CN107583615A

CN107583615A - 一种细菌型生物吸附剂及其制备方法及应用

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Publication number: CN107583615A
Application number: CN201710743948.XA
Authority: CN
Inventors: 吴平霄; 喻浪风; 尹华; 党志; 朱能武
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明属于环保的技术领域，公开了一种细菌型生物吸附剂及其制备方法及应用。所述方法为：(1)将铜绿假单胞菌的菌悬液、含铁离子的改性液以及水进行混合，得到混合液；(2)将混合液进行恒温振荡反应，离心洗涤，得到细菌型生物吸附剂。本发明的方法简单，成本较低，操作周期短；所制备的吸附剂保持了对六价铬原有的还原能力，且其吸附效率明显增高、吸附速度明显加快，对六价铬具有非常好去除效率。

Description

一种细菌型生物吸附剂及其制备方法及应用

技术领域

本发明属于环保的技术领域，具体涉及一种细菌型生物吸附剂及其制备方法与应用。

背景技术

铬及其化合物是重要的工业原料，广泛应用于电镀、制革、印染等行业。环境中的铬污染主要来源于工业生产中大量含铬废水、废气、废渣的排放。铬酸盐具有致癌性、致突变性，对生态环境造成了很大程度的威胁。铬在环境中最稳定、最常见的形式为Cr(VI)和Cr(III)，而Cr(VI)为吸入性剧毒物质，具有强氧化性且易溶于水，其对生物体的毒性远超过Cr(III)。世界各国及相关组织颁布了严格的法令来控制铬污染的排放，如何解决六价铬离子的污染问题已经成为热点。

吸附法被认为是水体中微量重金属去除的理想方法，吸附法的关键在于吸附剂的选择。生物吸附通过吸附、还原等过程，活微生物体、死微生物体或生物质和细胞产物可以将金属或类金属有效去除，这种方法成本低、生物污泥量小、无二次污染问题，同时也不需要提供额外的营养等维护成本，得到了广大研究人员的关注。对生物吸附剂进行一定的改性，改变吸附剂表面的性质可促进其对目标重金属的吸附性能。本发明通过化学修饰微生物，改变其表面电荷的性质，从而获得一种高效吸附Cr(VI)的吸附剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简易、操作方便、成本低廉、效果良好的细菌型生物吸附剂的制备方法。本发明通过化学修饰铜绿假单胞菌，提高了铜绿假单胞菌对Cr(VI)的去除效果。

本发明的另一目的在于提供上述方法获得的细菌型生物吸附剂。

本发明的另一目的在于提供上述细菌型生物吸附剂的应用。所述细菌型生物吸附剂用于吸附Cr(VI)。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种细菌型生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铜绿假单胞菌的菌悬液、含铁离子的改性液以及水进行混合，得到混合液；

(2)将混合液进行恒温振荡反应，离心洗涤，得到细菌型生物吸附剂。

步骤(1)中所述混合液中铁离子的浓度为0～1000mg/L且铁离子的浓度不为0，优选为200～1000mg/L，更优选400～1000mg/L；所述混合液中铜绿假单胞菌的浓度为0.25-2.0g/L(以干重计)。

步骤(1)中所述含铁离子的改性液为三氯化铁的水溶液；

步骤(2)中所述恒温振荡反应的温度为35-37℃，恒温振荡反应的时间为12～30h。

所述恒温振荡反应的转速为150-200rpm。

步骤(1)中所述铜绿假单胞菌的保藏号为CCTCC AB93066。

步骤(1)中所述铜绿假单胞菌的菌悬液是将细菌活化培养后形成菌体在NB培养液中扩大培养，得到浓菌液；将浓菌液用无菌去离子水离心洗涤后，将菌体悬于无菌去离子水中，得到菌悬液；

所述扩大培养是指培养13-16h至生长对数期，所述浓菌液为处于生长对数期的铜绿假单胞菌菌液。

所述离心洗涤的条件为以5000-10000rpm转速离心洗涤5-10min；所述离心洗涤的次数为3-5次。洗涤是指采用去离子水洗涤。

所述细菌活化培养的具体操作为：将储存的细菌挑1～2环至无菌NB培养液中震荡培养13-16小时，得到培养的菌液A；取1-2mL培养的菌液A至含Cr(VI)浓度为50-200mg/L的无菌NB培养液中震荡培养13-16小时，得到培养的菌液B；取1-2mL培养的菌液B至含Cr(VI)浓度为50-200mg/L的无菌NB培养液中震荡培养13-16小时，得到培养的菌液C；取1-2mL培养的菌液C继续振荡培养，按此接代培养3-5次，得到具有稳定还原Cr(VI)能力的细菌。

