CN109942098A

CN109942098A - 一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂及其制备和应用

Info

Publication number: CN109942098A
Application number: CN201910233486.6A
Authority: CN
Inventors: 杨琛; 郭楚玲; 党志; 张政芳; 杨婧; 杨晶晶; 柳彦俊
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN109942098B

Abstract

本发明属于环境污染物处理的技术领域，公开了一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂及其制备和应用。所述微生物修复制剂主要由以下组分制备而成：邻苯二甲酸酯降解菌分支杆菌，生物炭，生物表面活性剂，生物保护剂，生物营养剂；分支杆菌以菌液的形式使用，分支杆菌为邻苯二甲酸酯类化合物降解菌；生物炭是将玉米秸秆在无氧的氛围下进行烧结得到；所述修复剂还包括固化剂，通过固化剂将各组分进行固化得到。本发明还公开了微生物修复制剂的制备方法。所述微生物修复制剂用于去除水中邻苯二甲酸酯和/或抗生素。本发明的微生物修复制剂能快速高效的去除废水中的邻苯二甲酸二(2‑乙基己)酯和磺胺二甲基嘧啶，具有较好的效果。

Description

一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂及其制备和应用

技术领域

本发明属于环境污染物生物处理技术领域，具体涉及一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国经济的快速增长，城市化水平的明显提高，导致与水环境的矛盾日益突出，我国水体总体恶化的趋势依然不容乐观。特别是以邻苯二甲酸酯和抗生素为代表的持久性有机污染物，在各大水体中均有检出，并且两者在城市水环境中的污染更加严重。这一方面给城市污水处理厂带来了极大的负荷，另一方面对生态环境和人体健康存在着潜在的风险。

邻苯二甲酸酯(PAEs)作为一种常用的增塑剂，广泛应用于建筑材料、食品包装、服装、地膜等产品。同时，PAEs也是一种难降解且具有生物累积性及持久毒性的类环境激素物质，大量的研究表明其具有致突变性、致癌和生殖毒性以及较强的内分泌干扰性。而抗生素在动物和人类健康方面发挥了重要作用，同时也常用作饲料添加剂促进动物生长。由于兽用抗生素不能被完全吸收，绝大部分抗生素以原药或代谢物的形式通过粪便和尿液排出体外。当含有抗生素的污水、动物残体、有机肥等会进入环境介质中，由其诱导产生的抗生素抗性基因会对生态环境造成巨大威胁。

而且越来越多的研究发现，复合污染的危害及治理均与单一简单污染不同。当水体或者污水处理厂同时含有这两种污染物质时，为保证水体的安全性，迫切需要一种能同时去除这两种污染物的方法。微生物修复法是一种已广泛应用水体治理的有效手段，具有成本低、效果好，无二次污染等优点。但是受环境条件的限制，游离微生物加入到实际水体中时可能与水环境中本身存在的微生物存在恶性竞争或难以适应环境而导致往往不能取得良好的修复效果。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂及其制备方法。本发明的生物修复剂能高效快速同时去除邻苯二甲酸酯和抗生素，去除效果好。

本发明的另一目的在于提供上述微生物修复剂的应用。所述生物修复剂用于去除水中的邻苯二甲酸酯和/或抗生素。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂，主要由以下组分制备而成：邻苯二甲酸酯降解菌分支杆菌，生物炭，生物表面活性剂，生物保护剂，生物营养剂；将分支杆菌进行扩大培养，获得菌液，菌液的浓度：OD600＝0.8～1；所述生物炭的用量为菌液质量的8％～10％；所述生物表面活性剂的质量与(菌液+生物炭)总质量的比值为(0.5～1)：100；所述生物保护剂的用量为菌液质量的3％～5％；所述生物营养剂的用量为菌液质量的0.3％～0.5％；

所述修复剂还包括固化剂，通过固化剂将各组分进行固化，获得微生物修复制剂。

所述分支杆菌为分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D，邻苯二甲酸酯类化合物降解菌；是通过以下方法驯化得到：取25ml从污水处理厂的活性污泥(二次沉淀池)，加入无机盐培养基，投加PAE_S(邻苯二甲酸酯)作为碳源，在30℃、150r/min摇床上震荡培养7d；然后依次提高PAES浓度到140mg/L，共驯化16周；最后用稀释涂布平板法得到本发明所用分枝杆菌ASW6D。

