CN107828774A - 一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法 - Google Patents

一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法。具体包括以下步骤：(1)生物炭的预处理；(2)制备生物炭负载的磁性纳米Fe3O4；(3)酿酒酵母菌的驯化培养；(4)以海藻酸钠和聚乙烯醇为固定化材料，将培养后的酿酒酵母与生物炭负载后的纳米Fe3O4进行包埋处理；(5)对磁性酿酒酵母复合材料进行培养；(6)将培养后的磁性酿酒酵母复合材料用于降解阿特拉津。本发明制备的磁性酿酒酵母复合材料绿色、经济，具有超顺磁性，不仅对阿特拉津具有高效去除效果，还可实现材料与水体的快速分离和回收利用，是一种具有广泛应用前景的生物复合材料。

Description

一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于环保领域的废水生物处理技术领域，具体涉及一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法。
背景技术
人口激增而耕地面积骤减，使得世界各国都将面临粮食危机。粮食增产是人类的迫切需求，因此对粮食的病虫害以及杂草的清除尤为重要。上世纪50年代开始，阿特拉津作为一种高效的除草剂而广泛应用于农业生产当中。阿特拉津的使用无疑给农业上粮食增产做出了杰出的贡献，但由于阿特拉津不易自然降解，半衰期长，迁移性高等特性，同时还容易干扰人类的内分泌系统并产生致癌致畸致突变等危害，使得阿特拉津的使用受到限制。
由于阿特拉津的广泛使用，在各国的地表水、地下水以及土壤甚至是饮用水源当中都检测到有阿特拉津的存在。为了不影响人类的正常生产生活，必须对阿特拉津污染的区域进行修复。常用的去除阿特拉津的方法主要有吸附法、光催化氧化法、电化学分解法、氧化还原法、高级氧化法以及生物降解法。一般物化法虽然能够有效的去除阿特拉津，但运行费用太高成为了限制其发展的最大因素。生物法有着绿色，经济的特点，在水处理工程当中越来越受欢迎，但也存在着固液分离困难的问题。近年来，被发现的可用于去除阿特拉津的高效菌株越来越多，使得利用生物法去除阿特拉津成为最具潜力的方法。
为了克服生物法固液分离困难的问题，固定化技术被研究出来并获得了人们的青睐。常用的固定化载体主要有生物炭、活性炭、海藻酸钠、泡沫、聚乙烯醇、明胶等。海藻酸钠和聚乙烯醇都具有较好的生物相容性，无毒，且聚乙烯醇具有一定的机械强度，二者结合用于固定化微生物将表现出良好的生物相容性和一定的机械性能。磁性四氧化三铁材料具有良好的磁性强度，引入磁性四氧化三铁，将赋予材料良好的磁性能，利用外加磁场的作用，将更有益于材料与反应体系的分离，从而可以解决生物法难以固液分离的窘境。
本发明的酿酒酵母复合材料，一方面利用了训化的酿酒酵母对阿特拉津高效去除的特点，另一方面利用海藻酸钠和聚乙烯醇将训化的酿酒酵母和磁性纳米四氧化三铁固定起来。所得材料不仅表现出绿色经济的价值，同时还表现出良好的阿特拉津去除效果和固液分离效果。是一种新型的有价值的可用于高效去除阿特拉津的生物纳米材料，在有机废水处理工程中将具有较大的应用前景。
发明内容
本发明提供一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其制备的方法简单，操作方便，制备获得的磁性酿酒酵母复合材料具有高效的阿特拉津去除效果，是一种绿色经济的生物纳米材料，具有广阔的应用前景。
一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)生物炭的预处理：将生物炭进行破碎、过筛、酸洗和水洗抽滤等处理后，于50～70℃真空条件下干燥12～24h；
