CN109205731B - 一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法 - Google Patents

一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法，方法步骤如下：细菌视紫红质蛋白质Bacteriorhodopsin（BR）的表达及提纯；测量污水池有机污染物种类及含量；通过BR作为光敏染料，光催化降解几个典型污水有机污染物，评价有机污染物的降解效率。本发明的优点是：利用光敏生物蛋白BR作为光敏染料与二氧化钛结合，并光催化降解污水有机污染物。在污水处理有机污染物系统中提供一个有效的光生物催化合体的新方法。可以有效降解大部分水中有机污染物。实用且便捷，省时省力又省钱。可用于降解各种污水有机污染物。

Description

一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染 物的方法
技术领域
本发明涉及一种生物工学领域，具体为一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法。
背景技术
随着经济的快速发展，环境问题一直备受关注。其中污水净化是一项需要尽快被解决的大课题。污水中含有较高的难降解有机污染物。如何降解这些有机污染物成为诸多研究者广泛研究的课题。
其中二氧化钛光催化降解有机物的研究最受关注。由于降解效率相对显著，方法简单，所以大小型污水处理系统里也经常用这个方法。光催化降解需要合适的光敏染料。
光敏染料有一个特性是必须要有很强的吸收光子效能。而大多数光敏染料光吸收范围很小，降低了二氧化钛光催化降解有机污染物的效率。那么寻找最适的光敏染料成为迫在眉睫的重要突破口。
BR具有很宽的吸收谱带，而且光、热、pH稳定性都特别强。在恶劣的环境中保持原有的光吸收性能。诸多研究常用的光敏染料都是化学有机合成物，如Alizarin red等。而BR是古细菌细胞膜提纯表达得来。本身对人体无伤害，且吸收光子能又很强。
BR的提纯很方便，大量培养嗜盐菌Halobacterium salinarum。并从该菌膜中提纯。其方法简单，省时省力省钱，细菌培养就一直可以提纯。实用范围广泛且简单有效。目前中国城市生活污水排放已是主要污染源，主要组成是各种生活污水、工业废水、养殖废水、农业废水和城市降雨径流的混合水。这些污水有机物都可适用于本方法。且可利用自然光（太阳光）就可降解有机污染物。当然不同污水环境所用的光照环境也不同。
本发明首次以生物光敏蛋白BR为有效光敏染料用于光催化降解有机污染物的研究。通过一种生物型光敏染料BR（新材料），作用于光催化降解污水有机污染物系统。建立更有效的光催化降解污水有机污染物的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法，利用光敏生物蛋白BR作为光敏染料与二氧化钛结合，并光催化降解污水有机污染物。在污水处理有机污染物系统中提供一个有效的光生物催化合体的新方法。
本发明采用的技术方案如下：一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）细菌视紫红质蛋白质BR的表达及提纯；
（2）测量几个代表性污水池有机污染物种类及含量；
（3）通过BR作为光敏染料，光催化降解污水池有机污染物，评价有机污染物的降解效率。
进一步，所述细菌视紫红质蛋白质BR的表达及提纯，具体方案为：
（1）制作高度嗜盐菌液体培养基及固体培养基；
（2）把高度嗜盐菌Halobacterium salinarum涂板于固体培养基中（37度恒温培养箱，15 d），然后把培养出来的单个菌落再涂于固体培养基培养（重复3次，纯化细菌）；
（3）把纯化好的菌落培养于3 ml液体培养基（37°C恒温培养箱，100 rpm振荡，5d）；再把3 ml液体培养液（带细菌）倒入35 ml液体培养基中进行培养（37°C恒温培养箱，100rpm振荡，5 d）；再把35 ml液体培养基倒入700 ml的液体培养基中大量培养（37°C恒温培养箱，100 rpm振荡，5 d）做梯度式培养，保证细菌的纯度；
（4）通过离心6000 g，大量集菌；再用Basal Salt溶液冲洗，最后用10 mM Tris-HCl pH 7.5的缓冲液做透析，致使细菌破碎；
（5）把透析液超级真空离心（50,000 g，离心机离心速度：g是离心力的单位），使细胞膜沉淀，再 通过10 mMTris-HCl pH 7.5的缓冲液冲洗，回收细胞膜溶液；
（6）细胞膜溶液放置30％～60％的蔗糖梯度溶液后真空离心80,000 g（图1）,分离紫膜（BR）和红膜，并回收紫膜BR用于光催化降解光敏染料。
进一步，所述测量代表性污水池有机污染物种类及含量，具体方案为：
（1）采样，取工厂污水或农业废水或养殖废水等污水500 ml；
（2）用化学方法，检测污水当中的有机污染物成分及含量，用液相色谱仪测量。
进一步，所述通过BR作为光敏染料，光催化降解几个典型污水有机污染物，评价有机污染物的降解效率，具体方案为：
（1）光催化降解样品有机污染物，将样品与二氧化钛、BR溶液混合，光照，每隔30min计时；最后测有机物污染物成分及含量；对照组由Alizarin red同步进行；
（2）数据分析，如果样品中的有机污染物光催化降解后其含量及成分有明显减少（相对对照组），则说明BR是一个很好的光敏染料；
本次实验设计初步以苯酚为代表性有机污染物，进行光催化降解实验研究，考察BR对二氧化钛的可见光敏化作用，对照组实验由常用的Alizarin red为光敏染料同步进行，
将二氧化钛纳米颗粒和染料放进50 ml的烧杯，并用磁搅拌机搅拌30 min（黑暗处）；使染料与二氧化钛表面相结合；随后,将苯酚添加到染料与纳米材料相结合的溶液里，使最终浓度成为20 mg / L,再混合搅拌5 min（黑暗处）；最后，用水银灯(500 W)作为光源，每隔30 min由4-aminoantipyrine分光光度法测量苯酚的浓度变化；最终把被降解的苯酚量换算成化学需氧量COD值。通过对比分析，评价BR是否能够充当一个很好的光敏染料。
