CN109554400A

CN109554400A - 一种生物纳米硫化亚铁的制备方法

Info

Publication number: CN109554400A
Application number: CN201811635149.1A
Authority: CN
Inventors: 程千文; 雍阳春; 俞洋洋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-04-02

Abstract

本发明属于生物纳米材料领域，具体涉及一种生物纳米硫化亚铁的制备方法；具体步骤：首先构建磷酸盐‑三价铁缓释体系；然后将希瓦氏菌接种到LB培养基中活化培养，在无菌无氧条件下接种到磷酸盐‑三价铁缓释体系中，当体系中希瓦氏菌的终浓度的OD₆₀₀值为0.1~2，停止接种希瓦氏菌；再加入硫代硫酸钠母液，经培养、离心、洗涤，得到生物纳米硫化亚铁；本发明构建了新型的磷酸盐‑三价铁的缓慢释放体系，实现了三价铁的定量控制；通过调控合成中硫源的投加量，可控生物合成了一系列具有不同催化性能的纳米硫化亚铁，实现了其催化性能的有效调节，为调控生物合成纳米材料的催化性能开拓了新途径。

Description

一种生物纳米硫化亚铁的制备方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种生物纳米硫化亚铁的制备方法。

背景技术

近年来，随着工业化城市化的加快，地下水和土壤中的有毒有害物质越来越多，这已经成为环境和公众健康的首要问题。而纳米硫化亚铁以其独特的性质，比如小颗粒尺寸、大比表面积、高效的表面还原反应和地下土壤的传输能力等得到了环境领域的重视。目前纳米硫化亚铁已经广泛应用于处理地下水和土壤中的重金属、氯化有机化合物(COCs)、砷、硒等污染物。传统的纳米硫化亚铁的化学合成方法主要有高温直接合成法和液相合成法两类。高温直接合成法是将铁粉和硫按一定比例混合，在高温下直接反应得到，该方法合成的主要问题是合成温度高、时间长，产品的纯度比较高，但其催化活性较差；液相合成法是用可溶性硫化物，比如硫化钠、硫化铵、硫化氢等，与水溶性亚铁盐在水溶液中合成得到，硫化亚铁的粒度细、活性高，该方法的主要问题在于合成过程中原材料不稳定，很难合成高纯度的硫化亚铁。除以上两种方法之外，也有相关文报道了其他的方法，比如微乳液法、均相沉淀法、辉光放电法等，这些方法虽然硫化亚铁产物纯度较高，但原材料、加工设备比较昂贵，且催化活性难以控制，实际应用效果相差较大。因此，生物合成方法逐渐受到研究领域的重视。

根据报道，硫酸盐还原菌(SRB)可以利用硫酸盐作为末端电子受体来产生硫化氢，然后与含铁物质反应以形成无定形沉淀，其在几天内进一步结晶成更稳定的FeS纳米颗粒。也有报道，作为电化学活性菌株的奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)可以在代谢过程中分解有机物等产生电子，利用水溶性硫酸盐、水溶性三价铁等作为最终电子受体，合成生物硫化亚铁纳米材料。现有报道，在生物纳米硫化亚铁去除污染物的研究中，以4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)(50mM，pH＝7.0)作为培养基缓冲溶液，也有报道在研究生物纳米硫化亚铁去除四氯化碳的过程中，使用2.1mM硫代硫酸盐和不同浓度的柠檬酸铁缓冲溶液作为电子受体，采用哌嗪-1,4-二乙磺酸(PIPES)(30mM,pH＝7.0)作为pH缓冲液。这种类型生物纳米硫化亚铁成本低廉、过程简单。但是这些生物合成纳米硫化亚铁存在的主要问题是合成的纳米材料催化性能较差，而且在合成过程中三价铁和硫代硫酸盐都是以离子形式存在，合成纳米硫化亚铁的仅受生物代谢、生物活性影响，合成速率难以有效控制。针对现有研究的不足，本发明构建了一种磷酸盐-三价铁的缓慢释放体系，由于三价铁以沉淀形式存在，致使反应体系中的Fe³⁺始终处于较低的浓度，同时控制硫源的投加量，便于控制生物合成不同类型的纳米硫化亚铁。为了充分发挥FeS的环境处理能力，针对不同类型的污染物通常需要不同催化活性的纳米硫化亚铁，以降低副反应、提高针对目标污染物的处理效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在解决所属问题之一；本发明提供一种纳米硫化亚铁的生物的制备方法，利用生物调控实现纳米硫化亚铁催化性能的控制。

