理,使得吸附过程的成本增高,且会产生二次污染等,一般用的较少。生物处理法虽然在工业上仍有应用,其所耗费的成本低,但其吸附效果不是太好。而吸附法因其简单易行、成本低,而且去除量大、吸附快等优势被广泛应用于水体中磷酸盐的去除。迄今为止,已有各种各样的吸附剂用于水体中磷酸盐的吸附去除研究,如氢氧化镁或氧化镁修饰的硅藻土、红泥、水铁矿、生物炭、各种金属的氧化物和氢氧化物等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Zr-La复合金属氧化物、制备及其控制水体富营养化去除磷酸盐的应用。本发明提供的Zr-La复合金属氧化物磷酸盐的去除效率高,去除时间短,循环稳定性好。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
Zr-La复合金属氧化物,为ZrO2和La2O3组成的Zr-La复合金属氧化物微球,微球表面有许多纳米粒子堆积,并含有羟基基团,具有疏松多孔结构。
按上述方案,所述的Zr-La复合金属氧化物采用微通道辅助注射法:将含有壳聚糖和锆前驱体和镧前驱体的均匀透明溶液用注射器注射到氢氧化钠溶液中得到壳聚糖/Zr-La氢氧化物微球然后煅烧制得,其中:锆前驱体以锆含量计,镧前驱体以镧含量计,锆前驱体和镧前驱体中锆的摩尔百分比为10-60mol%。
按上述方案,所述Zr在Zr-La复合金属氧化物中的摩尔分数优选为10%-40%。
上述Zr-La复合金属氧化物的制备方法,具体步骤为:
(1)将壳聚糖粉末在剧烈搅拌的条件下加入到氧氯化锆和硝酸镧的混合水溶液中,然后向混合溶液中加入冰醋酸,使壳聚糖充分溶解,然后将上述溶液密封后搅拌至得到均匀透明的溶液;
(2)用注射器将上述均匀透明的前驱体溶液逐滴滴入到氢氧化钠溶液中,得到白色的小球;
(3)密封放置陈化一段时间,弃去上层的NaOH溶液,用蒸馏水反复洗涤所得到的白色小球至表面不再有NaOH,然后干燥;
(4)最后将干燥后的固体在600℃的马弗炉中煅烧,所得到的产品即为Zr-La复合金属氧化物;
按上述方案,所述氧氯化锆以锆含量计,硝酸镧以镧含量计,氧氯化锆和硝酸镧总量中氧氯化锆的摩尔百分比为10-60mol%。
按上述方案,所述步骤(1)中氧氯化锆和硝酸镧的总量和壳聚糖的用量的质量比为1:10;冰醋酸的浓度为3wt%。
按上述方案,所述步骤(3)中氢氧化钠溶液的浓度为3mol/L,陈化时间为10h。
按上述方案,所述步骤(3)的干燥为在60℃的干燥箱中干燥24小时;
按上述方案,步骤(4)的升温速率为10℃/min;步骤(4)的煅烧时间为6h。
利用上述制得的Zr-La复合金属氧化物去除磷酸盐的方法,具体步骤为:将Zr-La复合金属氧化物加入到待处理的磷酸盐体系中,密封,振荡,除去磷酸盐。
按上述方案,所述待处理的磷酸盐体系为酸性或中性体系。
按上述方案,所述Zr-La复合金属氧化物的用量为0.5-2.0g/L。
按上述方案,使用后,将吸附有磷酸盐的Zr-La复合金属氧化物加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液,振荡,用氢氧化钠进行解吸,解吸完后将Zr-La复合金属氧化物与解吸液分离,用蒸馏水反复洗涤至没有氢氧化钠后干燥,即可重复使用。
按上述方案,上述经Zr-La复合金属氧化物吸附处理后的磷酸盐溶液在抑制大肠杆菌的生长中的应用,具体为:将Zr-La复合金属氧化物用于磷酸盐溶液的吸附去除,经Zr-La复合金属氧化物处理后的磷酸盐溶液可抑制大肠杆菌的生长。
二氧化锆微球或三氧化二镧用于磷酸盐的去除,吸附效果并不是很理想,本发明提供的Zr-La复合金属氧化物表面因原子中含有空轨道因而可以提供配位位点与磷酸盐中的电子结合,且其表面的-OH可以与水体中的磷酸盐发生交换,由此基于Zr和La的协同作用,实现对水体中磷酸盐的去除。
本发明的效果和优点:
1.本发明方法在2小时就能达到吸附平衡,对磷酸盐的去除率达97%以上,最大吸附量达98.8mg P/g,循环稳定性好,在5次吸附-解吸循环后对磷酸盐的去除率仍有92%左右。在抗菌实验中,被吸附剂预处理后的磷酸盐与大肠杆菌混合后,大肠杆菌的生长明显受到抑制。
2.吸附剂的合成过程条件温和且简单易操作,吸附过程也易于操作、经济、去除效率高,本发明利用微通道辅助注射结合高温煅烧的方法合成的Zr-La复合金属氧化物,表面疏松,具有多孔结构,非常有利于磷酸盐的吸附。合成条件温和,合成方法简单易行,合成的Zr-La复合金属氧化物对磷酸盐的去除量大、吸附快且可循环利用,在治理磷酸盐含量过高造成的环境问题中具有较大的应用潜力,同时具有明显的抑制大肠杆菌生长的功效。在磷酸盐的去除与回收中有很好的应用潜力。
以下通过附图和实例进一步对本发明进行说明。
附图说明
图1是不同Zr含量的Zr-La复合金属氧化物去除磷酸盐的效果图。
图2是Zr摩尔分数为20%的Zr-La复合金属氧化物微球(记作Zr-20%)的扫描电镜图。
图3是Zr-20%的N2吸附-解吸等温线,内插图为其孔径分布图。
图4是用本发明中的制备方法制得的ZrO2、La2O3和Zr-20%的XRD表征。(a)为La2O3的XRD图,图(b)是ZrO2的XRD图,图(c)Zr-La二元氧化物的XRD图。
图5是吸附磷酸盐前后的Zr-20%的红外图。(b)图为(a)图虚线框的放大图。
图6是溶液的初始pH对磷酸盐吸附的影响。
图7是接触时间对磷酸盐吸附的影响图。
图8是Langmuir(a)和Freundlich(b)两种吸附模式对磷酸盐在Zr-20%复合物微球上吸附的拟合曲线。
图8中通过对比线性相关系数可以发现Langmuir吸附模式能更好地描述磷酸盐在Zr-20%复合物微球上的吸附行为,这说明吸附过程为单层吸附。通过拟合方程计算得到的最大吸附量为98.8mg P/g。
图9是吸附-解吸循环次数对磷酸盐吸附的影响。
图9中在第一次吸附时,磷酸盐的去除率达97.15%,将吸附有磷酸盐的Zr-20%微球用0.5mol/L的氢氧化钠溶液进行解吸,振荡时间为6小时。解吸完后将吸附剂与解吸液分离,用蒸馏水反复洗涤至没有氢氧化钠后干燥。将干燥后的固体用于下一个吸附-解吸循环,如此进行5次。随着吸附-解吸循环次数的增加,去除率逐渐减小,可能是由于NaOH溶液对磷酸盐的解吸不完全造成的。然而在5次循环以后,磷酸盐的去除率依旧有91.98%,说明所制得的吸附剂再生性能良好,可以多次利用。
图10是大肠杆菌在A1(未加吸附剂处理)、A2(加入吸附剂预处理)两种磷酸盐溶液中的生长情况图。图10中A1,1-A1,2-A1分别为大肠杆菌在A1(未加吸附剂处理)磷酸盐溶液中的初始情况,生长一天以及两天后的大肠杆菌生长情况。A2,1-A2,2-A2分别为大肠杆菌在A2(加吸附剂处理)磷酸盐溶液中的初始情况,生长一天以及两天后的大肠杆菌生长情况。从图中可以发现生长一天后,两组溶液中生长的大肠杆菌数量均有减少,这可能是由于大肠杆菌的生长介质发生改变造成的。在经过两天的培养后,A1组大肠杆菌的数量出现了增加,而A2组的大肠杆菌数量继续减少,这是由于磷酸盐的浓度过低使得大肠杆菌因营养物质不足而生长受到抑制。
具体实施方式
本发明利用微通道辅助注射结合煅烧的方法合成了Zr-La复合氧化物用于磷酸盐的去除。
实施例1Zr含量20%的Zr-La复合金属氧化物微球的制备
具体实验步骤依次如下:
1)、准确称取0.0471g ZrOCl2·8H2O和0.2529g LaNO3·6H2O,加入到装有97mL蒸馏水的大烧杯中,再称取3.0000g壳聚糖粉末在剧烈搅拌的条件下慢慢加入到上述溶液中,用移液枪向上述混合溶液中加入3mL冰醋酸,然后用封口膜将上述溶液密封,在室温下用磁力搅拌器持续搅拌24小时,得到均匀透明的溶液;
2)、将适量的预先配好的3mol/L的NaOH溶液倒入培养皿中,用2mL的注射器吸取步骤1)中的均匀透明的前驱体溶液,逐滴滴入到NaOH溶液中,得到白色的小球;
3)、将培养皿密封放置10小时后,弃去培养皿中的NaOH溶液,用蒸馏水反复洗涤所得到的白色小球至表面不再有NaOH,然后在60℃的干燥箱中干燥24小时;