所述振荡培养的温度为35-37℃，振荡培养的转速为150-200rpm

所述NB培养液的配方为蛋白胨3-8g/L、NaCl 3-8g/L、牛肉膏1-5g/L。

步骤(1)中所述菌悬液的浓度满足以下条件：菌悬液通过水稀释100倍后，在紫外分光光度计600nm处的吸光度值为A＝0.8-1.5。此时菌悬液的细菌干重为35.3-57.3g/L。

步骤(1)中所述菌悬液保存在4℃冰箱里备用。

步骤(2)中所述细菌型生物吸附剂无需脱水干燥，将其直接置于水中4℃冰箱保存，经检验该方法保存时间长久。

所述细菌型生物吸附剂通过上述方法得到。

所述细菌型生物吸附机用于处理含六价铬的废水。

所述细菌型生物吸附剂在处理含六价铬的废水时，吸附剂在废水中的浓度为0.2-3.0g/L(以干重计)；所述废水的pH为1-12，优选为2-5；处理的时间为2～5小时，处理的温度为25-55℃，废水中六价铬离子浓度为10-100mg/L。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与技术效果：

(1)本发明的方法简单，操作方便，成本较低，操作周期短；

(2)本发明使用的改性剂三氯化铁是自然界中常见成分，价格低廉，来源广泛，无环境污染；

(3)与改性前的铜绿假单胞菌相比，本发明制备的细菌型生物吸附剂即改性的铜绿假单胞菌保持对六价铬原有的还原能力，且其吸附效率明显增高、吸附速度明显加快。

附图说明

图1为实施例2中不同浓度铁离子改性铜绿假单胞菌制备的细菌型生物吸附剂对Cr(VI)吸附柱状图；

图2为实施例3中铁离子改性不同浓度铜绿假单胞菌制备的细菌型生物吸附剂对Cr(VI)吸附的曲线图；原细菌即未改性的细菌铜绿假单胞菌，改性细菌为细菌型生物吸附剂；

图3为实施例4制备的细菌型生物吸附剂的SEM图；图3a为原细菌(即未改性的细菌铜绿假单胞菌)，图3b为细菌型生物吸附剂(即改性细菌)；

图4为实施例4制备的细菌型生物吸附剂的EDS图；图4a为原细菌(即未改性的细菌铜绿假单胞菌)，图4b为细菌型生物吸附剂(即改性后的细菌)；

图5为实施例4制备的细菌型生物吸附剂的红外谱(FTIR)图；原细菌即未改性的细菌铜绿假单胞菌，改性细菌为细菌型生物吸附剂；

图6为实施例5中pH对实施例4制备的细菌型生物吸附剂吸附Cr(VI)的影响曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图，对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中所述NB培养液包含以下组分：蛋白胨5g/L、NaCl 5g/L、牛肉膏3g/L，调pH为7.0-7.2；上述NB培养液灭菌后，加入过滤灭菌后的Cr(VI)溶液，使终浓度为50-200mg/L，即得试验所需的含Cr(VI)浓度50-200mg/L的NB培养液。

本发明中所述的铜绿假单胞菌是购买于中国典型培养物保藏中心，保藏编号CCTCC AB93066(公开于：汪萍萍等，铜绿假单胞菌对白腐菌产木质纤维降解酶的影响，《环境科学学报》第31卷第10期，2025-2031)。

实施例1

铜绿假单胞菌菌悬液的制备，包括以下步骤：

(1)铜绿假单胞菌的活化培养：将平板储存的铜绿假单胞菌挑一至两环至无菌NB培养液中振荡培养14.5h(37℃、150r/min)，得到培养的菌液A；取1-2mL培养的菌液A(接种量4％)至含Cr(VI)浓度为50mg/L的无菌NB培养液中震荡培养14.5小时，得到培养的菌液B；取1-2mL培养的菌液B至含Cr(VI)浓度为100mg/L的无菌NB培养液中振荡培养14.5h(14.5h就是生长对数期的最佳时间)，得到培养的菌液C；再取1-2mL培养的菌液C至含Cr(VI)浓度为150mg/L的无菌NB培养液中振荡培养14.5h，得到培养的菌液D；最后取1-2mL培养的菌液D至含Cr(VI)浓度为200mg/L的无菌NB培养液中振荡培养14.5h，得到具有稳定还原Cr(VI)能力的细菌的菌液；

(2)菌悬液制备：将步骤(1)活化培养制得的菌落挑取一至两环至无菌NB培养液中，恒温振荡培养至对数期(37℃、150r/min，培养时间14.5h)，得到浓菌液；将浓菌液用无菌去离子水离心洗涤三次，离心条件为4℃、8000r/min、离心10min，得到菌体；将菌体悬于一定量的无菌去离子水中，得到菌悬液；此时菌悬液的浓度满足以下条件：菌悬液稀释一百倍后，于紫外分光光度计下600nm处的吸光值为A＝1；菌悬液保存在4℃冰箱备用。

