CN109097352A - 一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法及其应用 - Google Patents

一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法及其应用，本发明涉及一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法。本发明是为了解决微生物对石油烃如正十六烷摄取效率低以及光催化技术对十六烷处理能力差等问题，本发明方法为：一、制备CoAl‑LDH；二、制备OD600为1.0的Pseudomonas aeruginosa JLC1菌液；三、将CoAl‑LDH和P.aeruginosa JLC1联系在一起，构建成一种生物‑光催化耦联系统。本发明将生物降解和光催化反应联合作用于底物及中间代谢产物，提升了降解效率。本发明应用于净化有机污染的水体领域。

Description

一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系 统的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法及其应用。
背景技术
随着经济的发展，生产和生活中对石油的需求量日益增长，石油加工及石油化工工业的发展迅速，其产品的种类也随之变得丰富多彩。在石油生产、运输、炼制加工及使用过程中石油及其制品的泄漏溢出难以避免，进而对水源和土壤造成严重污染，石油污染已成为全球关注的重要热点问题之一。因此，石油污染治理是当今国际社会关注的焦点，研究人员也不断地探索和研发更高效、更经济、更环保的修复材料和修复措施来去除这些污染物。
与目前已有的各种环境修复技术相比，利用微生物的环境修复技术具有成本低、能耗低、不易引发二次污染、环境友好等优点，是建设环境友好型和资源节约型社会的有力保障。目前，国内外对降解石油微生物资源收集、发掘和环境修复开展了大量的研究工作。主要体现在：(1)大量分离、筛选石油降解菌株，分析微生物产生的表面活性物质、微生物对石油组分的代谢过程、分子机制及影响因素等；(2)研究环境微生物群落对石油污染的响应机制；(3)研究“生物激活”强化石油污染环境修复的激活条件、措施、影响因素、修复效果及其对土著微生物群落的影响等；(4)研究“生物强化”技术中微生物的选择依据、环境修复效果与影响因素及其对土著微生物群落的影响等；(5)研究现场应用效果与影响因素等。这些基础研究和工程实践为石油污染微生物资源发掘、石油污染治理与环境修复等方面都做出了大量的努力。然而，石油污染依然难以得到快速和有效的治理，石油污染状况在全球范围内依旧严峻。究其原因，在于微生物修复技术在实际应用过程中面临着一系列问题，如石油烃等疏水性有机污染物具有较低的生物可利用性，且不易被微生物摄取，限制了微生物对石油烃的净化效率。因此通过合理的技术手段有效提高微生物对石油烃的摄取率将有益于推进微生物对这类污染物的处理效率。
近年来，利用半导体光催化剂如氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化铋(Bi2O3)、二硫化钼(MoS2)和氮化碳(g-C3N4)等来处理有机污染物被认为是一种节能、环保、高效的治污技术，广受人们的关注和重视。这些光催化剂在一定波长光的激发下，发生光生电子(e-)和空穴(h+)的分离，同时会产生一些化学性质活泼、氧化能力强的活性氧(reactive oxidativespecies，ROS)，如羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O2 -)。大量研究表明这些活性氧分子在光催化降解有机污染物的过程中发挥至关重要的作用。尽管光催化反应处理有机污染物的具有较高的实效性，但是往往仅仅通过光催化降解作用难以完全矿化一些有机污染，甚至会产生一些毒性更强的中间产物，同时难以有效降低有机废水中的COD含量。
因此，将微生物修复技术和光催化技术有机结合，有望于提高其对石油烃等有机污染物的处理效率。事实上，当前少部分研究已尝试将这两种技术进行耦联，如利用TiO2和活性污泥的结合处理苯酚、利用ZnO和酵母菌处理杀虫剂林丹。但这类光催化剂往往需要在紫外光调价下发挥作用，而紫外光又会对微生物造成一定的伤害。由此，利用低毒可见光催化剂与微生物进行有机结合，在保证微生物存活率的前提下，提升生物-光催化耦联系统对石油烃的处理能力具有十分重要的意义。
发明内容
本发明是为了解决微生物对石油烃如正十六烷摄取效率低以及光催化技术对十六烷处理能力差等问题，提供了一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法及其应用。
