CN107828777B - 一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方法及应用 - Google Patents

一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性纳米氧化铜(CuO NPs)负载聚乙烯醇基(PVA)海绵材料固定化细菌的制备方法及其应用。聚乙烯醇基海绵经过酸泡，碱泡，超声等预处理，通过负载CuO NPs制备新型复合材料用于活细胞固定化技术应用。以含氮杂环有机物喹啉为例，对喹啉降解菌进行同步固定化和驯化过程，发现固定化细菌对喹啉具有稳定高效的降解性能，对于300mg/L的喹啉，12小时的降解效率达到97.22％，重复利用20次后降解率为80.59％。该方法获得的PVA改性固定化材料孔洞结构利于菌类的附着，机械强度高，不易腐烂，测定结果重现性好，同时本文的固定化驯化同步进行的方法也能够对固定化细菌用于煤化工废水中特定有机物降解提供借鉴。

Description

一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方 法及应用
技术领域
本发明属于污水、废水治理技术领域，特别涉及一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料的制备及其固定化细菌方法和应用。
背景技术
煤炭是我国的主要化石能源之一，煤化工行业在迅速发展的同时带来了较大环境问题。焦化废水、兰炭废水、煤气化及煤液化生产废水等含有酚、氨氮、石油烃、多环芳烃、含氮杂环、氰化物等多种有毒有害污染物质，成份复杂，浓度高、毒性大，性质稳定，属较难生化降解的高浓度有机工业废水，其污染控制一直是国内外工业废水污染控制的重大难题。
废水处理中生物强化技术具有目标污染物迅速代谢、改善废水水质指标及提升反应系统对各种废水处理效率等优点，近年来，生物强化技术耦合其它生物处理技术在煤化工废水治理中展现出独特的优势。
强化菌剂的直接投加操作简单，但易造成强化菌株的流失，或被外源微生物资源竞争，造成生物强化体系处理效果下降，这些问题可以通过活细胞固定化来解决。固定化微生物技术是20世纪80年代后期开始迅速发展的一项技术，它是通过化学或物理手段将游离态的微生物固定在载体上，对微生物细胞起到保护作用。与悬浮细菌相比，固定化细菌有很多优势，如能够增强细胞膜的稳定性，高细胞密度、容易分离介质，防止微生物流失，同时还会改变微生物的生理特性及代谢活性，缩短细胞增长的停滞阶段，良好的控制微生物增长量，有利于微生物对有机污染物的降解，此外，固定化微生物还可以重复使用。
固定化微生物技术中选择成本低廉，性能稳定，使用寿命长的固定化载体是决定其可行性的关键，常用的载体一般分为有机载体和无机载体，有机载体又可分为天然载体和人工合成载体，天然载体包括明胶、琼脂、壳聚糖、角叉菜胶、海藻酸钠等，其中海藻酸钠被广泛使用，其一般皆为生物无毒性，传质性能好，成型方便，但机械强度一般较低，载体材料的运输受限，抵抗生物分解的能力偏弱。人工合成载体有离子交换树脂、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等，其抵抗生物分解能力强，化学物理性能稳定，但其固定效果不稳定，成本偏高。将天然和人工合成材料相结合制备载体及利用纳米粒子对材料进行改性是当下研究的热点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料的制备及其固定化细菌方法和应用，选用聚乙烯醇基(PVA)海绵(聚合度为450-550)作为固定化细菌的载体，利用纳米氧化铜(CuO NPs)对其进行改性，确定了CuONPs-PVA体系制备方法，采用固定和驯化相结合的方式对毒害物质降解菌进行固定，并与游离菌的降解效果进行对比研究，最终获得了能够多次重复使用并具有较优降解性能的高效固定化细菌。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，PVA基海绵的预处理：