4)、最后将干燥后的固体在600℃的马弗炉中煅烧6小时,升温速率为10℃/min,所得到的产品即为Zr含量为20%的Zr-La复合金属氧化物;
图2是Zr摩尔分数为20%的Zr-La复合金属氧化物微球(记作Zr-20%)的扫描电镜图,由图中可看出:其为微球结构,微球的表面由许多纳米粒子堆叠在一起组成的,其表面非常疏松,并可以发现存在很多小孔,这些特征有利于磷酸盐的吸附。
图3是Zr-20%的N2吸附-解吸等温线,内插图为其孔径分布图。
图3中等温线可被分为第IV类型,而迟滞环则可被分为H3型,这说明了Zr-20%复合物微球中有介孔存在,计算其比表面积为116m2/g。内插图为Zr-20%复合物微球的孔径分布图,可以发现孔径分布不均匀,孔径范围是1-23nm。因此复合物中的孔主要是以介孔的形式存在。
图4是用本发明中的制备方法制得的ZrO2、La2O3和Zr-20%的XRD表征。
图4中图(a)衍射峰在2θ=26.4°、29.4°、39.8°、44.1°、52.2°处的峰为La2O3的特征峰,与标准图谱JCPDS NO.83-1345基本一致。图(b)表示的是ZrO2,其特征峰在2θ=30.4°、35.1°、50.6°和60.1°,分别对应ZrO2的(111)、(200)、(220)和(311)晶面(JCPDS NO.49-1642)。在图(c)中,La2O3和ZrO2的一些特征峰仍然保留着,说明我们所制得的是Zr-La二元氧化物。
图5是吸附磷酸盐前后的Zr-20%的红外图。
图5中(b)图为(a)图虚线框的放大图。中心位置大约在3433cm-1的强而宽的吸收带归属于物理吸附在吸附剂表面的水分子中的-OH伸缩振动峰;位于1636cm-1的弱峰属于吸附的水分子中-OH的弯曲振动吸收峰;峰位置在1384cm-1的峰为金属氧化物表面的-OH弯曲振动。当吸附磷酸盐后,1384cm-1处的峰峰强明显变弱,可能是-OH被磷酸盐取代了。而且,在1013和1028cm-1处出现了两个新的吸收峰,属于PO4 3-中P-O的反对称伸缩振动峰,这证实了吸附剂表面的OH被磷酸盐取代了。M–O和M–OH的伸缩和弯曲振动峰位于900-400cm-1。
去除磷酸盐的实验:
(5)配50mg P/L(以P的浓度计)的KH2PO4溶液,取50mL的该浓度的KH2PO4溶液于锥形瓶中,称取步骤4)中得到的Zr-La复合金属氧化物0.05g加入到锥形瓶中,密封,在150r/min的条件下振荡;
(6)按一定的时间间隔从步骤(5)溶液中取样,用0.45μm的尼龙针筒过滤器过滤,将滤液稀释至25mL后用硝酸-高氯酸法消解,用抗坏血酸紫外可见分光光度法测量磷酸盐的浓度;
大肠杆菌抑制实验:
(7)参考步骤(5),用0.05gZr-La复合金属氧化物吸附50mL的2mg P/L的KH2PO4溶液6小时,经灭菌后与大肠杆菌混合培养,以未加吸附剂预处理的2mg P/L的KH2PO4溶液为空白对照组与等浓度的大肠杆菌混合培养。
实施例2-5不同Zr含量(10%,40%,60%,80%)的Zr-La复合金属氧化物
参考上述方法制备不同Zr含量(10%,40%,60%,80%)的Zr-La复合金属氧化物。将实施例1-5制备的不同Zr含量(10%,40%,60%,80%)的Zr-La复合金属氧化物进行磷酸盐的去除,并考察其准二级动力学,图1中图1(a)是不同含量的Zr-La复合金属氧化物去除磷酸盐的效果图,图1(b)是是准二级动力学方程对上述六种吸附剂的吸附数据进行拟合得到的结果,准二级动力学拟合的相关参数结果见表1。
表1准二级动力学拟合的相关参数