步骤2)制备生物炭负载的磁性纳米Fe3O4：称取5～10g FeCl3·6H2O，2.5～5gFeSO4·7H2O溶于100ml超纯水中，并将0.75～1.5g预处理后的生物炭加入上述混合液中，超声处理5～10min，于50～55℃水浴、氮气保护条件下，一边搅拌一边逐滴加入125mL1.0mol/L的NaOH水溶液，NaOH水溶液滴加完成后继续反应1.0～1.5h，于60～65℃下熟化0.5～1.0h，利用磁铁实现Fe3O4快速沉降，弃去上清液，并用去离子水洗涤Fe3O4至水溶液呈中性，于50～60℃真空条件下干燥12～24h；
步骤3)酿酒酵母菌于25～30℃条件下驯化培养30～60h；
步骤4)磁性酿酒酵母复合材料的制备：将0.25～0.30g海藻酸钠溶于9～10mL超纯水中加热至沸腾，随后加入0.90～1.00g聚乙烯醇于上述溶液中，至完全溶解，溶解后补超纯水保持混合液总体积不变并混合均匀，溶液冷却至室温后加入0.375～0.500g步骤2)所得纳米Fe3O4颗粒并超声处理3～5min，混合均匀后将其置于紫外灭菌台进行灭菌处理，挑取步骤3)中培养的酿酒酵母孢子置于0.9％的生理盐水当中，得到酿酒酵母孢子悬液，取1～2mL酿酒酵母孢子悬液加入海藻酸钠，聚乙烯醇和Fe3O4混合体系中，混合均匀后用1mL注射器在无菌条件下将上述混合溶液逐滴滴入50～100mL CaCl2硼酸饱和溶液中，并在室温下放置4～10h；
步骤5)磁性酿酒酵母复合材料的培养：将步骤4)制备得到的的磁性酿酒酵母复合材料，用超纯水洗涤3～6次，将清洗后的复合材料置于液体培养基中振荡培养36～72h；
步骤6)将磁性酿酒酵母复合材料用于降解阿特拉津。超纯水洗涤步骤5)中培养后的酿酒酵母复合材料3～6次，酿酒酵母复合材料以20～25g/L的固液比加入含阿特拉津的废水中，处理5～7d，每隔12～24h取样检测阿特拉津的残余浓度。
优选的，步骤1)所述过筛选用的筛网为200～500目，生物炭中富含-OH，-COOH以及其他有机大分子基团，能为阿特拉津提供较多的结合位点；
优选的，步骤2)总铁与生物炭的质量比为1.95～2.05:1，反应在50～55℃水浴，氮气保护并高速搅拌的条件下进行，NaOH逐滴加入反应体系，反应完成后在60～65℃条件下熟化0.5～1.0h；
优选的，步骤3)以阿特拉津作为碳源培养酿酒酵母菌，并逐步提高阿特拉津浓度，提高酿酒酵母菌对阿特拉津的适应性，从而达到训化的目的；
优选的，步骤4)酿酒酵母复合材料的制备过程严格控制无菌环境，防止外来生物进入复合材料，材料制备完毕后进行固定化，固定化体系为2％CaCl2硼酸饱和溶液，固定化时间为4～10h；
优选的，步骤5)将固定化后的酿酒酵母复合材料于液体培养基中培养36～72h，促进酿酒酵母的生长，提高磁性酿酒酵母复合材料中酿酒酵母的生物密度；
优选的，步骤6)在降解阿特拉津的应用过程中，磁性酿酒酵母复合材料的投加量为20～25g/L。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明汇集了生物技术、纳米技术以及固定化技术的优点，制备得到的磁性酿酒酵母复合材料能够高效降解阿特拉津，同时该材料具备超顺磁性，通过外加磁场能够实现材料与反应体系的快速分离；
(2)采用海藻酸钠和聚乙烯醇共同包埋固定化酿酒酵母和磁性纳米Fe3O4，使材料不仅具备良好的生物相容性，较高的机械强度，拥有优异的传质效果，保证污染物与微生物菌体能够充分接触，还有利于材料的回收及再利用；
(3)本发明制备方法简单，操作方便，成本低廉，是一种绿色经济的生物纳米复合材料。
附图说明
图1一种降解除阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法及应用流程图图2磁性酿酒酵母复合材料降解阿特拉津的效果图
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例：