所述生物炭是将玉米秸秆在无氧的氛围下进行烧结得到；所述烧结的温度为350℃～450℃，烧结的时间为3.5～4.5h；

所述生物表面活性剂为鼠李糖脂；

所述的生物保护剂为羧甲基纤维素钠和甘油；羧甲基纤维素钠的用量为菌液质量的1％～1.5％；甘油的用量为菌液质量的2％～2.5％；

所述的生物营养剂为玉米淀粉。

所述固化剂为海藻酸钠水溶液和氯化钙水溶液；海藻酸钠水溶液的质量浓度为2～2.5％，氯化钙水溶液的质量浓度为2％～3％。

一种微生物修复制剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D进行驯化，然后接种至无机培养基中震荡培养，随后接种于营养肉汤培养基上进行扩大培养，获得菌液；

2)采用固化剂将菌液与生物炭、生物表面活性剂，生物保护剂以及生物营养剂进行固化，获得微生物修复制剂。

步骤1)中所述菌液浓度：OD600＝0.8～1；所述驯化是指将分支杆菌ASW6D菌株接种至含邻苯二甲酸酯和/或抗生素的无机盐培养基中进行驯化培养，培养的温度为25～30℃。

营养肉汤培养基：牛肉膏3g/L，蛋白胨10g/L，NaCl 5g/L，pΗ为7.0～7.2。

无机盐培养基成分为：NaCl 1g，NH₄NO₃ 0.5g，FeCl₃ 0.01g，K₂HPO₄ 0.76g，MgSO₄·7H₂O 0.4g，CaCl·2H₂O 0.076g，pΗ为7.0～7.5。

步骤2)中当固化剂为海藻酸钠水溶液和氯化钙水溶液时，固化的具体步骤为将菌液与生物炭混合，吸附，加入海藻酸钠水溶液混匀，随后加入生物表面活性剂、生物保护剂以及生物营养剂，获得混合菌液；将混合菌液加入到氯化钙水溶液中，钙化，冲洗，获得微生物修复制剂；所述吸附的时间为2～4h；所述钙化的时间为8～10h；

或者将菌液与生物炭、生物表面活性剂，生物保护剂以及生物营养剂混合，摇床吸附，加入海藻酸钠水溶液混匀，获得混合菌液；将混合菌液加入到氯化钙水溶液中，钙化，冲洗，获得微生物修复制剂。

所述摇床吸附的时间为2～4h，所述钙化的时间为8～10h。

所述微生物修复制剂中分支杆菌的数量达到5～7×10⁸个/g。

本发明的微生物修复制剂在去除水中邻苯二甲酸酯和/或抗生素中的应用；所述邻苯二甲酸酯主要为邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)，所述抗生素为磺胺二甲基嘧啶(SMT)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的微生物修复制剂，能快速高效的去除废水中的邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)和磺胺二甲基嘧啶(SMT)；

(2)本发明微生物修复制剂的高效降解菌株ASW6D是在酞酸酯污染土壤中筛选并不断驯化出来的高效降解菌，有良好的pH适应性，制备后的生物制剂pH的适应性更广，在极端的酸性和碱性均有极强的去除能力，几乎可以完全降解DEHP，对于SMT的去除率也达60％以上；

(3)本发明以农业废弃物玉米秸秆为原材料，经低温热解制成高孔隙、高比表面积的生物炭载体；它不仅为特异性的高效降解菌提供了良好的生长基质，其多孔结构缓冲了极端外界环境对菌株侵害，同时还是污染物的吸附富集介质；

(4)本发明微生物修复制剂的原材料来源丰富，价格低廉，海藻酸钠和氯化钙都是常见的化工产品，而且不会产生二次污染，制作过程简单方便，成本低；制备的微生物修复制剂为微小颗粒，便于运输储藏。

附图说明

图1为实施例1制备的微生物修复制剂在不同时间下对磺胺二甲基嘧啶(SMT)的去除效果图；其中固定化菌剂-实施例1制备的微生物修复制剂，固定化无菌小球表示无菌液，由无菌水替代制备而成的小球，游离菌表示添加了分枝杆菌ASW6D；