实施例2

一种细菌型生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)：将实施例1制备的铜绿假单胞菌菌悬液以及水分别与不同量的三氯化铁混合，分别得到6种不同混合液(6种混合液中三氯化铁的浓度分别为0、200、400、600、800、1000mg/L，6种混合液中铜绿假单胞菌的浓度为0.5g/L(细菌干重))；

(2)将6种混合液分别置于摇床中恒温振荡培养24h(培养的温度为37℃，转速为150rpm)，离心洗涤(以8000rpm离心5min，采用去离子水洗涤)直至上清液中澄清、无色、透明，即得6种不同铁离子浓度改性铜绿假单胞菌的细菌型生物吸附剂。所述细菌型生物吸附剂无需脱水干燥，细菌型生物吸附剂置于水中并在4℃冰箱保存，经检验该方法保存时间长久。

将本实施例的6种细菌型生物吸附剂分别用于Cr(VI)吸附性能测试：

测试条件：6种细菌型生物吸附剂在处理含六价铬的废水时，吸附剂在废水中的浓度为0.5g/L(以干重计)；所述废水体系的pH为5.0，反应时间为2小时，反应温度为37℃，体系中六价铬离子浓度为10mg/L。

测试结果如图1所示。图1为不同铁离子浓度改性铜绿假单胞菌所获得的细菌型生物吸附剂对Cr(VI)吸附的柱状图。从图中可知，600mg/L的Fe(III)改性的细菌对Cr(VI)的去除率为58.8％，比未修饰(铜绿假单胞菌)的提高了几倍，且再增大Fe(III)浓度时所获得吸附剂没有再增大对Cr(VI)的去除率，故选择600mg/L Fe(III)为改性剂。

实施例3

一种细菌型生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)：将实施例1制备的铜绿假单胞菌菌悬液以及水与三氯化铁混合，分别得到5种不同混合液(5种混合液中三氯化铁的浓度600mg/L，5种混合液中铜绿假单胞菌的浓度分别为0、0.25、0.5、1.0、2.0g/L(细菌干重))；

(2)将5种混合液分别置于摇床中恒温振荡培养20h(培养的温度为37℃，转速为150rpm)，离心洗涤(以8000rpm离心5min，采用去离子水洗涤)直至上清液中澄清、无色、透明，即得5种铁离子改性不同浓度铜绿假单胞菌的细菌型生物吸附剂。所述细菌型生物吸附剂无需脱水干燥，细菌型生物吸附剂置于水中并在4℃冰箱保存，经检验该方法保存时间长久。

将本实施例的5种细菌型生物吸附剂分别用于Cr(VI)吸附性能测试：

测试条件：所述细菌型生物吸附剂在处理含六价铬的废水时，吸附剂在废水中的浓度为0.5g/L(以干重计)；所述废水体系的pH为5.0，反应时间为2小时，反应温度为37℃，体系中六价铬离子浓度为10mg/L。

测试结果如图2所示。图2为铁离子改性不同浓度铜绿假单胞菌所获得的细菌型生物吸附剂对Cr(VI)吸附的曲线图，原细菌即未改性的细菌铜绿假单胞菌，改性细菌为细菌型生物吸附剂。从图中可以看出，铁离子改性0.5g/L(干重)铜绿假单胞菌所获得吸附剂对Cr(VI)的去除率为52.6％，比未修饰的(铜绿假单胞菌)提高了几倍，且再增大铜绿假单胞菌的细菌浓度时所获得吸附剂没有再增大对Cr(VI)的去除率，故选择0.5g/L(干重)铜绿假单胞菌进行铁离子改性。

实施例4

一种细菌型生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)：将实施例1制备的铜绿假单胞菌菌悬液以及水与三氯化铁混合，得到混合液(混合液中三氯化铁的浓度600mg/L，铜绿假单胞菌的浓度为0.5g/L(细菌干重))；

(2)将混合液置于摇床中恒温振荡培养24h(培养的温度为37℃，转速为150rpm)，离心洗涤(以8000rpm离心5min，采用去离子水洗涤)直至上清液中澄清、无色、透明，即得细菌型生物吸附剂。所述细菌型生物吸附剂无需脱水干燥，细菌型生物吸附剂置于水中并在4℃冰箱保存，经检验该方法保存时间长久。

所制备的细菌型生物吸附剂的SEM如图3所示，EDS分析图谱如图4所示，红外谱图如图5所示。图3a为原细菌(即未改性的细菌铜绿假单胞菌)，图3b为细菌型生物吸附剂(即改性细菌)。图4a为原细菌(即未改性的细菌铜绿假单胞菌)，图4b为细菌型生物吸附剂(即改性后的细菌)。

