CN107055810B - 一种具有磁性的生物纳米材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种具有磁性的生物纳米材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有磁性的生物纳米材料及其制备方法与应用，是以酵母属中的酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)为载体，负载有纳米Fe3O4和壳聚糖、环氧氯丙烷的交联产物；酿酒酵母表面包裹海藻酸钙。该方法是：先制备纳米Fe3O4和壳聚糖、环氧氯丙烷的交联产物，再将其与酿酒酵母孢子液、海藻酸钠溶液混合，将混合溶液逐滴滴加到氯化钙溶液中，固定化得到纳米Fe3O4‑酿酒酵母‑海藻酸钙微球，对其进行培养后得到具有磁性的生物材料。本发明的具有磁性的生物材料有Fe3O4的磁性以及酿酒酵母的微生物性能，具有去除效果好、易分离、无污染等优点，可应用于水溶液中阿特拉津的处理。

Description

一种具有磁性的生物纳米材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及环保领域的废水生物处理技术领域，特别涉及一种具有磁性的生物纳米材料的制备方法，还涉及到该生物纳米材料在有机废水处理领域的应用。
背景技术
随着人口的日益增长，人工合成的农药如杀虫剂、除草剂等在农业上的需求越来越多。相关研究表明，农药在粮食增产方面可以发挥很大的作用，如果停止使用农药等化学制品，全世界将会有上亿人面临着饥饿。但是农药的大量使用，由于其在自然环境中难以降解的特点，对土壤和水体环境造成了很大的污染，有一些农药已经被证实对人体有致癌性和干扰内分泌系统的影响。
阿特拉津(2-氯-4-二乙胺基-6-异丙胺基-1，3，5-三嗪)，又称为莠去津，是一种选择性内吸传导型苗前苗后除草剂，广泛应用于甘蔗、玉米、香蕉、小麦和高粱等农作物的种植，可以除去一年生和两年生单子叶和阔叶杂草。阿特拉津难溶于水，在水中溶解度为33mg/L，但在某些特定环境条件下具有高迁移性，残留在土壤中的阿特拉津很容易通过径流作用进入地表水体，也可以通过淋滤作用迁移至土壤深层，污染地下水源。许多研究表明，阿特拉津对水生生物、植物和人类都会产生制毒影响。会影响水生雄性生物的生殖系统；影响某些植物的光合作用，导致植物根系变短，影响地上部分的生长；阿特拉津通过富集作用进入人体后，会干扰人体的内分泌系统，从而对免疫系统和生殖系统产生影响。阿特拉津的污染和危害引起了广泛的关注，近年来，许多国内外学者研究了不少治理阿特拉津污染的技术，主要包括吸附法、生物法和高级氧化法。
酿酒酵母菌的适应能力强，安全可靠，廉价易得，而且由于其生长快，代谢效率高，易培养等特点，从而在食品、环境、医药等领域得到了广泛的关注和应用，而具有磁性的四氧化三铁与酵母菌结合的复合材料弥补了酵母菌难以分离的缺点，增强了其重复利用性和机械强度。有一些专利和文献研究了磁性固定化酵母菌对于印染废水和重金属等的处理，但是对于一些难降解的有机氯农药废水处理上存在一定的空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有磁性的生物纳米材料的制备方法及其在有机氯农药废水处理上的应用，该方法对阿特拉津的去除效果好、易分离、无二次污染等优点。
本发明提供一种具有磁性的生物纳米材料的制备方法及其应用，具体包括以下步骤：
1)制备纳米Fe3O4和壳聚糖(CS)、环氧氯丙烷(ECH)的交联产物：含有0.13mol/L盐酸的氯化铁溶液加入到含有1％的盐酸的壳聚糖溶液中，然后加Na2SO3溶液和氨水，再加入环氧氯丙烷。