图2为实施例1制备的微生物修复制剂在不同时间下对邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)去除效果图；其中固定化菌剂-实施例1制备的微生物修复制剂，固定化无菌小球表示无菌液，由无菌水替代制备而成的小球，游离菌表示由分枝杆菌ASW6D的菌液直接处理；

图3为实施例1制备的微生物修复制剂在不同pH下对磺胺二甲基嘧啶(SMT)的去除效果图；其中固定化菌剂-实施例1制备的微生物修复制剂，固定化无菌小球表示无菌液，由无菌水替代制备而成的小球，游离菌表示由分枝杆菌ASW6D的菌液直接处理；

图4为实施例1制备的微生物修复制剂在不同pH下对邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)去除效果图；其中固定化菌剂-实施例1制备的微生物修复制剂，固定化无菌小球表示无菌液，由无菌水替代制备而成的小球，游离菌表示由分枝杆菌ASW6D的菌液直接处理；

图5为实施例1制备的微生物修复制剂在极端碱性(pH＝11)和酸性(pH＝3)条件下对磺胺二甲基嘧啶(SMT)和邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)的去除效果图。

具体实施方式

下面结合实施例本发明作进一步具体详细描述和说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D来自文献(Yang J,Guo CL,Liu SS,LiuWT,Wang H,Dang Z,Lu GN(2018)Characterization of a di-n-butyl phthalate-degrading bacterial consortium and its application in contaminatedsoil.Environ Sci Pollut R 25:17645-17653)

分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D的具体驯化方法：取25ml从广东省广州市沥滘污水处理厂的活性污泥，加入MSM(无机盐培养基)，投加一定浓度PAE_S(DMP、DBP和DEHP，浓度相同)作为碳源，在30℃、150r/min摇床上震荡培养7d；然后依次提高PAES浓度到140mg/L(35、70、105、140mg/L，4周递增一次)，共驯化16周；最后用稀释涂布平板法得到本发明所用分枝杆菌ASW6D。

DMP为邻苯二甲酸二甲酯，DBP为邻苯二甲酸二丁酯。

本发明的分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D以菌液的形式使用，在使用前需进行驯化培养，具体是将分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D进行驯化，然后接种至无机培养基中震荡培养，随后接种于营养肉汤培养基上进行扩大培养，获得菌液。所述驯化是指将分支杆菌ASW6D菌株接种至含邻苯二甲酸酯和/或抗生素的无机盐培养基中进行驯化培养。邻苯二甲酸酯在无机盐培养基中的浓度为5～20mg/L，抗生素在无机盐培养液中的浓度为1～5mg/L。

本发明将微生物修复制剂用于处理水中邻苯二甲酸酯和磺胺二甲基嘧啶，具体步骤为：将微生物修复制剂加入含有无机盐培养液、邻苯二甲酸酯和磺胺二甲基嘧啶的水中，降解处理；

微生物修复制剂加入量为每100ml含有无机盐培养液、邻苯二甲酸酯和磺胺二甲基嘧啶的水中加入2g及其以上的微生物修复制剂；降解处理的温度为25～30℃，pH值为3～11。降解处理的时间优选为4天及其以上；

MSM培养液(无机盐培养液)的配方为：NaC1 1g，NH₄NO₃ 0.5g，FeCl₃ 0.01g，K₂HPO₄0.76g，MgSO₄·7H₂O 0.4g，CaCl·2H₂O 0.076·g，pΗ为7.0～7.5。

实施例1

一种微生物修复制剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将分支杆菌(Mycobacterium)ASW6D菌株接种(接种量为2％的培养基量)至无机培养基中(无机培养基中含有DEHP和SMT，DEHP和SMT分别为20mg/L和5mg/L)，25～30℃培养36h，连续驯化3次；然后接入500mL三角瓶(三角瓶中的培养基为无机盐培养基)，在25～30℃，150r/min下，培养12h；随后按10％接种量接入到5L种子罐中(罐中的培养基为营养肉汁培养基)，在200r/min，pH7.0～7.5，通气量3L/min下，培养18h，获得菌液；菌液的浓度：OD600＝0.8～1；