与原细菌(图3a)相比，改性后的细菌(图3b)表面粗糙且均匀负载了大量的针状物质。从图4a、图4b的EDS分析图谱来看，改性前后材料所含元素中新增了Fe元素。同时结合图5的红外谱图(原细菌即未改性的细菌铜绿假单胞菌，改性细菌为细菌型生物吸附剂)，改性细菌(细菌型生物吸附剂)出现的698cm^-1和479cm^-1处吸收峰，而其分别代表为Fe-OH、Fe-O键，说明细菌表面负载的含铁物质可能为铁的某种氧化物或者氢氧化物。

实施例5

考察pH对细菌型生物吸附剂吸附六价铬离子的影响：

准确量取9份实施例4制备的细菌型生物吸附剂(即改性细菌)分别置于50mL锥形瓶中，使其浓度为0.5g/L(干重)，向每个离心管中加入Cr(VI)，使其浓度为10mg/L，分别用0.1mol/LHCl和NaOH调节溶液的pH值为2.2、3.2、4.1、5.0、6.1、7.2、9.0、10.0、12.0，然后充分混合后置于摇床中，在温度为37℃，转速为150rpm的条件下震荡24小时后，将其以8000rpm的速度离心5min后，取上层清夜过0.22μm滤膜，紫外分光光度计测定溶液中Cr(VI)的浓度。测试结果如图6所示。图6为实施例5中pH对实施例4制备的细菌型生物吸附剂吸附Cr(VI)的影响曲线图。

从图6中看出，在所处理的pH值范围内，改性细菌较原细菌对Cr(VI)的吸附有极大的提高，且随着pH值升高Cr(VI)的去除率减小，因此其在酸性的pH值范围有一定的应用性能。

本发明的细菌型生物吸附剂在处理含六价铬的废水时，吸附剂在废水中的浓度为0.2-3.0g/L(以干重计)；所述废水的pH为1-12，优选为2-5；处理的时间为2-5小时，处理的温度为25-55℃，废水中六价铬离子浓度为10-100mg/L。本发明的吸附剂对废水中六价铬具有较好的去除效果。

由以上实施例可知，本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述混合液中铁离子的浓度为0～1000mg/L且铁离子的浓度不为0；所述混合液中铜绿假单胞菌的浓度为0.25-2.0g/L，以干重计；

步骤(1)中所述含铁离子的改性液为三氯化铁的水溶液。

3.根据权利要求2所述细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述混合液中铁离子的浓度为200～1000mg/L。

4.根据权利要求1所述细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述恒温振荡反应的温度为35-37℃，恒温振荡反应的时间为12-30h，所述恒温振荡反应的转速为150-200rpm；

步骤(1)中所述铜绿假单胞菌的保藏号为CCTCC AB93066。

5.根据权利要求1所述细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述铜绿假单胞菌的菌悬液是将细菌活化培养后形成菌体在NB培养液中扩大培养，得到浓菌液；将浓菌液用无菌去离子水离心洗涤后，将菌体悬于无菌去离子水中，得到菌悬液；

6.根据权利要求5所述细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：所述细菌活化培养的具体操作为：将储存的细菌挑1～2环至无菌NB培养液中震荡培养13-16小时，得到培养的菌液A；取1-2mL培养的菌液A至含Cr(VI)浓度为50-200mg/L的无菌NB培养液中震荡培养13-16小时，得到培养的菌液B；取1-2mL培养的菌液B至含Cr(VI)浓度为50-200mg/L的无菌NB培养液中震荡培养13-16小时，得到培养的菌液C；取1-2mL培养的菌液C继续振荡培养，按此接代培养3-5次，得到具有稳定还原Cr(VI)能力的细菌；

所述振荡培养的温度为35-37℃，振荡培养的转速为150-200rpm。

7.根据权利要求1所述细菌型生物吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述菌悬液的浓度满足以下条件：菌悬液通过水稀释100倍后，在紫外分光光度计600nm处的吸光度值为A＝0.8-1.5，此时菌悬液的细菌干重为35.3-57.3g/L。

8.一种细菌型生物吸附剂由权利要求1～7任一项所述的制备方法得到。

9.根据权利要求8所述细菌型生物吸附剂的应用，其特征在于：所述细菌型生物吸附剂用于处理含六价铬的废水。

10.根据权利要求9所述细菌型生物吸附剂的应用，其特征在于：所述细菌型生物吸附剂在处理含六价铬的废水时，吸附剂在废水中的浓度为0.2-3.0g/L，以干重计；所述废水的pH为1-12；处理的时间为2-5小时，处理的温度为25-55℃，废水中六价铬离子浓度为10-100mg/L。