本发明一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法具体是按以下步骤进行的：一、分别配置溶液A和脲溶液，然后混合，充分搅拌后，置于反应釜中，于100-120℃条件下处理20-28h，离心收集固相，并依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3-4次，干燥后得到CoAl-LDH；其中溶液A包含Al(NO3)3·9H2O和Co(NO3)2·6H2O，溶液A中Al(NO3)3·9H2O的浓度为0.1M，Co(NO3)2·6H2O的浓度为0.2M；
二、将Pseudomonas aeruginosa JLC1菌株在LB固体平板上进行划线分离培养，挑选单菌落转接至不含琼脂的LB液体培养基中，于34-36℃条件下培养14-18h，收集培养物，然后在4℃和5000r/min的条件下离心4-6min，再用无菌生理盐水洗涤菌体沉淀3-4次，离心收集菌体沉淀，然后用无菌磷酸缓冲液重悬菌体，使菌液OD600为1.0，4℃保存备用；
三、取步骤一制备的CoAl-LDH加入到步骤二无菌磷酸缓冲液重悬的菌液中，于28-32℃和170-190rpm条件下，孵育1.5-2.5h，然后将培养物于4℃和5000r/min条件下离心4-6min，收集沉淀，并将沉淀层中的粉色层弃掉，再利用无菌磷酸缓冲液洗涤沉淀3-4次，离心收集沉淀，去掉粉色层，保留菌体层，得到JLC1-CoAl-LDH复合物，即完成钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备。
本发明一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统应用于净化有机污染的水体。
本发明制备的JLC1-CoAl-LDH生物-光催化耦联系统具有以下优势：(1)可见光催化体系减少了紫外光对菌体的伤害，有利于降低因菌体衰亡而导致的水体TOC的增加；(2)钴铝层状双金属氢氧化物(CoAl-LDH)光催化降解反应中生成的ROS可在一定程度上增加菌体细胞膜的裂隙，提高菌体对十六烷的摄取率；(3)生物降解和光催化反应联合作用于底物及中间代谢产物，提升了降解效率。通过对比试验可知，在未施加光照条件下，本发明体系中十六烷的降解率与生物降解组相比未有显著差异，而施加可见光后，本发明体系中的十六烷降解率显著提高，达到了29.33％，是其他各体系中十六烷降解率的1.79-36.7倍。
附图说明
图1为实施例1中CoAl-LDH可见光催化剂的透射电镜图；
图2为实施例1中JLC1的透射电镜图；
图3为实施例1中JLC1-CoAl-LDH生物-光催化耦联体系的透射电镜图；
图4为实施例1中不同处理条件下十六烷的降解率。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法具体是按以下步骤进行的：一、分别配置溶液A和脲溶液，然后混合，充分搅拌后，置于反应釜中，于100-120℃条件下处理20-28h，离心收集固相，并依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3-4次，干燥后得到CoAl-LDH；其中溶液A包含Al(NO3)3·9H2O和Co(NO3)2·6H2O，溶液A中Al(NO3)3·9H2O的浓度为0.1M，Co(NO3)2·6H2O的浓度为0.2M；
二、将Pseudomonas aeruginosa JLC1菌株在LB固体平板上进行划线分离培养，挑选单菌落转接至不含琼脂的LB液体培养基中，于34-36℃条件下培养14-18h，收集培养物，然后在4℃和5000r/min的条件下离心4-6min，再用无菌生理盐水洗涤菌体沉淀3-4次，离心收集菌体沉淀，然后用无菌磷酸缓冲液重悬菌体，使菌液OD600为1.0，4℃保存备用；
三、取步骤一制备的CoAl-LDH加入到步骤二无菌磷酸缓冲液重悬的菌液中，于28-32℃和170-190rpm条件下，孵育1.5-2.5h，然后将培养物于4℃和5000r/min条件下离心4-6min，收集沉淀，并将沉淀层中的粉色层弃掉，再利用无菌磷酸缓冲液洗涤沉淀3-4次，离心收集沉淀，去掉粉色层，保留菌体层，得到JLC1-CoAl-LDH复合物，即完成钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备。
本实施方式制备的JLC1-CoAl-LDH生物-光催化耦联系统具有以下优势：(1)可见光催化体系减少了紫外光对菌体的伤害，有利于降低因菌体衰亡而导致的水体TOC的增加；(2)钴铝层状双金属氢氧化物(CoAl-LDH)光催化降解反应中生成的ROS可在一定程度上增加菌体细胞膜的裂隙，提高菌体对十六烷的摄取率；(3)生物降解和光催化反应联合作用于底物及中间代谢产物，提升了降解效率。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中脲溶液的浓度为1M步骤一中脲溶液的浓度为1M，溶液A和脲溶液是按体积比1:1的比例混合的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中LB固体平板的配方为：10g/L NaCl、10g/L胰蛋白胨、5g/L酵母提取物和1.5g/L琼脂。