无机盐培养基成分为：NaCl·1g，NH₄NO₃·0.5g，FeCl₃·0.01g，K₂HPO₄·0.76g，MgSO₄·7H₂O·0.4g，CaCl·2H₂O·0.076g，pΗ为7.0～7.5；1L的无机盐培养基中含有上述各用量的成分；

营养肉汁培养基，成分及用量(g/L)：牛肉膏3，蛋白胨10，NaCl 5，琼脂20，调整pΗ7.0～7.2；

2)将玉米秸秆粉碎至0.2cm以下，过200目筛，在自然条件下烘干；将烘干的秸秆置于瓷坩埚中，压实，通入氮气，排出空气，用锡箔纸覆盖多层，用瓷坩埚盖密闭以隔绝空气，放置于马弗炉中，在450℃下保持4h，制备得生物炭；

3)将菌液与生物炭(生物炭的用量为菌液质量的10％)混合，在150r/min，30℃摇床上吸附4h，加入质量浓度为2％的海藻酸钠水溶液(海藻酸钠水溶液与菌液的体积比为5:3)，再加入菌液质量1％的鼠李糖脂，菌液质量1.5％的羧甲基纤维素钠，0.5％的玉米淀粉和菌液质量2.5％的甘油，混匀，获得混合液；然后将混合液注入到质量浓度为2.5％氯化钙水溶液中，钙化时间10h，获得微生物修复制剂。

固定化无菌小球：其制备条件与微生物修复制剂相同，只是没有选用菌液而是选用无菌水代替菌液。

实施例2

将实施例1制得的微生物修复制剂接种到营养肉汁培养基上(微生物修复制剂与培养基的质量体积比为10g:100mL)，在30℃的摇床中，在150r/min条件下避光振荡培养24h后，通过稀释涂布平板法，测其菌落数量，达5～7×10⁸个/g。

实施例3

将实施例1制得的微生物修复制剂加入到含有DEHP为20mg/L和SMT为5mg/L的MSM培养液中，微生物修复制剂与培养液的质量体积比为2.5g：100ml；同时以固定化无菌颗粒、游离菌(是指扩大培养的ASW6D菌，即菌液)为对照组，以单一的含目标污染物的MSM培养液为空白组；于30℃的摇床中，在150rpm条件下避光振荡培养4天后测定培养液中污染物(DEHP和SMT)的浓度。

图2为实施例1制备的微生物修复制剂在不同时间下对邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)去除效果图；其中固定化菌剂-实施例1制备的微生物修复制剂，固定化无菌小球表示无菌液，由无菌水替代制备而成的小球，游离菌表示由分枝杆菌ASW6D的菌液直接处理。

由图1和图2可知，实施例1制备的微生物修复制剂在4天内对DEHP的去除率在90％，对SMT的去除率在55％以上；当处理的时间延长(特别是大于4天)，本发明制备的微生物修复制剂更明显优于固定化无菌生物炭颗粒、游离菌对照组和空白组。

另外，在极端pH条件下，微生物修复制剂相对于固定化无菌小球、游离菌，处理效果更好。

实施例4

将实施例1制得的微生物修复制剂加入到含有DEHP为20mg/L和SMT为5mg/L的MSM培养液中，微生物修复制剂与培养液的质量体积比为2.5g：100ml，；同时以固定化无菌颗粒、游离菌(是指扩大培养的ASW6D菌，即菌液)为对照组，以单一的含目标污染物的MSM培养液为空白组；调节培养液的pH(5,7,9)，于30℃的摇床中，在150rpm条件下避光振荡培养4天后测定培养液中污染物(DEHP和SMT)的浓度。

图4为实施例1制备的微生物修复制剂在不同pH下对邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)去除效果图；其中固定化菌剂-实施例1制备的微生物修复制剂，固定化无菌小球表示无菌液，由无菌水替代制备而成的小球，游离菌表示由分枝杆菌ASW6D的菌液直接处理。

由图3和图4可知，本发明的微生物修复制剂在pH5、7、9条件下均能有效降解目标污染物，其中对DEHP的降解率几乎不受pH的影响，均大于90％，几乎达到完全降解，明显优于固定化的无菌颗粒对照组和空白组。对SMT的去除率在三种的pH条件下都大于45％，明显优于游离菌对照组和空白组。