本发明的优点是：本发明可以有效降解大部分水中有机污染物。实用且便捷，省时省力又省钱。可用于降解各种污水有机污染物。
附图说明
图1为本发明蔗糖梯度法提纯BR紫膜（Purple Membrane）。
图2为本发明的光敏染料与二氧化钛相结合光照生成·OH 自由基原理图。
图3为本发明的细菌视紫红质蛋白（BR）的吸收光谱图。
图4为本发明的利用BR作为光敏染料结合TiO2 (0.5 g/L)光催化降解苯酚图；表示不同BR浓度，光照2小时的苯酚降解率。
图5为本发明利用BR光敏蛋白作为光敏染料降解有机污染物模式图。
具体实施方式
本发明是这样来工作和实施的，二氧化钛光催化降解有机物的研究中起到关键作用的是光敏染料。光敏染料与二氧化钛半导体材料相结合，并受可视光照时通过一系列反应生成·OH 自由基(图2)。·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中极强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，最后生成 CO2和H2O等无害物质。
细菌视紫红质蛋白；Bacteriorhodopsin (BR)[1]是光敏感膜蛋白，最早在高度嗜盐菌Halobacterium salinarum的紫膜上被发现表达。当光照时该蛋白把质子从细胞内运输至细胞外，形成细胞内外质子浓度梯度，产生电势差用来合成细胞能源物质（三磷酸腺苷）。BR在可见区域有非常宽的吸收谱带（吸收峰在560nm 左右，半峰宽为100 nm；图3），并在很宽的pH范围（pH 3-10）内保持其光活性，同时具有很高的热稳定性（研究表明BR在高达80°C的环境中仍能保持其反应活性）[2]。更重要的是经过长时间的生物进化过程，BR具备了很高的光能利用效率（量子产率为0.67）和光稳定性。因此，BR具有充当很好光敏染料的潜质。
[1] Oesterhelt, D. and W. Stoeckenius, Isolation of the cell membrane of Halobacterium halobium and its fractionation into red and purple membrane.Methods Enzymol, 1974. 31: p. 667-78。
[2] Ernst, O.P., et al, Microbial and animal rhodopsins: structures, functions, and molecular mechanisms. Chem Rev, 2014. 114(1): p. 126-63。
本发明的降解有机污染物的方案：
1、细菌视紫红质蛋白质BR的表达及提纯。
（1）制作高度嗜盐菌液体培养基及固体培养基；
（2）把高度嗜盐菌Halobacterium salinarum涂板于固体培养基中（37°C恒温培养箱，15 d），然后把培养出来的单个菌落再涂于固体培养基培养（重复3次，纯化细菌）；
（3）把纯化好的菌落培养于3 ml液体培养基（37°C恒温培养箱，100 rpm振荡，5d）。再把3 ml液体培养液（带细菌）倒入35 ml液体培养基中进行培养（37°C恒温培养箱，100rpm振荡，5 d）。同样，再把35 ml液体培养基倒入700 ml的液体培养基中大量培养（37°C恒温培养箱，100 rpm振荡，5 d）做梯度式培养，保证细菌的纯度；
（4）通过离心（6000 g），大量集菌。再用Basal Salt溶液冲洗，最后用10 mM Tris-HCl pH 7.5的缓冲液做透析，致使细菌破碎；
（5）把透析液超级真空离心（50,000 g），使细胞膜沉淀，再 通过10 mMTris-HClpH 7.5的缓冲液冲洗，回收细胞膜溶液；
（6）细胞膜溶液超级真空离心（60～30％蔗糖梯度，80,000 g）,分离紫膜（BR）和红膜，并回收紫膜BR用于光催化降解光敏染料。
2、测量几个代表性污水池有机污染物种类及含量。
实施步骤：1、采样。取污水500ml（工厂污水，农业废水，养殖废水）。
实施步骤：2、用化学方法，检测污水当中的有机污染物成分及含量。用液相色谱仪测量。
3、通过BR作为光敏染料，光催化降解几个典型污水有机污染物，评价有机污染物的降解效率。
实施步骤：1、光催化降解样品有机污染物。将样品与二氧化钛、BR溶液混合光照，每隔30 min计时。最后测有机物污染物成分及含量。对照组由Alizarin red同步进行。
实施步骤：2、数据分析。如果样品中的有机污染物光催化降解后其含量及成分有明显减少（相对对照组），则说明BR是一个很好的光敏染料。
本次实验设计初步以苯酚为代表性有机污染物，进行光催化降解实验研究，考察BR对二氧化钛的可见光敏化作用。对照组实验由常用的Alizarin red为光敏染料同步进行。
将二氧化钛纳米颗粒和染料放进50ml的烧杯，并用磁搅拌机搅拌30 min（黑暗处）。使染料与二氧化钛表面相结合。随后,将苯酚添加到染料与纳米材料相结合的溶液里，使最终浓度成为20 mg / L,再混合搅拌5 min（黑暗处）。最后，用水银灯(500 W)作为光源，每隔30 min由4-aminoantipyrine分光光度法测量苯酚的浓度变化。最终把被降解的苯酚量换算成化学需氧量COD值。通过对比分析，评价BR是否能够充当一个很好的光敏染料。
实施例1
为了考察BR对纳米TiO2的可见光敏化作用，初步以苯酚为代表性有机污染物，进行光催化降解实验研究，参照实验由常用的Alizarin red和BR作为光敏染料同步进行。结果表明，当BR的浓度13.1 mg/L (4.9×10-7 mol/L)时降解苯酚的效率最为高，能降解23.8%苯酚（初始浓度为20 mg/L）(图3)。充分说明BR是一个很好的光敏染料。此次实验光照时间仅为2小时，如果把光照时间加长，或者尝试BR其它浓度，降解效率可能会被提高。