步骤2，CuO NPs负载PVA载体的制备：
将预处理过的PVA基海绵0.2g-0.3g，加入到80mL-150mL浓度为50mg/L-150mg/L的纳米氧化铜溶液中，在超声波反应器中充分混合30min-40min，然后将负载了CuO NPs的PVA基海绵分离出来，50℃-60℃下真空干燥10-15小时，即得纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料；
步骤3，细菌的驯化和固定化：
选取培养基富集菌株，用无机盐清洗后制备成菌悬液；称取纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料置于锥形瓶中，灭菌后冷却至室温，向锥形瓶内加入所述菌悬液，加入所述菌株能够降解的毒害物质，水浴摇床培养，所加毒害物质降解完全，即完成细菌的驯化和固定化过程。
材料负载细菌的量，用细菌经超声破碎后获得的蛋白含量来间接表征，并与游离菌相关实验做对照，蛋白浓度的测定方法采用lowry法。
所述步骤1的预处理是：
先用质量浓度5％-8％的盐酸浸泡搅拌20min-30min，纯水冲洗两遍，再用质量浓度5％-8％的氢氧化钠浸泡搅拌20min-30min，纯水冲洗至pH＝6-8，纯水浸泡超声1h-2h，50℃-60℃烘干。
所述菌株为Sphingobacterium sp.LX-3，所述培养基为LB培养基，所加毒害物质为喹啉，并作为唯一的碳源和氮源。
所述菌悬液规格为OD600＝1.0±0.1，纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料与菌悬液的质量体积比为(2-3)g：(150-200)mL，喹啉的加入量为(300-500)mg/L。
所述水浴摇床培养条件为37℃，180r/min。所述灭菌条件为121℃，25分钟。
完成细菌的驯化和固定化过程后，将固定化了菌株的改性海绵材料取出，用二甲基砜(MSM)缓慢清洗两遍去除表面的自由菌。
纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌可用于降解毒害物质，对比游离菌和固定化细菌的降解效果，并考察固定化细菌的重复利用性能。
纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料是一种高效的固定化细菌载体，可以用来进行活细胞的固定，本发明所应用的喹啉降解菌经同步固定化及驯化后，可以将300mg/L的喹啉在12小时内降解97％以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)PVA基海绵来源广泛，价格低廉，吸水性好，遇水后会沉于液体底部，不易腐烂，改性后的CuO NPs负载PVA基海绵吸附细菌和有机物的能力更佳。
(2)不同于其他在LB富集阶段固定化细菌，本发明利用菌悬液在含有目标降解物质的无机盐培养基中固定化细菌，同时完成细菌的驯化过程，整体固定效果稳定，大大提高了固定化细菌对于目标物质的降解效率。
(3)用该材料制备的固定化细菌重复利用性强，加上本身具有好的机械强度和耐腐蚀等性能，能够重复多次使用，并且不降低其代谢性能。
附图说明
图1是利用扫描电镜(SEM)进行的形貌表征，(a)为游离菌，(b)为CuO NPs/PVA材料，(c)为CuNPs/PVA固定化细菌。
图2是固定化细菌和游离菌对300mg/L喹啉的降解效果。
图3是固定化细菌降解喹啉的重复利用性实验。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
