CN107227260B - 一种吸附铊离子的生物吸附剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，公开一种生物吸附剂，其至少含有耐铊真菌菌株FP‑JCCW或是所述菌株FP‑JCCW的处理品，所述菌株FP‑JCCW于2017年05月09日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC M 2017249。所述菌株FP‑JCCW的处理品的制备方法为：用去离子水洗涤收集的所述菌株FP‑JCCW的菌丝体，自然晾干后，置于烘箱中烘至恒重，冷却后将所述菌丝体研磨成细粉，筛分，备用。本发明还公开了所述生物吸附剂在吸附水体中铊的应用。由菌株FP‑JCCW制备的生物吸附剂对水体中铊具有较强的吸附能力，可用于水体铊污染的修复治理。本发明所述生物吸附剂可作为有待开发的环境功能材料。

Description

一种吸附铊离子的生物吸附剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及生物法处理污水，具体涉及一种耐铊真菌菌株，由该菌株制备的生物吸附剂，以及其在铊污染生物修复工程中的应用。
背景技术
近年来，重金属的污染日益加重，铊(Tl)作为一种有毒有害重金属，其对生态环境的影响日益彰显。铊在自然界土壤中分布不均匀，但是由于人类的工业活动和开采矿山作业，造成了铊的富集过程中含铊废水进入自然界，铊对人类生活、生产及自然环境都造成了极大的危害。
水体铊污染对生态环境和人民群众健康已经产生影响。含铊废水流经到自然环境中，由于水体动物无法将将其降解便经过食物链不断的在体内积累，一旦超过生物体承受的限度，会造成一系列严重的生态健康问题。根据铊的摄入量不同，铊可造成人体的急性铊中毒和慢性铊中毒。急性铊中毒的主要症状为脱发和神经系统症状、并造成肝、肾、心脏等器官的严重损伤。慢性铊中毒会造成神经系统损害、毛发脱落、视力下降，并可能导致畸形和突变性。据研究，人食用含铊量超过0.3×10-6(μg/ml)的植物可引发人体慢性铊中毒。此外，铊污染的水体或土壤，还会导致农作物减产。因此，铊污染的防治和治理已经成为当下迫切需要解决的问题。
目前，去除水体中铊的常用方法有物理与化学去除法。利用物理作用，使水体中的悬浮的污染物分离，而且在处理过程中物质的化学性质不发生改变，此方法则是物理方式。物理法主要分为蒸发浓缩法、晶析法、膜分离法。将化学药剂投加到含铊废水中，废水中的污染物通过化学反应将其改变成无毒无害的物质，使其易于从废水中分离的处理工艺属于化学法。化学法除铊主要包括化学沉淀法和氧化还原法。这些物理化学方法虽然能在某种程度上能去除一定量的重金属，但普遍有成本高、处理效果不够理想，甚至造成二次污染等问题。
生物吸附是利用微生物从水体中富集、分离重金属离子方法。凡具有从水体中富集重金属能力的生物及其衍生物均称为生物吸附剂。生物法处理环境中的重金属污染，主要是利用微生物的生长活动过程来完成的。许多生物质是可以用作生物剂吸附材料的，如藻类、酵母、真菌、细菌等。生物法处理环境中的重金属污染主要是通过吸收、络合可以将重金属沉淀成污泥，再经固液分离，使含重金属的废水达到排放标准。随着现代生物工程学科的迅速发展，使用生物法处理废水具较好的前景。生物吸附法克服了传统物理化学方法的不足，并在回收珍贵稀有金属方面显示了巨大的应用潜力，逐渐成为近年来研究及应用的热点。
微生物修复方法，作为生物法处理废水的一种，是利用微生物吸附富集重金属，具有高效、经济、环保等特点，是重金属污染治理中最具前景的修复方法。因此，从自然界中分离耐铊菌株，并将其作为生物剂吸附材料，用于铊污染生物修复工程具有重要的现实意义。
发明内容
本发明从矿区附近植物中分离耐铊真菌，并用这些真菌在实验室条件下研究其吸附铊的影响因素、并对其吸附特性和机理进行了初步分析。基于此，本发明筛选出了一种耐铊真菌菌株，经预处理获得真菌环境功能材料，并以其制备生物吸附剂，对其吸附重金属镍铊的效应进行探讨，揭示该生物吸附剂对铊的吸附特性及其机制，为铊污染生物修复工程的实际应用提供了理论依据，为耐铊真菌生物吸附剂作为环境功能材料的开发利用奠定了良好的基础。
本发明提供一种吸附铊离子的生物吸附剂，其至少含有耐铊真菌菌株FP-JCCW或是所述菌株FP-JCCW的处理品。菌株FP-JCCW是发明人从广东韶关大宝山矿场采集的植物中筛选、分离纯化得到一株对铊具有较强抗性的真菌。
菌株FP-JCCW是一种新菌株，其保藏信息为：