2)酵母菌包埋：无菌条件下，纳米Fe3O4-CS-ECH、海藻酸钠溶液、酿酒酵母孢子液混合，将混合溶液滴加到无菌氯化钙溶液中，室温下固定，然后进行培养。
3)阿特拉津去除：反应罐中加入阿特拉津溶液和无碳营养液，再加入上述颗粒，研究其对阿特拉津的去除率。
上述的制备方法，步骤1)中氯化铁溶液、壳聚糖溶液、亚硫酸钠溶液、氨水的浓度分别为0.13mol/L、20g/L、0.1mol/L、12％。
上述的制备方法，步骤1)中的氯化铁溶液、壳聚糖溶液、亚硫酸钠溶液、氨水的体积比为70:50:30:40
上述的制备方法，步骤2)中海藻酸钠溶液、酿酒酵母孢子液、无菌氯化钙溶液浓度分别为60mg/L、2.5×106cfu/ml、50g/L
上述的制备方法，步骤2)中纳米Fe3O4-CS-ECH：海藻酸钠：酿酒酵母的质量体积比为0.15:2:1
上述的制备方法，步骤2)中混合溶液与无菌氯化钙溶液的体积比为1:5
上述的制备方法，步骤3)中阿特拉津溶液的初始浓度为2mg/L，所加无碳营养液与总体积比为1:4，恒温振荡的温度为25摄氏度，转速为150rpm，pH＝7,具有磁性的生物材料的添加量与总体积比为：1:5。
上述应用的，无碳营养液的配方为：3g/L NaNO3、1g/L K2HPO4、0.5g/L KCl、0.5g/LMgSO4·7H2O、0.01g/L FeSO4、10ml/L微量元素；微量元素配方为：：1.5g/L氨三乙酸、5.0g/LMnSO4、0.1g/L CoCl2、0.1g/L ZnSO4·7H2O、0.01g/L CuSO4·5H2O、0.01g/L KAL(SO4)2·12H2O、0.01g/L Na2MoO4·2H2O、0.01g/L H3BO3
本发明的优点是：
本发明采用的纳米Fe3O4与壳聚糖结合能增加表面官能团种类与数量，增加与阿特拉津结合的表面位点，而环氧氯丙烷的交联作用能使纳米Fe3O4与壳聚糖结合得更牢固，进而增加对阿特拉津的去除效果，纳米Fe3O4的磁性也有利于生物材料的重复利用；而经过海藻酸钙包埋后的颗粒，保证了营养元素进入材料内供给酵母菌的生长需要，使酵母菌把阿特拉津作为唯一的碳源而生长，有效降低了阿特拉津的浓度。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为改性纳米Fe3O4-酿酒酵母孢子-海藻酸钙微球的外形图和经过培养后的生物材料的外形图。
具体实施方式
本发明通过以下实施例对技术方案做进一步说明。
实施例1
步骤1)：制备纳米Fe3O4-CS-ECH：取70ml含有0.13mol/L盐酸的0.13mol/L的氯化铁溶液加入到50ml含有1％盐酸的20g/L的壳聚糖溶液中，室温下机械搅拌1h，然后加入30ml0.1mol/L的Na2SO3溶液，当溶液颜色由黄色变为红色再变为黄色后，再快速加入40ml12％的氨水，溶液中马上产生黑色絮状物，然后加入4.4ml的环氧氯丙烷，60度水浴下搅拌3h，超纯水洗涤三次，无水乙醇洗涤三次，60度真空干燥12h。
步骤2)：酵母菌包埋：无菌条件下，0.05g纳米Fe3O4-CS-ECH、2ml 40g/L的海藻酸钠溶液、1ml 2.5×106cfu/ml酿酒酵母孢子液混合，用无菌注射器将混合溶液滴加到15ml50g/L的无菌氯化钙溶液中，室温下固定12h，无菌水洗涤三次，然后转入100mlYPD液体培养基中，150rpm,28度恒温水浴下培养48h,然后用无菌水洗涤三次，滤纸吸干表面水分。
步骤3)：阿特拉津去除：150ml锥形瓶中加入一定量的阿特拉津储备溶液和5ml无碳营养液，再加入无菌水，使混合溶液浓度为2mg/L，再加入上述颗粒4g，用盐酸和氢氧化钠调节溶液的pH为7，分别在0、12、24、36、48、60和72h取样测其浓度，研究其对阿特拉津的去除率。
结果表明，72h后复合材料对阿特拉津的去除率可达到75％左右.