实施例5

本发明生物制剂在更广更极端的pH范围内的降解：

将实施例1制得的微生物修复制剂加入到含有DEHP为20mg/L和SMT为5mg/L的MSM培养液中，调节培养液的pH为3或11，微生物修复制剂与培养液的质量体积比为2.5g：100ml；于30℃的摇床中，在150rpm条件下避光振荡培养4天后测定培养液中污染物(DEHP和SMT)的浓度。

图5为实施例1制备的微生物修复制剂在极端碱性(pH＝11)和酸性(pH＝3)条件下对磺胺二甲基嘧啶(SMT)和邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)的去除效果图。由图5可知，本发明的微生物修复制剂在极端的pH条件下DEHP几乎完全降解，酸性极端条件对SMT的去除可达40％以上。

本发明的微生物修复制剂在酸性、中性和碱性条件下均能较好的去除DEHP和SMT，包括极端的pH条件下，使其在不同pH环境中的应用得到了良好的保证。

Claims

1.一种邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂，其特征在于：主要由以下组分制备而成：邻苯二甲酸酯降解菌分支杆菌，生物炭，生物表面活性剂，生物保护剂，生物营养剂；分支杆菌以菌液的形式使用，具体是将分支杆菌进行扩大培养，获得菌液；

所述生物炭的用量为菌液质量的8％～10％；所述生物表面活性剂的质量与(菌液+生物炭)总质量的比值为(0.5～1)：100；所述生物保护剂的用量为菌液质量的3％～5％；所述生物营养剂的用量为菌液质量的0.3％～0.5％；

所述分支杆菌为邻苯二甲酸酯类化合物降解菌；

所述生物炭是将玉米秸秆在无氧的氛围下进行烧结得到；所述烧结的温度为350℃～450℃；

2.根据权利要求1所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂，其特征在于：所述分支杆菌为分支杆菌ASW6D，是通过以下方法驯化得到：将污水处理厂的活性污泥与无机盐培养基混合，投加邻苯二甲酸酯作为碳源，摇床上震荡培养；然后依次提高邻苯二甲酸酯浓度到140mg/L，共驯化16周；最后用稀释涂布平板法得到分枝杆菌ASW6D；

所述菌液的浓度：OD₆₀₀＝0.8～1；

所述烧结的时间为3.5～4.5h。

3.根据权利要求1所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂，其特征在于：所述生物表面活性剂为鼠李糖脂；

所述生物保护剂为羧甲基纤维素钠和甘油；

所述生物营养剂为玉米淀粉。

4.根据权利要求3所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂，其特征在于：羧甲基纤维素钠的用量为菌液质量的1％～1.5％；甘油的用量为菌液质量的2％～2.5％。

5.根据权利要求1所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂，其特征在于：所述固化剂为海藻酸钠水溶液和氯化钙水溶液；海藻酸钠水溶液的质量浓度为2～2.5％，氯化钙水溶液的质量浓度为2％～3％。

6.根据权利要求1～5任一项所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将分支杆菌进行驯化，然后接种至无机培养基中震荡培养，随后接种于营养肉汤培养基上进行扩大培养，获得菌液；

7.根据权利要求6所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述菌液浓度：OD600＝0.8～1；所述驯化是指将分支杆菌菌株接种至含邻苯二甲酸酯和/或抗生素的无机盐培养基中进行驯化培养；

步骤2)中当固化剂为海藻酸钠水溶液和氯化钙水溶液时，固化的具体步骤为将菌液与生物炭混合，吸附，加入海藻酸钠水溶液混匀，随后加入生物表面活性剂、生物保护剂以及生物营养剂，获得混合菌液；将混合菌液加入到氯化钙水溶液中，钙化，冲洗，获得微生物修复制剂；

8.根据权利要求7所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂的制备方法，其特征在于：所述吸附或摇床吸附的时间为2～4h；所述钙化的时间为8～10h。

9.根据权利要求1～5任一项所述邻苯二甲酸酯和/或抗生素污染微生物修复制剂在去除水中邻苯二甲酸酯和/或抗生素中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述邻苯二甲酸酯为邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯，所述抗生素为磺胺二甲基嘧啶。