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中洗涤后离心收集菌体沉淀的离心条件为：在4℃和5000r/min下离心4-6min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中无菌生理盐水的质量浓度为0.85％。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中无菌磷酸缓冲液配方为：1.81g/L Na2HPO4·2H2O，0.24g/L K2HPO4，0.08g/L NaCl和0.20g/LKCl，pH 7.0。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中在30℃和180rpm条件下，孵育2h。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中CoAl-LDH和菌液的质量体积比为0.1g:20mL。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统应用于净化有机污染的水体。
在未施加光照条件下，本实施方式体系中十六烷的降解率与生物降解组相比未有显著差异，而施加可见光后，本实施方式体系中的十六烷降解率显著提高，达到了29.33％，是其他各体系中十六烷降解率的1.79-36.7倍。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统应用于净化富含十六烷烃有机污染的水体。其它与具体实施方式九相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
试验1：一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法具体是按以下步骤进行的：一、配置100mL溶液A(0.1M Al(NO3)3·9H2O；0.2M Co(NO3)2·6H2O)以及100mL 1M脲溶液，随后将溶液A和脲溶液混合在一起，充分搅拌后，置于反应釜中，于110℃条件下处理24h，离心收集固相，并依次用去离子水和无水乙醇各洗涤三次，干燥后得到淡粉色固体粉末即为CoAl-LDH；
二、将甘油管中保藏的Pseudomonas aeruginosa JLC1(GenBank accessionNo.KY623371)菌株在LB固体(10g/L NaCl；10g/L胰蛋白胨；5g/L酵母提取物；1.5g/L琼脂)平板上进行划线分离培养，挑选单菌落并将其转接至新鲜的LB液体培养基(不含琼脂)中，于35℃条件下培养16h，然后收集培养物于4℃和5000r/min条件下离心5min，并用0.85％的无菌生理盐水洗涤菌体沉淀3次，再次同等条件下离心收集菌体沉淀；用无菌磷酸缓冲液(PBS：1.81g/L Na2HPO4·2H2O,0.24g/L K2HPO4,0.08g/L NaCl和0.20g/L KCl，pH 7.0)重悬菌体，使菌体终浓度(OD600)为1.0，4℃保存备用；
三、取0.1g制备的CoAl-LDH加入到20mL PBS重悬的菌液中，于30℃和180rpm条件下，孵育2h，然后将培养物于4℃和5000r/min条件下离心5min，收集沉淀，并将沉淀层中明显分界的粉色层弃掉，再利用PBS洗涤沉淀3次，同等条件下离心收集沉淀，并尽可能去掉明显分界的粉色层，保留菌体层，所得产物即为JLC1-CoAl-LDH复合物，即完成钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备。
图1为CoAl-LDH可见光催化剂的透射电镜图；图2为JLC1的透射电镜图；图3为JLC1-CoAl-LDH生物-光催化耦联体系的透射电镜图；由图3可知，本实施例将CoAl-LDH和JLC1成功偶联。
图4为经过4h不同处理方式下，各处理系统对光催化反应器中十六烷的降解率，其中光催化反应器装有20mL含有0.25％十六烷的无机矿物盐培养基(3.0g/L K2HPO4,0.01g/L NaCl,0.001g/L FeSO4·7H2O,1.5g/L KH2PO4,0.1g/L MgSO4,1g/L(NH4)2SO4,pH 7.0)。
其中，对照组中不含有任何微生物和光催化剂，在分别施以黑暗或可见光处理后，结果显示，无论是否给予光照，对照组体系中的十六烷的去除率仅为1％左右，未有显著差异；光催化降解组则是反应体系中添加了1g/L的CoAl-LDH，结果显示在施予可见光条件下，体系中的的十六烷降解率比黑暗条件下略高，为5.87％；生物降解组则是在反应体系中接种了P.aeruginosa JLC1(终浓度(OD600)为1.0)，结果显示无论是否施予光照，接种P.aeruginosa JLC1均可以有效提高系统中十六烷的降解率，且无显著差异，均为15.5％左右；本实施例生物-光催化降解组则是在反应体系中接种了JLC1-CoAl-LDH复合物(终浓度按照菌体浓度(OD600)计算为1.0)，结果显示在未施加光照条件下，体系中十六烷的降解率与生物降解组相比未有显著差异，而施加可见光后，体系中的十六烷降解率显著提高，达到了29.33％，是其他各体系中十六烷降解率的1.79-36.7倍。