实施例2
步骤1)：制备纳米Fe3O4-CS-ECH：取70ml含有0.13mol/L盐酸的0.13mol/L的氯化铁溶液加入到50ml含有1％盐酸的20g/L的壳聚糖溶液中，室温下机械搅拌1h，然后加入30ml0.1mol/L的Na2SO3溶液，当溶液颜色由黄色变为红色再变为黄色后，再快速加入40ml12％的氨水，溶液中马上产生黑色絮状物，然后加入4.4ml的环氧氯丙烷，60度水浴下搅拌3h，超纯水洗涤三次，无水乙醇洗涤三次，60度真空干燥12h。
步骤2)：酵母菌包埋：无菌条件下，0.15g纳米Fe3O4-CS-ECH、2ml 60g/L的海藻酸钠溶液、1ml 2.5×106cfu/ml酿酒酵母孢子液混合，用无菌注射器将混合溶液滴加到15ml50g/L的无菌氯化钙溶液中，室温下固定12h，无菌水洗涤三次，然后转入100mlYPD液体培养基中，150rpm,28度恒温水浴下培养48h,然后用无菌水洗涤三次，滤纸吸干表面水分。
步骤3)：阿特拉津去除：150ml锥形瓶中加入一定量的阿特拉津储备溶液和5ml无碳营养液，再加入无菌水，使混合溶液浓度为2mg/L，再加入上述颗粒4g，用盐酸和氢氧化钠调节溶液的pH为7，分别在0、12、24、36、48、60和72h取样测其浓度，研究其对阿特拉津的去除率。
结果表明，72h后复合材料对阿特拉津的去除率可达到88％左右。
本发明具有操作简单，易于分离，无二次污染，成本低等优点，并且对有机氯农药废水处理效果好，从一定程度上解决了难降解有机氯农药废水污染问题。
以上是本发明专利优选的实施例，本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，在本发明的实质范围内进行的任何改造、替换方案均在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有磁性的生物材料的制备方法，其特征在于，所述的具有磁性的生物材料是以酿酒酵母为载体，在其上负载纳米Fe3O4-CS-ECH，表面包裹海藻酸钙；制备方法具体包括以下步骤：
（1）制备纳米Fe3O4- CS-ECH：用泵送含有0.13mol/L盐酸的氯化铁溶液到含有1%的盐酸的壳聚糖溶液中，然后加Na2SO3溶液和氨水，再加入环氧氯丙烷；
（2）酵母菌包埋：无菌条件下，纳米Fe3O4- CS-ECH、海藻酸钠溶液、酿酒酵母孢子液混合，将混合溶液滴加到无菌氯化钙溶液中，室温下固定，然后进行培养。
2.一种具有磁性的生物材料的应用，其特征在于，在装有阿特拉津溶液的反应罐中加入无碳营养液，再加入根据权利要求1制备得到的生物材料，研究其对阿特拉津的去除率。
3.根据权利要求1所述的一种具有磁性的生物材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中氯化铁溶液、壳聚糖溶液、亚硫酸钠溶液、氨水的浓度分别为 0.13mol/L、20g/L、0.1mol/L、12%。
4.根据权利要求1所述的一种具有磁性的生物材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的氯化铁溶液、壳聚糖溶液、亚硫酸钠溶液、氨水的体积比为70:50:30:40。
5.根据权利要求1所述的一种具有磁性的生物材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中海藻酸钠溶液、酿酒酵母孢子液、无菌氯化钙溶液浓度分别为60mg/L、2.5×106cfu/mL、50g/L。
6.根据权利要求1所述的一种具有磁性的生物材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中纳米Fe3O4-CS-ECH：海藻酸钠溶液：酿酒酵母孢子液的质量体积比为0.15g:2mL:1mL。
7.根据权利要求1所述的一种具有磁性的生物材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中混合溶液与无菌氯化钙溶液的体积比为1:5。
8.根据权利要求2所述一种具有磁性的生物材料的应用，其特征在于，阿特拉津溶液的初始浓度为2mg/L，所加无碳营养液与总体积比为1:4，恒温振荡的温度为25摄氏度，转速为150rpm，pH=7，具有磁性的生物材料的添加量与总体积比为1:5。
9.根据权利要求2所述的一种具有磁性的生物材料的应用，其特征在于，所述无碳营养液的配方为：3g/L NaNO3、1g/L K2HPO4、0.5g/L KCl、0.5g/L MgSO4·7H2O、0.01g/L FeSO4、10ml/L微量元素；微量元素配方为：1.5g/L氨三乙酸、5.0g/L MnSO4、0.1g/L CoCl2、0.1g/LZnSO4·7H2O、0.01g/L CuSO4·5H2O、0.01g/L KAl(SO4)2·12H2O、0.01g/L Na2MoO4·2H2O、0.01g/L H3BO3。
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