名称：Arthrinium pseudospegazzinii FP-JCCW，以下简称为FP-JCCW；
保藏编号：CCTCC NO：M 2017249；
保藏单位：中国典型培养物保藏中心(CCTCC)；
保藏地址：中国武汉市武汉大学，邮编430072；
保藏时间：2017年05月09日。
进一步地，所述菌株FP-JCCW属于假单胞菌，与Arthrinium pseudospegazzinii隶属同一分支，在GenBank数据库中的基因序列登录号为KX349439。
另一方面，本发明给出一种吸附铊离子的生物吸附剂的制备方法，所述生物吸附剂含有所述菌株FP-JCCW的处理品，所述处理品的制备方法为：收集所述菌株FP-JCCW；干燥所述菌株FP-JCCW；将干燥后的菌株FP-JCCW研磨成细粉。
所述菌株FP-JCCW的处理品的制备方法进一步优选为：用去离子水洗涤收集的所述菌株FP-JCCW的菌丝体，自然晾干后，置于烘箱中烘至恒重，冷却后将所述菌丝体研磨成细粉，筛分，备用。
作为本发明技术方案的优选实施方式之一，所述菌丝体在烘箱中的烘干温度设置为60℃。
此外，本发明还给出了所述的生物吸附剂在铊污染生物修复中的应用。
作为所述应用的优选条件之一，所述的生物吸附剂用于吸附水体中的铊。
作为所述应用的优选条件之一，所述的生物吸附剂吸附铊的水体pH范围为5.0～8.0。
本发明所述生物吸附剂至少具有下述的有益效果或优点：
本发明所述生物吸附剂，其至少含有耐铊真菌菌株FP-JCCW或是所述菌株FP-JCCW的处理品。发明人在广东韶关大宝山矿场采集的植物中筛选、分离纯化得到一株对铊具有较强抗性的真菌(编号：FP-JCCW)。对分离得到的抗铊较强的FP-JCCW菌株，进行ITS基因序列分析，鉴定为该菌株分属于假单胞菌，与Arthrinium pseudospegazzinii隶属同一分支，命名为pseudomonas sp.(登录号KX349439)。通过对Tl+吸附的影响因素和初步吸附机理研究得出，FP-JCCW菌株吸附Tl的效果受条件影响大，环境条件合适时能有显著的吸附效果。
本发明优化了菌株FP-JCCW对Tl的吸附条件，在pH为7、接触时间为90min、Tl初始浓度为80mg/L、生物量为1g/L、摇床转速为90r/min、温度为25℃时进行Tl的吸附将会有最大吸附率和最大吸附量。红外光谱和能谱分析表明：FP-JCCW菌株吸附Tl主要是细胞表面吸附，Tl+与细胞表面的官能团反应结合，完成吸附过程，羟基和醛基在吸附时起主要贡献作用。
耐铊真菌菌株FP-JCCW或是所述菌株FP-JCCW的处理品可以作为真菌生物剂吸附材料，并应用在铊污染生物修复。
附图说明
图1是菌株FP-JCCW与相关16S rDNA序列的系统发育树。
图2是pH对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响曲线。
图3是接触时间对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响曲线。
图4是初始浓度对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响曲线。
图5是生物量对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响曲线。
图6是摇床转速对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响曲线。
图7是温度对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响曲线。
图8是菌株FP-JCCW吸附Tl前后的红外光谱图。
图9是菌株FP-JCCW吸附Tl前的EDS分析谱图。
图10是菌株FP-JCCW吸附Tl前的SEM谱图。
图11是菌株FP-JCCW吸附Tl后的EDS分析谱图。
图12是菌株FP-JCCW吸附Tl后的SEM谱图。
图13是菌株FP-JCCW吸附Tl前后的XRD图谱
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明做进一步详细阐述。
实施例1：菌株FP-JCCW的分离和鉴定
(1)菌株FP-JCCW的分离纯化
菌株FP-JCCW是从广东韶关大宝山矿区的植物中分离筛选得到。分离菌株FP-JCCW的培养基选用察氏培养基。