聚乙烯醇基海绵由聚乙烯醇分子链通过交联剂交联发泡固化而得，为白色或微黄色的无定形固体，内部有大量三维网状孔洞结构，干态时较硬，力学性能优良，适宜于加工成各种形状，有较高的机械强度；湿态时质地柔软，又具有良好的回弹性能；耐热，可以消毒，另外，耐油、耐化学药品和耐酸碱性能优异，同时具有优良的吸水和保水性能，且价格便宜，寿命长。
纳米粒子添加可以提高活细胞固定化生物催化剂的稳定性，减少大规模传质阻力，促进固定化细胞的重复利用性能。CuO纳米颗粒(CuO NPs)具有良好的吸附性能，可强化对污染物的吸附、同时具有催化作用，将纳米氧化铜负载于聚乙烯醇海绵上作为微生物固定化载体，在污水生物处理方面更具应用前景。
固定化细胞技术是指利用物理或化学手段将完整细胞定位于限定的空间区域并使其保持活性和能够反复使用的一种基础技术。固定化细胞技术创造的固定化环境对微生物细胞起保护作用，避免其他细菌和有毒物质等对细胞的侵害，以及人为对生物酶活性的破坏，加强了生化反应的稳定性，修复效果明显优于游离菌。其关键是筛选适宜的载体材料和确定优化的固定化工艺条件。
基于上述原理，本发明提供具体实施例如下：
1、CuO NPs负载PVA基海绵固定化载体材料的制备
(1)PVA基海绵的预处理：
将切成小块的PVA基海绵用5％的盐酸浸泡搅拌30min，纯水冲洗两遍，再用5％的氢氧化钠浸泡搅拌30min，纯水冲洗至pH＝7，纯水浸泡并超声1h，55℃烘干，温度不宜超过65度，否则海绵体会变形。
(2)纳米氧化铜-PVA基海绵的制备:
将预处理过的PVA基海绵0.25g，加入到还有纳米氧化铜100mg/L的100mL溶液中，将混合溶液在超声波反应器中充分混合30min，然后将负载了CuO NPs的PVA基海绵分离出来，60℃下真空干燥12小时后，置于干燥密闭容器中待用。
2、喹啉降解菌同步固定化及驯化过程方法
(1)细菌的富集
采用菌株Sphingobacterium sp.LX-3进行研究，该菌株筛选自城市污水处理厂，可以以喹啉作为唯一碳源和氮源，具有良好的喹啉降解能力。选取LB培养基为富集菌株用的营养培养基，其配方为：蛋白胨10g/L,酵母膏5g/L,NaCl 10g/L，pH调至7.0，121℃灭菌25min，灭菌冷却后加入经过0.22μm有机滤膜过滤的喹啉，使其浓度为300mg/L抑制杂菌生长，37℃，180r/min过夜培养，使菌体活化及增殖。
(2)制备菌悬液
配置无机盐培养基(MSM)，其配方为：Na2HPO4 4.26g/L，KH2PO4 2.65g/L，MgSO4·7H2O 0.20g/L，CaCl2 0.02g/L，MnSO4·7H2O 0.002g/L及1mL/L的微量元素，微量元素的具体配方为：FeCl2·4H2O 1.50g/L,CuCl2·2H2O 0.002g/L,MnSO4·7H2O 0.10g/L,Na2MoO4·2H2O 0.024g/L,ZnCl2 0.006g/L,H3BO3 0.07g/L，培养基pH调至7.0，在121℃灭菌25min待用。
将(1)富集的菌液7000r/min离心，沉淀用灭菌的无机盐培养基清洗3次以去除表面杂质，再重悬于无机盐培养基，调节细胞密度至OD600＝1.0±0.1，保存备用。
(3)细菌的同步驯化和固定化方法
称取3g CuO NPs改性PVA基海绵材料置于500mL的锥形瓶中，包扎后在121℃灭菌25分钟，灭菌后冷却至室温，向锥形瓶内加入200mL OD600＝1.0±0.1的菌悬液，按照500mg/L的浓度加入喹啉作为唯一氮源和碳源，水浴摇床37℃，180r/min培养，喹啉采用高效液相色谱法(HCLP)进行测定，通常需要6±1.5天喹啉降解完全，即完成了细菌的同步驯化和固定化过程。反应完全后，将固定化了Sphingobacterium sp.LX-3的改性PVA材料轻轻取出，用MSM缓慢清洗两遍去除表面的游离细菌，4℃保存用于后续的喹啉降解实验。材料负载细菌的量，用细菌经超声破碎后获得的蛋白含量来间接表征，并与游离菌相关实验做对照，蛋白浓度的测定方法采用lowry法。本条件下可以实现细菌的负载量为3.72±0.35mg/g。