即将钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统接种于装有20mL含有0.25％十六烷的无机矿物盐培养基(3.0g/L K2HPO4,0.01g/L NaCl,0.001g/LFeSO4·7H2O,1.5g/L KH2PO4,0.1g/L MgSO4,1g/L(NH4)2SO4,pH 7.0)的光催化反应器中,暗处搅拌30min后，在>420nm的可见光下进行生物-光催化反应4h，十六烷的降解率可达29.33％，与其他实验组相比，十六烷的降解率至少提高了1.79倍。

Claims (10)

1.一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于钴铝层状双金属氢氧化物和微生物直接耦联净化十六烷烃系统的制备方法具体是按以下步骤进行的：一、分别配置溶液A和脲溶液，然后混合，充分搅拌后，置于反应釜中，于100-120℃条件下处理20-28h，离心收集固相，并依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3-4次，干燥后得到CoAl-LDH；其中溶液A包含Al(NO3)3·9H2O和Co(NO3)2·6H2O，溶液A中Al(NO3)3·9H2O的浓度为0.1M，Co(NO3)2·6H2O的浓度为0.2M；
二、将Pseudomonas aeruginosa JLC1菌株在LB固体平板上进行划线分离培养，挑选单菌落转接至不含琼脂的LB液体培养基中，于34-36℃条件下培养14-18h，收集培养物，然后在4℃和5000r/min的条件下离心4-6min，再用无菌生理盐水洗涤菌体沉淀3-4次，离心收集菌体沉淀，然后用无菌磷酸缓冲液重悬菌体，使菌液OD600为1.0，4℃保存备用；
三、取步骤一制备的CoAl-LDH加入到步骤二无菌磷酸缓冲液重悬的菌液中，于28-32℃和170-190rpm条件下，孵育1.5-2.5h，然后将培养物于4℃和5000r/min条件下离心4-6min，收集沉淀，并将沉淀层中的粉色层弃掉，再利用无菌磷酸缓冲液洗涤沉淀3-4次，离心收集沉淀，去掉粉色层，保留菌体层，得到JLC1-CoAl-LDH复合物，即完成钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备。
2.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤一中脲溶液的浓度为1M，溶液A和脲溶液是按体积比1:1的比例混合的。
3.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤二中LB固体平板的配方为：10g/L NaCl、10g/L胰蛋白胨、5g/L酵母提取物和1.5g/L琼脂。
4.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤二中洗涤后离心收集菌体沉淀的离心条件为：在4℃和5000r/min下离心4-6min。
5.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤二中无菌生理盐水的质量浓度为0.85％。
6.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤二中无菌磷酸缓冲液配方为：1.81g/L Na2HPO4·2H2O，0.24g/L K2HPO4，0.08g/L NaCl和0.20g/L KCl，pH 7.0。
7.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤三中在30℃和180rpm条件下，孵育2h。
8.根据权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的制备方法，其特征在于步骤三中CoAl-LDH和菌液的质量体积比为0.1g:20mL。
9.如权利要求1所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的应用，其特征在于钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统应用于净化有机污染的水体。
10.根据权利要求9所述的一种钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统的应用，其特征在于钴铝层状双金属氢氧化物和微生物耦联净化十六烷烃系统应用于净化富含十六烷烃有机污染的水体。
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