所述察氏培养基的成分为：NaNO3 3g、K2HPO4·3H2O 1g、MgSO4·7H2O 0.5g、KCl0.5g、FeSO4·7H2O 0.01g、蔗糖30g、琼脂20g、蒸馏水1000mL。这种察氏培养基的配制过程可参考现有技术，在此不作详述。
将新鲜培养至对数期的菌株FP-JCCW制成孢子悬浮液，取1mL孢子悬浮液涂布到一定浓度含铊的培养基中，置于28℃恒温培养箱中培养48h，观察是否有菌落长出，如有菌落生长，则再吸取1mL孢子悬浮液接种到更高铊浓度的新鲜培养基中，继续培养，观察菌落生长情况。
准确吸取1mL水样加入到装有99mL无菌水的三角瓶中，即成浓度为0.1mg/L的水样稀释液，另用1mL无菌吸管吸取上述水样稀释液1mL移入到装有9mL的无菌试管中，充分摇匀，让菌液浓度为0.01mg/L的稀释液，依次类推，采取逐步稀释法获得1×10-2，1×10-3和1×10-4三个稀释浓度。然后将溶化好的培养基倒入平板并冷却到45-50℃，轻轻转动平板，使菌液与培养基混合均匀，冷凝后倒置于28℃的恒温培养箱中培养，并观察菌落的生长情况。
(2)菌株FP-JCCW的鉴定
16S rDNA基因PCR扩增引物为：ITS1(5‘-GCGGATCCGGTGAAGCCTA-3’)和ITS4(5‘-TCCGATGGACTCCAGGCATC-3’)。
扩增程序为：95℃预变性120s，95℃变性30s，55℃退火60s，72℃延伸60s，进行34个循环，72℃延伸5min。
基因扩增产物纯化后经上海生工测序，将所得序列与Genbank中已有的ITS序列进行BLAST对比分析，用MEGA5.2进行多重序列比对，采用Kimura-2模型建NJ(Neighbor-joining)系统进化树。
通过对该菌株的ITS基因序列进行PCR扩增，将菌株的基因序列与NCBI数据库中的相关菌株基因序列进行BLAST比对。结果如图1所示，菌株FP-JCCW与Arthriniumpseudospegazzinii隶属同一分支，因而将菌株FP-JCCW命名为Arthriniumpseudospegazzinii FP-JCCW。用Mega软件绘制系统发育树，序列已提交GenBank数据库，菌株基因序列登录号为KX349439。
实施例2：生物吸附剂的制备及其对铊的吸附性能
(1)生物吸附剂的制备
用8层纱布过滤收集培养好的菌株FP-JCCW，把收集的菌丝体用去离子水洗涤3次，自然晾干，置于60℃烘箱中烘至恒重，冷却后将菌体研磨成细粉，筛分，备用。
(2)吸附试验方法
取50ml不同浓度的Tl溶液于100ml锥形瓶中，用0.1mol/L HNO3或NaOH将Tl+溶液的pH值调至一系列值(3～9)，Tl+初始浓度变量分别为20～100mg/L，接触时间变量为10～120min，摇床转速变量分别为30～180r/min，温度变量分别为20～40℃，菌株生物量变量分别为加入0.5～5g/L，每种变量设一组实验，每组试验设3次重复，分别测试菌株粉末在各种不同环境条件下的吸附率和吸附量。
(3)pH值对铊吸附的影响
图2给出了pH对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响。从图2可以看出，在接触时间为60min、Tl初始浓度为20mg/L、生物量为2g/L、摇床转速为150r/min、室温(25℃)下，pH对菌株FP-JCCW吸附Tl有比较大的影响，在偏酸或偏碱的环境，吸附率和吸附量都会下降。其原因可能是，在偏酸环境中存在过多的H3O+与Tl+在细胞表面的带负电的官能团竞争结合，使吸附率降低；在偏碱环境中，Tl+又与OH-结合形成沉淀无法再与细胞表面带负电的官能团结合，致使吸附率降低。在pH为7的时候，菌株FP-JCCW的吸附率和吸附量都为最高，分别达到了32.35％和3.23mg/g。
(4)接触时间对铊吸附的影响
图3给出了接触时间对菌株FP-JCCW吸附Tl的影响。从图3可以看出，菌体与Tl溶液的接触时间对吸附率和吸附量也有影响。在pH为3、初始浓度为20mg/L、生物量为2g/L、摇床转速为150r/min、室温(25℃)下，随着接触时间的增加，吸附率和吸附量也不断增长，达到90min后，增长变缓，达到吸附平衡，吸附率在21％左右。菌体细胞表面的吸附官能团吸附Tl+达到饱和平衡，此后吸附率和吸附量增长非常缓慢，几乎停滞。
(5)初始浓度对铊吸附的影响