本发明构建了一种生物纳米硫化亚铁合成方法，首先构建了磷酸盐-三价铁的缓慢释放体系，同时控制硫源的投加量，可以实现可控的纳米硫化亚铁的生物合成。

为了实现以上目的，本发明的具体步骤如下：

(1)首先构建磷酸盐-三价铁缓释体系，所述磷酸盐-三价铁缓释体系包括Na₂HPO₄·12H₂O 5-30g/L、KH₂PO₄ 0.5-10g/L、NaCl 0.05-5g/L、NH₄Cl 0.05-5g/L、乳酸钠1-100mM、的CaCl₂ 0.01-10mM、MgSO₄ 0.1-100mM和FeCl₃ 0.05-10mM；

(2)配置LB培养基，将希瓦氏菌接种到LB培养基中活化培养；然后在无菌无氧条件下将活化培养后的希瓦氏菌接种到步骤(1)构建的磷酸盐-三价铁缓释体系中，当体系中希瓦氏菌的终浓度达到一定OD值时，停止接种希瓦氏菌；

(3)配制硫代硫酸钠母液，取硫代硫酸钠母液加入到步骤(2)所述含有希瓦氏菌的磷酸盐-三价铁缓释体系中，置于摇床中培养，培养后进行离心、洗涤，得到纳米硫化亚铁。

优选的，步骤(2)所述希瓦氏菌全称为奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensisMR-1)，购自美国模式菌种保藏中心(ATCC700550)；所述LB培养基包括胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠5g/L，pH为7；

优选的，步骤(2)所述希瓦氏菌接种到LB培养基中的接种量与LB培养基的体积比为0.05:100～0.8:：100。

优选的，步骤(2)所述希瓦氏菌的培养条件是温度15～40℃、摇床转速100～230rpm、培养时间是12～16h；

优选的，步骤(2)所述希瓦氏菌终浓度达到OD₆₀₀值为0.1～2。

优选的，步骤(3)所述硫代硫酸钠母液浓度为1M；所述磷酸盐缓冲体系中硫代硫酸钠终浓度为0.05～100mM；

优选的，步骤(3)所述反应体系在摇床中培养条件为温度15～40℃、摇床转速100～230rpm、培养时间是5～24h。

优选的，步骤(3)所述离心的转速为5000～12000rpm，时间为2～10min；所述洗涤是用无氧水或磷酸盐缓冲液进行清洗。

优选的，步骤(1)～(3)均在厌氧条件下进行操作。

本发明制备的纳米硫化亚铁应用于重金属六价铬和偶氮染料台盼蓝的催化性降解。

本发明的有益效果

(1)本发明建立了一种催化性能可调节的生物纳米硫化亚铁合成方法，首先构建了磷酸盐-三价铁缓释体系，在整个硫化亚铁纳米材料合成过程中，磷酸盐-三价铁缓释体系中的大多数三价铁以沉淀形式存在，溶液中只有少部分的三价铁离子，合成过程中随着铁离子的消耗，三价铁沉淀就会释放出新的铁离子，直至三价铁被完全消耗，以此实现了三价铁的缓慢释放；其次通过控制硫源的投加量，可以控制生物合成不同类型的纳米硫化亚铁。

(2)本发明通过调控优化后合成的纳米材料具有不同催化能力，为不同的催化应用提供了广泛的选择；同时，在研究过程中实现了生物合成纳米硫化亚铁的可控性，为生物合成纳米材料的调控提供了一种新思路。

附图说明

图1为生物合成硫化亚铁过程的示意图，(a)为不同方法在合成过程中颜色的变化，(b)为纳米硫化亚铁合成后的最终结果。

图2为合成过程中整个体系中总Fe(II)浓度随着时间的变化。

图3为实施例1～5制备的生物纳米硫化亚铁合成过程中溶液Fe³⁺浓度的变化。

图4为实施例1～5制备的不同催化类型生物纳米硫化亚铁的XRD图谱。

图5为实施例1～5制备的不同催化类型生物纳米硫化亚铁对六价铬的催化效果图。

图6为实施例1～5制备的不同催化类型生物纳米硫化亚铁对偶氮染料催化效果图。

具体实施方式

实施例1：

(1)使用菌种：奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)，购自ATCC美国模式菌种保藏中心，菌种编号ATCC700550；

(2)希瓦氏菌的培养：向200mL的LB培养基(含酵母提取物5g/L，胰蛋白胨10g/L和氯化钠5g/L，pH＝7.0)中接入希瓦氏菌菌种，于温度30℃、震荡转数200rpm培养12h,获得菌液；

(3)磷酸盐-三价铁缓慢释放体系的构建：Na₂HPO₄·12H₂O 17.8g/L、KH₂PO₄ 3g/L、NaCl 0.5g/L、NH₄Cl 0.5g/L、10mM乳酸钠、0.1mM的CaCl₂、1mM的MgSO₄、1mM的氯化铁；