Claims (1)

1.一种生物光敏染料与二氧化钛结合光催化降解水中有机污染物的方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）细菌视紫红质蛋白质的表达及提纯；
（2）测量一些污水有机污染物种类及含量；
（3）通过细菌视紫红质蛋白质作为光敏染料，光催化降解几个典型污水有机污染物，评价有机污染物的降解效率；
其中，所述细菌视紫红质蛋白质的表达及提纯具体方案为：
1）制作高度嗜盐菌液体培养基及固体培养基；
2）把高度嗜盐菌Halobacterium salinarum涂板于固体培养基中，在37°C恒温培养箱培养15 d，然后把培养出来的单个菌落再涂于固体培养基培养，重复3次，纯化细菌；
3）把纯化好的菌落培养于3 ml液体培养基，37°C恒温培养箱，100 rpm振荡，培养5 d，再把3 ml带细菌液体培养液倒入35 ml液体培养基中进行培养；再把35 ml液体培养基倒入700 ml的液体培养基中大量培养做梯度式培养，保证细菌的纯度；
4）通过离心，大量集菌；再用Basal Salt溶液冲洗，最后用10 mM Tris-HCl pH 7.5的缓冲液做透析，致使细菌破碎；
5）把透析液真空离心，使细胞膜沉淀，再通过10 mM Tris-HCl pH 7.5的缓冲液冲洗，回收细胞膜溶液；
6）细胞膜溶液放置在30％～60％的蔗糖梯度溶液中后，真空离心80,000 g,分离细菌视紫红质蛋白质和红膜，并回收细菌视紫红质蛋白质用于光催化降解光敏染料；
所述测量一些污水有机污染物种类及含量，具体方案为：
1）采样，取工厂污水或农业废水或养殖废水500 ml；
2）用化学方法，检测污水当中的有机污染物成分及含量，用液相色谱仪测量；
所述通过细菌视紫红质蛋白质作为光敏染料，光催化降解几个典型污水有机污染物，评价有机污染物的降解效率，具体方案为：
1）光催化降解样品有机污染物，将样品与二氧化钛、细菌视紫红质蛋白质溶液混合，光照，每隔30 min计时；最后测有机物污染物成分及含量；对照组由Alizarin red同步进行；样品与二氧化钛、细菌视紫红质蛋白质溶液混合后细菌视紫红质蛋白质 的浓度13.1 mg/L；
2）数据分析，如果样品中的有机污染物光催化降解后其含量及成分相对对照组有明显减少，则说明细菌视紫红质蛋白质是一个很好的光敏染料。
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