菌株FP-JCCW在pH为3、生物量为2g/L、摇床转速为150r/min、接触时间为60min、室温(25℃)的条件下，Tl初始浓度对菌株吸附Tl的影响参见图4。菌株FP-JCCW的吸附率和吸附量在20mg/L～80mg/L的Tl浓度下不断增长；超过80mg/L后，吸附率和吸附量下降。其原因可能是，低浓度下Tl+与菌株表面细胞接触不够充分；达到100mg/L后，过高的剧毒金属离子对细胞造成了破坏，影响细胞吸附。
(6)生物量对铊吸附的影响
菌株FP-JCCW在pH为3、Tl初始浓度为20mg/L、摇床转速为150r/min、接触时间为60min、室温(25℃)的条件下，生物量对菌株吸附Tl的影响参见图5。由图5看出，生物量在1g/L和2g/L时有较高的吸附率，为31％左右；吸附量随投加的生物量的增加而减少。这是由于Tl的总量为定值的情况下，生物量增加会使吸附量减少。考虑经济因素，在实际应用中，菌株FP-JCCW采取1g/L的生物量进行吸附时会有较高的吸附量和吸附率。
(7)摇床转速对铊吸附的影响
菌株FP-JCCW在pH为3、Tl初始浓度为20mg/L、生物量为2g/L、接触时间为60min、室温(25℃)的条件下，摇床转速对菌株吸附Tl的影响参见图6。由图6看出，吸附率和吸附量在90r/min时都达到最大值，分别为40％和4mg/g。在转速低于90r/min时，转速太小导致Tl+与菌株细胞接触不充分，存在结合阻力，使吸附效果低下。转速大于90r/min时，细胞承受不住过大的离心力遭到破坏，也影响了细胞吸附Tl的过程。
(8)温度对铊吸附的影响
菌株FP-JCCW在pH为3、Tl初始浓度为20mg/L、生物量为2g/L、接触时间为60min、摇床转速为150r/min的条件下，温度对菌株吸附Tl的影响参见图7。由图7看出，在20℃～35℃，吸附率都在20％左右，吸附量都在2mg/g左右。温度过低，不利于Tl+与细胞壁官能团结合这一化学反应的进行；温度过高则会使细胞遭到破坏使吸附不能正常进行。
实施例3：菌株FP-JCCW的表征分析
(1)FT-IR表征分析
取适量干燥的菌株粉末与KBr一起研磨、压片，然后在TENSOR 27型傅立叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司)上在400～4000cm－1范围内扫描。
图8为菌株FP-JCCW吸附Tl前后的FT-IR图。从图8中可以看出，菌株FP-JCCW吸附Tl前在3390cm-1处有1座吸收峰，是O-H键伸缩所致；在2925cm-1和2856cm-1处各有1座吸收峰，是C-H键伸缩所致；在1743cm-1处有1座吸收峰，可能是醛基-CHO伸缩所致；在1635cm-1处的吸收峰，是蛋白质酰胺中C＝O键伸缩振动和N-H键的弯曲振动产生；在1406cm-1处有1座吸收峰，可能是因为脂基-COO-伸缩震动所致；在1029cm-1处有1座吸收峰，可能是磷酸基团P＝O、P-OH、PO4 3-等伸缩振动导致。吸附后图谱与吸附前图谱大体上一样，有几处谱峰发生变化：原来3390cm-1处的吸收峰发生小幅位移，强度减弱，这可能是-OH与Tl+发生了反应；2925cm-1处、2856cm-1处、1743cm-1处、1635cm-1处、1406cm-1处和1029cm-1处的吸收峰均发生小幅位移和明显的强度减弱，可能是细胞的蛋白质、聚多糖和脂肪酸中包含的这些官能团化学键与Tl+发生了反应，参与了Tl的吸附这一过程。这些现象均表明菌株FP-JCCW细胞与Tl+发生了物理吸附和化学吸附作用。
(2)EDS能谱和SEM表征分析
SEM表征：将菌丝体研磨成粉末置于烘箱中充分烘干，然后将其置于FEIQuanta400FEG型环境扫描电子显微镜(捷克FEI公司)下室温扫描，观察样品形貌。
从图9和图11的SEM谱图可以看出，吸附后的菌株FP-JCCW出现明显变化，菌体膨胀变大，表面变的光滑。该变化的原因可能是Tl+使细胞表面结构变化，细胞易粘连。
SEM-EDS表征：将菌丝体研磨成粉末超临界干燥，喷金镀膜，置于JSM-7001F扫描电子显微镜下观察拍照并作能谱分析。
图10和图12的EDS分析图对比得出，吸附后的菌株样品中少了P和K元素，增加了S元素，Tl含量增加。推测菌株FP-JCCW主要是通过分泌大量含有不同的阴离子配基如CO3 2-、PO4 3-、OH-、SO4 2-等的多聚物与Tl螯合吸附Tl；在溶液中，Tl+与K+发生离子交换，与多聚物的阴离子配基结合完成吸附过程。
(3)XRD表征分析
XRD表征：将菌丝体烘干后研成粉末，采用PANalytical PW3040型X-射线粉末衍射仪，分析条件如下：Cu靶Ka能级，扫描范围2θ＝100-800，温度室温(25℃)，电流100mA，加速电压50KV，采用连续扫描，扫描速度为50/min。