固定化前后细菌和CuO NPs负载PVA材料的形貌通过SEM进行表征，结果如图2所示，细菌的大小约为2μm，改性PVA立方体有很多20-100μm的孔洞结构，经过固定化和驯化过程，细菌可以很好的粘附到CuO NPs/PVA表面及孔洞上。
3、CuO NPs负载PVA载体及聚氨酯(PU)载体固定化细菌能力比较
(1)聚氨酯PU海绵的预处理：
将切成小块的PU海绵用5％的盐酸浸泡搅拌30min，纯水冲洗两遍，再用5％的氢氧化钠浸泡搅拌30min，纯水冲洗至pH＝7，纯水浸泡并超声1h，55℃烘干。
(2)纳米氧化铜-PU的制备:
将预处理过的PU海绵0.25g，加入到还有纳米氧化铜100mg/L的100mL溶液中，将混合溶液在超声波反应器中充分混合30min，然后将负载了CuO NPs的PU海绵分离出来，60℃下真空干燥12小时后，置于干燥密闭容器中待用。
(3)按照实施例2的方法进行细菌的富集和制备菌悬液
(4)细菌的同步驯化和固定化方法
称取3g CuO NPs/PU材料置于500mL的锥形瓶中，包扎后在121℃灭菌25分钟，灭菌后冷却至室温，向锥形瓶内加入200mL OD600＝1.0±0.1的菌悬液，按照500mg/L的浓度加入喹啉作为唯一氮源和碳源，水浴摇床37℃，180r/min培养，喹啉采用高效液相色谱法(HCLP)进行测定，通常需要6±1.5天喹啉降解完全，即完成了细菌的驯化和固定化过程。反应完全后，将固定化了Sphingobacterium sp.LX-2的CuO NPs负载PU轻轻取出，用MSM缓慢清洗两遍去除表面的游离细菌，4℃保存用于后续的喹啉降解实验。材料负载细菌的量，用细菌经超声破碎后获得的蛋白含量来间接表征，并与游离菌相关实验做对照，蛋白浓度的测定方法采用lowry法。本条件下可以实现细菌的负载量为1.73±0.39mg/g。，固定和驯化过程中海绵漂浮于液体表面，对细菌的负载量明显小于可以沉降于底部的PVA吸水海绵。
(5)喹啉降解对比试验：
在250毫升的锥形瓶中配置100毫升的无机盐(MSM)培养基，灭菌，第一组锥形瓶中加入1g的CuO NPs负载PVA固定化细胞，第二组锥形瓶中加入1g的CuO NPs负载PU固定化细胞，每组实验三个平行，同时在37℃，180r/min条件下培养，间隔时间取样测定喹啉浓度。
实验结果显示CuO NPs负载PVA固定化细胞对于300mg/L的喹啉，12小时降解效率达到97.22％，CuO NPs/PU固定化细胞的18小时降解效率为65.12％，CuO NPs/PVA降解效果明显优于CuO NPs/PU固定化细胞。
4、CuO NPs负载PVA基海绵固定化菌与聚乙烯醇-海藻酸钠包埋法固定化细菌降解性能比较
(1)CuO NPs/PVA固定化菌的制备过程如实施例1和实施例2。
(2)聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-CA)包埋法固定化细菌制备方法如下：
收集在LB培养基中处于对数生长期的Sphingobacterium sp.LX-2菌，在转速7000rpm下离心5min，倾去上清液，用无机盐溶液清洗三次，重悬得到50mL浓缩菌液；向烧杯中加入聚乙烯醇(PVA)10g和海藻酸钠(SA)1g，加无菌水100mL，在100℃左右的水浴锅中加热搅拌均匀，呈均一状态的溶液后，放置冷却；将冷却至30℃以下的溶液与菌悬液按1:1混合，搅拌均匀，然后倒入培养皿中，厚度在3～4mm之间，放入-20℃的冰箱中冷冻12h后放入4℃解冻12h，经过3次循环的冷冻解冻，切成4～5mm的小块用无菌水充分清洗后保存于4℃冰箱中备用。
(3)驯化自由细胞方法如下：
将经过LB富集的细菌加入到含喹啉200mg/L的无机盐培养基中进行驯化过程，待喹啉降解后清洗细菌制备成菌悬液(OD600＝1.0±0.1)用于后续实验。
(4)喹啉降解对比试验：