(4)硫化氢释放速率的控制：在磷酸盐-三价铁缓慢释放体系中投加硫代硫酸钠，将硫代硫酸钠的终浓度控制在0.5mM；

(5)希瓦氏菌浓度的控制：将培养好的希瓦氏菌取出，根据浓度换算，将菌泥加入到磷酸盐-三价铁缓释体系中，将浓度控制在OD₆₀₀＝0.5；然后置于摇床中进行培养，培养的条件为温度15～40℃、摇床转速100～230rpm、培养时间是5～24h；培养后以8000rpm进行离心5min，收集的产物用无氧水进行清洗，得到纳米硫化亚铁；

(6)以上所有操作要在厌氧条件下进行，最终得到的纳米硫化亚铁为第一种类型的纳米硫化亚铁，记为类型一。

性能指标测试：

(1)合成过程中总铁、三价铁、二价铁的变化：在合成过程中按0h、30h、1h、2h、5h、10h、24h取样，利用邻菲罗啉法测的二价铁和总铁的变化。

(2)SEM表征样品制备：将合成后的溶液8000rpm离心5min，弃上清，利用95℃的SDS去除细胞，用100％乙醇清洗两次，再用无氧水清洗3次，分散到无水乙醇中，滴10μL于硅片上，在超净台中自然风干。

(3)XRD表征样品制备：样品的处理要在严格的厌氧环境中进行，将合成后的溶液8000rpm离心5min，弃上清，用100％乙醇清洗两次，再用无氧水清洗2-3次，分散到无水乙醇中，滴10μL于硅片上，在厌氧工作站中自然风干。

(4)将合成的纳米硫化亚铁作为第一种类型的纳米材料，并应用于重金属废水和偶氮染料的去除。

实施例2：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在磷酸盐-三价铁缓慢释放体系中投加硫代硫酸钠终浓度为1mM，合成第二类纳米硫化亚铁，记为类型二。

实施例3：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在磷酸盐-三价铁缓慢释放体系中投加硫代硫酸钠终浓度为5mM，合成第三类纳米硫化亚铁，记为类型三。

实施例4：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在磷酸盐-三价铁缓慢释放体系中投加硫代硫酸钠终浓度为10mM，合成第四类纳米硫化亚铁，记为类型四。

实施例5：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在磷酸盐-三价铁缓慢释放体系中投加硫代硫酸钠终浓度为50mM，合成第五类纳米硫化亚铁，记为类型五。

实施例6：

(2)希瓦氏菌的培养：向200mL的LB培养基(含酵母提取物5g/L，胰蛋白胨10g/L和氯化钠5g/L，pH＝7.0)中接入希瓦氏菌菌种，于温度15℃、震荡转数100rpm培养12h，获得菌液；

(3)磷酸盐-三价铁缓慢释放体系的构建：Na₂HPO₄·12H2O 5g/L、KH₂PO₄ 0.5g/L、NaCl 0.05g/L、NH₄Cl 0.05g/L、1mM乳酸钠、0.01mM的CaCl₂、0.1mM的MgSO₄、0.05mM的氯化铁；

(4)硫化氢释放速率的控制：在磷酸盐-三价铁缓慢释放体系中投加硫代硫酸钠终浓度为100mM；

(5)希瓦氏菌浓度的控制：将培养好的希瓦氏菌取出，根据浓度换算，将菌泥加入到磷酸盐-三价铁缓释体系中，将浓度控制在OD₆₀₀＝0.1；培养后以5000rpm进行离心10min，收集的产物用磷酸盐缓冲液进行清洗，得到纳米硫化亚铁；

以上所有操作要在厌氧条件下进行。

实施例7：

(2)希瓦氏菌的培养：向200mL的LB培养基(含酵母提取物5g/L，胰蛋白胨10g/L和氯化钠5g/L，pH＝7.0)中接入希瓦氏菌菌种，于温度40℃、震荡转数230rpm培养16h,获得菌液；

(3)磷酸盐-三价铁缓慢释放体系的构建：Na₂HPO₄·12H₂O 30g/L、KH₂PO₄ 10g/L、NaCl 5g/L、NH₄Cl 5g/L、100mM乳酸钠、10mM的CaCl₂、100mM的MgSO₄、10mM的氯化铁；

(4)硫化氢释放速率的控制：在缓释体系中投加硫代硫酸钠，将硫代硫酸钠的终浓度控制在0.5mM；

(5)希瓦氏菌浓度的控制：将培养好的希瓦氏菌取出，根据浓度换算，将菌泥加入到缓释体系中，将浓度控制在OD₆₀₀＝2；培养后以12000rpm进行离心2min，收集的产物用磷酸盐缓冲液进行清洗，得到纳米硫化亚铁；