由以上图表中可看出:Zr-La比对其磷酸盐吸附去除效果存在直接影响,一定比例的Zr-La复合金属氧化物才能基于Zr-La的协同作用发挥出好的磷酸盐吸附脱除效果。Zr含量10-60%特别是10%-40%的Zr-La复合金属氧化物的磷酸盐去除效果显著优于ZrO2或La2O3的效果。且其达到吸附平衡的时间也优于单独的ZrO2或La2O3,本发明的吸附剂对磷酸盐的吸附均在4小时内达平衡,其中Zr-20%(Zr在两种金属组分混合物中的摩尔分数为20%的Zr-La,其余含量的材料依次类推)这种复合金属氧化物对磷酸盐的吸附量最大,并且在2小时就达到了平衡。且Zr-20%微球的速率常数最大,比单独的ZrO2和La2O3高出一个数量级。
图3是Zr-20%的N2吸附-解吸等温线,内插图为其孔径分布图。
图3中等温线可被分为第IV类型,而迟滞环则可被分为H3型,这说明了Zr-20%复合物微球中有介孔存在,计算其比表面积为116m2/g。内插图为Zr-20%复合物微球的孔径分布图,可以发现孔径分布不均匀,孔径范围是1-23nm。因此复合物中主要是以介孔的形式存在。
图4是用本发明中的制备方法制得的ZrO2、La2O3和Zr-20%的XRD表征。
图4中图(a)衍射峰在2θ=26.4°、29.4°、39.8°、44.1°、52.2°处的峰为La2O3的特征峰,与标准图谱JCPDS NO.83-1345基本一致。图(b)表示的是ZrO2,其特征峰在2θ=30.4°、35.1°、50.6°和60.1°,分别对应ZrO2的(111)、(200)、(220)和(311)晶面(JCPDS NO.49-1642)。在图(c)中,La2O3和ZrO2的一些特征峰仍然保留着,说明我们所制得的是Zr-La二元氧化物。
图5是吸附磷酸盐前后的Zr-20%的红外图。
图5中(b)图为(a)图虚线框的放大图。中心位置大约在3433cm-1的强而宽的吸收带归属于物理吸附在吸附剂表面的水分子中的-OH伸缩振动峰;位于1636cm-1的弱峰属于吸附的水分子中-OH的弯曲振动吸收峰;峰位置在1384cm-1的峰为金属氧化物表面的-OH弯曲振动。
当吸附磷酸盐后,1384cm-1处的峰峰强明显变弱,可能是-OH被磷酸盐取代了。而且,在1013和1028cm-1处出现了两个新的吸收峰,属于PO4 3-中P-O的反对称伸缩振动峰,这证实了吸附剂表面的-OH被磷酸盐取代了。M–O和M–OH的伸缩和弯曲振动峰位于900-400cm-1。
图6是溶液的初始pH对磷酸盐吸附的影响图。
图6中磷酸盐在Zr-20%这种复合物上的吸附随溶液初始pH的增加呈现一个先增加后减小的趋势,在pH=5.5时达到最大。这种现象与吸附剂表面的电荷和吸附质在溶液中的存在形式有关。测量了Zr-20%这种复合物在不同pH下的zeta电位,发现这种吸附剂的等电点在pH=5.35。而磷酸的解离方程如下:
其中,pK1=2.15,pK2=7.20,pK3=12.33。在pH为3.00-5.35之间时,吸附剂表面带正电,与H2PO4 -静电吸引;在pH大于5.35时吸附剂表面带负电,与带负电荷的磷酸盐物种静电排斥,使得磷酸盐的吸附量下降。此外随着pH的增加溶液中的OH-增多,会与磷酸盐竞争吸附位点进一步使得磷酸盐的吸附量下降。
图7表示的是接触时间对磷酸盐吸附的影响,
磷酸盐在Zr-20%这种复合物上的吸附在前60分钟吸附较快,之后逐渐变慢最终在120分钟达到平衡。吸附速率减慢可能是由于随着吸附过程的进行,吸附剂表面的吸附位点逐渐减少造成的。
图8是Langmuir(a)和Freundlich(b)两种吸附模式对磷酸盐在Zr-20%复合物微球上吸附的拟合曲线,
图8中通过对比线性相关系数可以发现Langmuir吸附模式能更好地描述磷酸盐在Zr-20%复合物微球上的吸附行为,这说明吸附过程为单层吸附。通过拟合方程计算得到的最大吸附量为98.8mg P/g。
图9是吸附-解吸循环次数对磷酸盐吸附的影响。
图9中在第一次吸附时,磷酸盐的去除率达97.15%,将吸附有磷酸盐的Zr-20%微球用0.5mol/L的氢氧化钠溶液进行解吸,振荡时间为6小时。解吸完后将吸附剂与解吸液分离,用蒸馏水反复洗涤至没有氢氧化钠后干燥。将干燥后的固体用于下一个吸附-解吸循环,如此进行5次。随着吸附-解吸循环次数的增加,去除率逐渐减小,可能是由于NaOH溶液对磷酸盐的解吸不完全造成的。然而在5次循环以后,磷酸盐的去除率依旧有91.98%,说明所制得的吸附剂再生性能良好,可以多次利用。