在250毫升的锥形瓶中配置100毫升的无机盐(MSM)培养基，灭菌，将自由细胞菌悬液按照15％(v/v)被接种到培养基中，为第一组自由细胞降解喹啉，第二组锥形瓶中加入含等量细菌的CuO NPs负载PVA固定化细胞，第三组锥形瓶中加入含等量细菌的PVA-CA包埋法固定化细胞，第四组为只有喹啉的对照组，每组实验三个平行，同时在37℃，180r/min条件下培养，间隔时间取样测定喹啉浓度。
实验结果如图2所示，不同方法的固定化细胞和游离细胞均能在15h降解喹啉达到95％以上，CuO NPs/PVA固定化细胞更快速和稳定，对于300mg/L的喹啉，12小时降解效率达到97.22％，PVA-VA固定化细胞的12小时降解效率为89.60％，游离细菌11小时的降解效率为87.44％，CuO NPs负载PVA基海绵固定化细胞的降解喹啉效果明显。
5、CuO NPs/负载PVA基海绵固定化菌重复性利用实验
为了测试CuO NPs负载PVA固定化细胞的循环使用效果，对喹啉浓度为300mg/L的降解体系，利用固定化细胞进行重复性实验。经过初期驯化后的固定化细胞，在经历了10次的重复利用后，12小时最终降解喹啉的去除率仍然可以达到95.79％，重复使用20次后,12小时的喹啉去除率仍然可以达到80.59％。

Claims (4)

1.一种纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，PVA基海绵的预处理：
先用质量浓度5％-8％的盐酸浸泡搅拌20min-30min，纯水冲洗两遍，再用质量浓度5％-8％的氢氧化钠浸泡搅拌20min-30min，纯水冲洗至pH＝6-8，纯水浸泡超声1h-2h，50℃-60℃烘干；
步骤2，CuO NPs负载PVA载体的制备：
将预处理过的PVA基海绵0.2g-0.3g，加入到80mL-150mL浓度为50mg/L-150mg/L的纳米氧化铜溶液中，在超声波反应器中充分混合30min-40min，然后将负载了CuO NPs的PVA基海绵分离出来，50℃-60℃下真空干燥10-15小时，即得纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料；
步骤3，细菌的同步驯化和固定化：
选取培养基富集菌株，用无机盐清洗后制备成菌悬液；称取纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料置于锥形瓶中，灭菌后冷却至室温，向锥形瓶内加入所述菌悬液，加入所述菌株能够降解的毒害物质，水浴摇床培养，所加毒害物质降解完全，即完成细菌的同步驯化和固定化过程，所述菌株为Sphingobacterium sp.LX-3，所述培养基为LB培养基，所加毒害物质为喹啉，并作为唯一的碳源和氮源，完成细菌的驯化和固定化过程后，将固定化了菌株的改性海绵材料取出，用无机盐培养基(MSM)缓慢清洗两遍去除表面的自由菌。
2.根据权利要求1所述纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方法，其特征在于，所述菌悬液规格为OD600＝1.0±0.1，纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料与菌悬液的质量体积比为(2-3)g：(150-200)mL，喹啉的加入量为(300-500)mg/L。
3.根据权利要求1所述纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌的制备方法，其特征在于，所述水浴摇床培养条件为37℃，180r/min；所述灭菌条件为121℃，25分钟。
4.权利要求1所述的纳米氧化铜-聚乙烯醇基海绵材料固定化细菌用于降解毒害物质的用途。
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