从图13可看出，菌株FP-JCCW在吸附前后的图谱趋势大致一样，吸附前2θ在17.11°、17.69°、19.95°、28.17°出现了特征峰。吸附后，特征峰出现了变化，17.11°和17.69°处的特征峰分别左移到了15.20°和15.78°处，19.95°的特征峰左移到了19.47°处，并且峰值增大。说明菌株表面晶体结构发生了变化，这可能是菌株细胞壁吸收了Tl+，使原本的晶体结构与Tl+表面络合，形成新的晶体结构。
上面结合实施例对本发明做了进一步的叙述，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
GGGGTTTTTCGGGGGGGGGGGCTGCGGAGGGATCATTACAGAGTTATACAACTCCCACACCATTTGTCAACTTACCAGTTATGCCTCGGCGTGAACTGCGTACGGAGGCAGGTCGGGTGTTACCCTGTAGCCTACCCTGTAGGTTACCCGGTAGCTACCCTGTAGGTTACCCTGTAGGTTACCCTGTAGCTACCCTGTGGCTACCCTGTAGCTTACCCTGTAGCTTACCCTGCACCACTCCCGCGCAGCCCGCCGGTGGACACGAAACTCTTGTTTTATTGTATCGTCTGAGCGTATTATTTTAATAATTAAAACTTTCAACAACGGATCTCTTGGTTCTGGCATCGATGAAGAACGCAGCGAAATGCGATAAGTAATGTGAATTGCAGAATTCAGTGAATCATCGAATCTTTGAACGCACATTGCGCCCATCAGTATTCTGGTGGGCATGCCTGTTCGAGCGTCATTTCAACCCTTAAGCCTAGCTTAGTGTTGGGAATCTACTGTACTGTAGTTCCTTAAAGACAGTGGCGGAGCGGCAGTTGTCCTCTGAGCGTAGTAAATTTATTTCTCGCTTCTGCAAGGCTCTGTCCTCCCGCCATAAAACCCCCAATTTTTTAGTGGTTGACCTCGGATCAGGTAGGAATACCCGCTGAACTTAAGCATATCAAAGCCGGGAAGAAAA

Claims (8)

1.一种吸附铊离子的生物吸附剂，其至少含有耐铊真菌菌株FP-JCCW或是所述菌株FP-JCCW的处理品，所述菌株FP-JCCW于2017年05月09日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC M 2017249；
所述生物吸附剂用于吸附铊离子的条件设置：含铊离子水体pH范围3～9，铊离子初始浓度20～100mg/L，接触时间10～120min，水体温度20～40℃。
2.根据权利要求1所述的生物吸附剂，其特征在于，所述菌株FP-JCCW属于假单胞菌，与Arthriniumpseudospegazzinii隶属同一分支，在GenBank数据库中的基因序列登录号为KX349439。
3.一种吸附铊离子的生物吸附剂的制备方法，所述生物吸附剂含有菌株FP-JCCW的处理品，所述处理品的制备方法为：收集所述菌株FP-JCCW；干燥所述菌株FP-JCCW；将干燥后的菌株FP-JCCW研磨成细粉；
所述菌株FP-JCCW于2017年05月09日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC M 2017249。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述菌株FP-JCCW的处理品的制备方法为：用去离子水洗涤收集的所述菌株FP-JCCW的菌丝体，自然晾干后，置于烘箱中烘至恒重，冷却后将所述菌丝体研磨成细粉，筛分，备用。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述菌丝体在烘箱中的烘干温度设置为60℃。
6.权利要求1所述的生物吸附剂在铊污染生物修复中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，所述的生物吸附剂用于吸附水体中的铊。
8.根据权利要求6所述的应用，所述的生物吸附剂吸附铊的水体pH范围为5.0～8.0。
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