分别以2mg/L、8mg/L、15mg/L、50mg/L、100mg/L阿特拉津作为研究对象，反应体系为100mL含上述阿特拉津浓度的废水，其中另一组含15mg/L阿特拉津的废水中不投加磁性酿酒酵母复合材料作为对照组。具体步骤如下：
(1)将现有的生物炭进行破碎，并用200目筛网过筛，然后用1mol/L HCl在磁力搅拌条件下酸洗24h，随后用超纯水洗涤抽滤至中性，于60℃真空条件下干燥12h；
(2)称取6.7573g FeCl3·6H2O,3.4750g FeSO4·7H2O和1.0500g预处理后的生物炭溶于100ml超纯水中，超声5～10min，于55℃水浴、氮气保护并高速搅拌条件下逐滴加入125mL 1.0mol/L的NaOH水溶液，滴完后继续反应1h，于60℃下熟化0.5h，磁座过滤，用去离子水洗涤至中性，60℃真空干燥24h，研磨得生物炭负载的纳米Fe3O4颗粒；
(3)酿酒酵母孢子于含阿特拉津的固体培养基中培48h，温度28℃，pH＝7.0；
(4)称取0.25g海藻酸钠溶于10mL超纯水中加热至煮沸，随后加入0.75g聚乙烯醇溶解适当补充水分保持总体积10mL不变并混合均匀，待冷却至室温加入0.375g生物炭负载的Fe3O4纳米颗粒，超声处理3min混合均匀，放入紫外灭菌台进行灭菌，加入(3)中培养的酿酒酵母孢子悬液1mL，孢子含量为2.5×106cfu/mL，混合均匀后用1mL注射器在无菌条件下将上述混合溶液逐滴滴入50mL 2％CaCl2硼酸饱和溶液中并在室温下固定4h；
(5)将(4)中获得的酿酒酵母复合材料固定4h后，用超纯水洗涤3次，将清洗后的复合材料置于100mL液体察氏培养基中振荡培养48h，28℃，pH＝7.0，n＝150rpm；
(6)将(5)酿酒酵母复合材料培养48h后，用超纯水洗涤3次，称取2.5g该材料于100mL含不同浓度阿特拉津的废水中，于28℃，pH＝7.0，150rpm条件下培养7d，分别在0d、0.5d、1d、2d、3d、5d、7d用0.45um水相滤头取出1.0ml水样，用高效液相色谱(HPLC)测定阿特拉津的浓度，计算出各个时间点阿特拉津的残余浓度，计算阿特拉津的去除效果，实验结果如图2所示，对于阿特拉津浓度低于15mg/L的废水，该材料对阿特拉津的去除率可达95％以上，而未加入酿酒酵母复合材料的对照组几乎对阿特拉津没有去除效果，当浓度提高到100mg/L时，去除率降低为82.67％。由此可见，本发明制备的磁性酿酒酵母复合材料对水体中的阿特拉津具有高效去除效果。

Claims (7)

1.一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)生物炭的预处理：将生物炭进行破碎、过筛、酸洗和水洗抽滤等处理后，于50～70℃真空条件下干燥12～24h；
步骤2)制备生物炭负载的磁性纳米Fe3O4：称取5～10g FeCl3·6H2O，2.5～5g FeSO4·7H2O溶于100ml超纯水中，并将0.75～1.5g预处理后的生物炭加入上述混合液中，超声处理5～10min，于50～55℃水浴、氮气保护条件下，一边搅拌一边逐滴加入125mL 1.0mol/L的NaOH水溶液，NaOH水溶液滴加完成后继续反应1.0～1.5h，于60～65℃下熟化0.5～1.0h，利用磁铁实现Fe3O4快速沉降，弃去上清液，并用去离子水洗涤Fe3O4至水溶液呈中性，于50～60℃真空条件下干燥12～24h；
步骤3)酿酒酵母菌于25～30℃条件下驯化培养30～60h；
步骤4)磁性酿酒酵母复合材料的制备：将0.25～0.30g海藻酸钠溶于9～10mL超纯水中加热至沸腾，随后加入0.90～1.00g聚乙烯醇于上述溶液中，至完全溶解，溶解后补超纯水保持混合液总体积不变并混合均匀，溶液冷却至室温后加入0.375～0.500g步骤2)所得纳米Fe3O4颗粒并超声处理3～5min，混合均匀后将其置于紫外灭菌台进行灭菌处理，挑取步骤3)中培养的酿酒酵母孢子置于0.9％的生理盐水当中，得到酿酒酵母孢子悬液，取1～2mL酿酒酵母孢子悬液加入海藻酸钠，聚乙烯醇和Fe3O4混合体系中，混合均匀后用1mL注射器在无菌条件下将上述混合溶液逐滴滴入50～100mL CaCl2硼酸饱和溶液中，并在室温下放置4～10h；