图10是大肠杆菌在A1(未加吸附剂处理)、A2(加入吸附剂预处理)两种磷酸盐溶液中的生长情况图。从图中可以发现生长一天后,两组溶液中生长的大肠杆菌数量均有减少,这可能是由于大肠杆菌的生长介质发生改变造成的。在经过两天的培养后,A1组大肠杆菌的数量出现了增加,而A2组的大肠杆菌数量继续减少,这说明本发明的吸附剂具有良好的磷酸盐吸附去除效果,且由于磷酸盐的浓度过低使得大肠杆菌因营养物质不足而生长受到抑制。
综上,本发明的Zr-La复合金属氧化物作吸附剂,用于吸附去除磷酸盐,最快在2小时就能达到吸附平衡,对磷酸盐的去除率达97%以上。吸附为单层吸附,吸附剂具有良好的再生性能。吸附剂的合成路线条件温和且操作简单,吸附过程也易于操作、经济、去除效率高,在磷酸盐的去除与回收中有很好的应用潜力。
Claims (9)
1.Zr-La复合金属氧化物,其特征在于:它为ZrO2和La2O3组成的Zr-La复合金属氧化物微球,微球表面有许多纳米粒子堆积,并含有羟基基团,具有疏松多孔结构,所述Zr在Zr-La复合金属氧化物中的摩尔分数为10%-40 mol %。
2.根据权利要求1所述的Zr-La复合金属氧化物,其特征在于:所述的Zr-La复合金属氧化物,采用微通道辅助注射法:将含有壳聚糖和锆前驱体和镧前驱体的均匀透明溶液用注射器注射到氢氧化钠溶液中得到壳聚糖/Zr-La氢氧化物微球然后煅烧制得,其中:锆前驱体以锆含量计,镧前驱体以镧含量计,锆前驱体和镧前驱体中锆的摩尔百分比为10-60mol%。
3.权利要求1所述的Zr-La复合金属氧化物的制备方法,其特征在于:具体步骤为:
(1)将壳聚糖粉末在剧烈搅拌的条件下加入到氧氯化锆和硝酸镧的混合水溶液中,然后向混合溶液中加入冰醋酸,使壳聚糖充分溶解,然后将上述溶液密封后搅拌至得到均匀透明的溶液;
(2)用注射器将上述均匀透明的前驱体溶液逐滴滴入到氢氧化钠溶液中,得到白色的小球;
(3)密封放置陈化一段时间,弃去上层的NaOH溶液,用蒸馏水反复洗涤所得到的白色小球至表面不再有NaOH,然后干燥;
(4)最后将干燥后的固体在600℃的马弗炉中煅烧,所得到的产品即为Zr-La复合金属氧化物。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中氧氯化锆和硝酸镧的总量和壳聚糖的用量的质量比为1:10,冰醋酸的浓度为3wt%。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中氢氧化钠溶液的浓度为3mol/L,步骤(3)中陈化时间为10h;步骤(4)的煅烧时间为6h。
6.利用权利要求1所述的Zr-La复合金属氧化物去除磷酸盐的方法,具体步骤为:将权利要求1所述的Zr-La复合金属氧化物加入到待处理的磷酸盐体系中,密封,振荡,除去磷酸盐。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所述待处理的磷酸盐体系为酸性或中性体系;所述Zr-La复合金属氧化物的用量为0.5-2.0g/L。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:使用后,将吸附有磷酸盐的Zr-La复合金属氧化物加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液,振荡,用氢氧化钠进行解吸,解吸完后将Zr-La复合金属氧化物与解吸液分离,用蒸馏水反复洗涤至没有氢氧化钠后干燥,即可重复使用。
9.权利要求1所述的Zr-La复合金属氧化物在抑制大肠杆菌的生长中的应用,其特征在于:将权利要求1所述的Zr-La复合金属氧化物用于磷酸盐溶液的吸附去除,经Zr-La复合金属氧化物处理后的磷酸盐溶液可抑制大肠杆菌的生长。
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