以上所有操作要在厌氧条件下进行。

图1为合成生物纳米硫化亚铁的过程示意图，(a)为实施例1～5合成过程中颜色随时间的变化，(b)为纳米硫化亚铁合成后的最终结果，通过控制硫源的投加量，不同条件合成过程中颜色变化快慢不同，但最终在10～24h之间稳定，得到黑色纳米硫化亚铁。

图2为合成过程中整个体系中总Fe(II)浓度随着时间的变化，结合图1(a)可见在硫化铁合成过程中不同类型的条件下，纳米硫化亚铁合成速率不一样，且在5-20h之间合成过程结束。

图3为实施例1～5制备的不同催化类型生物纳米硫化亚铁合成过程中溶液Fe³⁺的变化，在整个反应过程中，反应体系中Fe³⁺的含量保持在200μM以内，大部分的Fe(III)以沉淀形式存在，验证了磷酸盐-三价铁缓冲体系的Fe³⁺缓慢释放。

图4为实施例1～5制备的不同催化类型生物纳米硫化亚铁的XRD图谱，由图谱可以得到不同条件合成的纳米硫化亚铁均为四方晶硫铁矿。

图5为实施例1～5制备的不同催化类型生物纳米硫化亚铁对六价铬催化活性比较，通过控制硫源的量合成了五种不同类型的纳米硫化亚铁，分别处理六价铬，得到不同催化性能的结果，从类型一纳米硫化亚铁到类型五纳米硫化亚铁对六价铬的催化速率分别为1.97h^-1、1.67h^-1、1.30h^-1、1.05h^-1、0.79h^-1，可见，低浓度硫源合成的纳米硫化亚铁催化还原六价铬的性能最好，随着硫源投加量增加性能降低。

图6为不同合成方法得到的硫化亚铁偶氮染料催化活性比较，通过控制硫源的量合成了五种不同类型的纳米硫化亚铁，分别处理台盼蓝，得到不同催化性能的结果，从类型一纳米硫化亚铁到类型五纳米硫化亚铁对台盼蓝的催化速率分别为4.111×10^-2h^-1、3.562×10^-2h^-1、3.132×10^-2h^-1、1.836×10^-2h^-1、1.786×10^-2h^-1，台盼蓝的去除效果与六价铬相似。

说明，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明做各种变化和修改，所附权利要求书视为概括了所实施的方案及其所有的等同方案，因此，本发明不限于这里的实施例，对于本发明作出的任何修改和变化都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤如下：

（1）首先构建磷酸盐-三价铁缓释体系，所述磷酸盐-三价铁缓释体系包括Na₂HPO₄·12H₂O 5-30 g/L、KH₂PO₄0.5-10 g/L、NaCl 0.05-5 g/L、NH₄Cl 0.05-5 g/L、乳酸钠1-100mM、CaCl₂0.01-10 mM、MgSO₄0.1-100 mM和FeCl₃0.05-10mM；

（2）配置LB培养基，将希瓦氏菌接种到LB培养基中活化培养；然后在无氧条件下将活化培养后的希瓦氏菌接种到步骤（1）构建的磷酸盐-三价铁缓释体系中，当体系中希瓦氏菌的终浓度达到一定OD₆₀₀值时，停止接种希瓦氏菌；

（3）配制硫代硫酸钠母液，然后将硫代硫酸钠母液加入到步骤（2）所述含有希瓦氏菌的磷酸盐-三价铁缓释体系中，置于摇床中培养，培养后进行离心、洗涤，得到纳米硫化亚铁。

2. 根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述希瓦氏菌全称为奥奈达希瓦氏菌，购自美国模式菌种保藏中心，编号为ATCC700550；所述LB培养基包括胰蛋白胨10 g/L、酵母提取物 5g/L、氯化钠5 g/L，pH为7。

3.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述希瓦氏菌接种到LB培养基中的接种量与LB培养基的体积比为0.05:100~0.8:100。

4.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述希瓦氏菌的培养条件为：温度15~40℃，摇床转速100~230rpm，培养时间12~16h。

5.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述希瓦氏菌终浓度达到一定OD₆₀₀值为0.1~2。

6.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述硫代硫酸钠母液浓度为1M；所述磷酸盐缓冲体系中硫代硫酸钠终浓度为0.05~100mM。

7.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述反应体系在摇床中培养条件为：温度15~40℃，摇床转速100~230rpm，培养时间是5~24h。

8.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述离心的转速为5000~12000rpm，时间为2~10min；所述洗涤是用无氧水或磷酸盐缓冲液进行清洗。

9.根据权利要求1所述的生物纳米硫化亚铁的制备方法，其特征在于，步骤（1）~（3）均在无菌厌氧条件下进行操作。

10.根据权利要求1~9任意一项所述的制备方法制备的生物纳米硫化亚铁应用于重金属六价铬和偶氮染料台盼蓝的催化性降解。