步骤5)磁性酿酒酵母复合材料的培养：将步骤4)制备得到的的磁性酿酒酵母复合材料，用超纯水洗涤3～6次，将清洗后的复合材料置于液体培养基中振荡培养36～72h；
步骤6)将磁性酿酒酵母复合材料用于降解阿特拉津。超纯水洗涤步骤5)中培养后的酿酒酵母复合材料3～6次，酿酒酵母复合材料以20～25g/L的固液比加入含阿特拉津的废水中，处理5～7d，每隔12～24h取样检测阿特拉津的残余浓度。
2.根据权利1所述的一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的过筛所选用的筛网为200～500目，将生物炭置于0.8～1.5mol/L HCl中搅拌酸洗18～24h。
3.根据权利1所述的一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)所述生物炭负载纳米Fe3O4的制备过程中，铁的总质量与生物炭的总质量之比满足mFe：m生物炭为1.95～2.05:1，反应条件为50～55℃水浴，充满氮气的无氧条件并高速搅拌，NaOH滴加完成后，继续在50～55℃水浴，氮气环境和高速搅拌的条件下反应1～1.5h，熟化阶段将温度升高至60～65℃，保持氮气环境，关闭机械搅拌器。
4.根据权利1所述的一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3)所述酿酒酵母孢子的训化培养过程中，固体培养基配方为酵母粉10g/L，蛋白胨20g/L，琼脂15～20g/L，阿特拉津浓度为5～50mg/L(逐步提高)，以达到训化的目的。
5.根据权利1所述的一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其特征在于：步骤4)所述酿酒酵母复合材料制备过程中，海藻酸钠与水的质量比为0.025～0.033，聚乙烯醇与水的质量比为0.09～0.11，生物炭负载的纳米Fe3O4与水的质量比为0.0375～0.0556，将海藻酸钠煮沸后再加入聚乙烯醇，并适当补充因煮沸而损失的水分，所制备的孢子悬液中孢子含量为2.0×106～5.0×106cfu/mL，固定化溶液采用50～100mL 2％CaCl2硼酸饱和溶液，固定化时间为4～10h。
6.根据权利1所述的一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其特征在于：步骤5)所述固定化酿酒酵母复合材料培养采用液体培养基，培养基配方为葡萄糖：30g/L,NaNO3:3.0g/L,K2HPO4:1.0g/L,KCl:0.5g/L,MgSO4·7H2O:0.5g/L,0.1％FeSO4·7H2O:10mL/L,微量元素：10mL/L。其中微量元素配方为氨酸乙酸：1.5g/L,MnSO4·H2O:5.0g/L,CoCl2·6H2O:0.1g/L,CuSO4·5H2O:0.01g/L,KAl(SO4)2·12H2O:0.01g/L,Na2MoO4·2H2O:0.01g/L,H3BO3:0.01g/L，培养条件为温度25～30℃，pH＝7.0，摇床振荡速度为120～150rpm。
7.根据权利1所述的一种降解阿特拉津的磁性酿酒酵母复合材料的制备方法，其特征在于：步骤6)所述酿酒酵母复合材料在去除阿特拉津的过程中，磁性酿酒酵母复合材料以20～25g/L的固液比投加至含阿特拉津的废水中。
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