CN110028160B - 一种功能性微藻固定化材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种功能性微藻固定化材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功能性微藻固定化材料的制备方法及其应用。所述功能性微藻固定化材料是将保藏编号为CCTCC M 2016461的功能性微藻Desmodesmus sp.WR1经海藻酸钠固定后，按一定比例投加到含有环境激素双酚A和雌二醇的生活污水中，可显著促进生活污水中氮磷营养盐及上述环境激素的去除，同时功能性微藻生长积累微藻生物量，可用于生物燃料等的制备，固定化又便于其回收；此外，微藻的存在有利于维持固定化材料的形态、强度和稳定性，使其可以重复再利用，延长使用时间并提高污水处理量，具有广阔的应用前景。所述制备方法操作简单、成本低、对环境友好，能在污水处理及环境修复技术领域推广应用。

Description

一种功能性微藻固定化材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及污水处理及环境修复技术领域，具体地，涉及一种功能性微藻固定化材料的制备方法及其应用。
背景技术
生物活性有机物如环境激素等新型污染物在水环境中的出现，及其带来的负面影响已成为当今社会高度关注并亟待解决的环境问题。其中，双酚A(BPA)和雌二醇(E2)是两种典型的环境激素，在较低浓度下便可对暴露其下的生物体产生雌激素活性和生态毒性。BPA是工业上用于合成聚碳酸酯与环氧树脂的材料，在食品包装、涂料、矿泉水瓶等的生产中广泛使用。E2为人体分泌的天然雌激素，可作为药物补充人体雌激素不足，亦可随人体排泄系统排出体外进入环境当中，由于两者皆与人类活动息息相关，大量研究表明其在生活污水中被广泛检出。由于传统污水处理措施的设计主要针对常规污染物(氮、磷等)，难以有效地去除污水中这些新型污染物，导致其在环境水体中普遍被检测定，严重威胁到人类的饮水安全和健康。因此，当前迫切需要研发一种可高效去除生活污水中BPA及E2的绿色环保方法。
微藻作为水体的中土著种类，不仅对水体环境具有高的适应性，其生长周期短，可通过光合作用释放氧气固定二氧化碳，并吸收水体中氮磷营养盐积累藻类生物量用于生物燃料、饵料及植物蛋白的生产。近年来，由于其上述优点，并随着具有某种污染物去除功能的微藻的发现，微藻已被广泛应用到如无机营养盐、重金属、有机物的去除当中；以及与污水处理系统相结合形成如微藻光反应器，高效藻塘等有效的污水处理设施。其中，特别是功能性微藻的发现，开拓了其在处理某种特征性污水中的应用潜力。
然而，利用微藻处理污水效率虽高，但也存在系统易堵塞、藻细胞难回收的问题，因此将固定化技术与功能性微藻相结合，通过把功能性微藻包埋在通透性好、可维持其活性的材料中形成功能性微藻固定化材料，不仅可解决藻细胞难回收的问题，亦可保持材料中功能性微藻群体的专一性，防止其被捕食，从而维持长久的污染物处理效率，是一种高效经济环保的污水处理技术。如申请公布号为CN 107964544 A的中国专利公开了及一种微藻藻球及固定化方法，其制备得到的固定化藻球可处理畜禽养殖废水，有效提高废水处理效率，同时固定化藻球易于回收。但是，目前尚未见有能够同时高效降解污水中BPA及E2的功能性微藻固定化材料。
发明内容
本发明所解决的技术问题是克服目前尚未见有能够同时高效降解污水中环境激素BPA及E2的功能性微藻固定化材料的不足，提供了一种功能性微藻固定化材料，该固定化材料能显著促进生活污水中氮磷营养盐及上述环境激素的去除，同时又能够回收再利用，具有较好的经济应用价值。
本发明的目的在于提供保藏编号为CCTCC M 2016461的微藻Desmodesmus sp.WR1在降解环境激素双酚A和雌二醇中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种功能性微藻固定化材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述功能性微藻固定化材料在去除生活污水中氮磷营养盐和酚类环境激素中的应用。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：
本发明人经过多年研究，成功分离得到了一种功能性微藻(Desmodesmus sp.)Desmodesmus sp.WR1，该微藻于2016年9月5日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏中心地址是中国湖北省武汉市珞珈山武汉大学，保藏编号为CCTCC M 2016461。本发明人研究发现，该功能性微藻可耐受高浓度的环境激素BPA和E2，并可通过氧化、糖基化、甲基化作用对BPA及E2进行代谢降解。因此，本发明请求保护保藏编号为CCTCC M 2016461功能性的微藻Desmodesmus sp.WR1在降解环境激素双酚A和雌二醇中的应用。
本发明还请求保护一种功能性微藻固定化材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将功能性微藻Desmodesmus sp.WR1培养至对数期，经离心收集后用灭菌去离子水清洗并重悬，得到细胞密度为6.25×106cell/mL的藻液；
S2.向S1所得藻液中按质量体积百分浓度为2.5～3.5％加入海藻酸钠，搅拌至溶解，将微藻-海藻酸钠溶液匀速滴入到质量体积百分浓度为3％的CaCl2溶液中，微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：(2～4)，于0～4℃条件下交联固定化4～5h，即得直径为3～5mm的球形或带状功能性微藻固定化材料。
经统计，每10mL微藻-海藻酸钠溶液可形成约260个球形功能性微藻固定化材料，每个固定化微藻小球约含藻细胞2.4×105个。
优选地，步骤S2中所述海藻酸钠的质量体积百分浓度为2.5％。
优选地，步骤S2中所述微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：2。
优选地，步骤S2中所述交联固定化的温度为4℃，时间为4h。
将由上述制备方法制得的功能性微藻固定化材料投放到含有酚类雌激素BPA和E2的生活污水中，对生活污水中BPA及E2的去除率分别可达60％和80％以上，对生活污水中总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别可达62％和55％左右。因此，上述制备方法制得的功能性微藻固定化材料在去除生活污水中氮磷营养盐和酚类环境激素中的应用亦在本发明保护范围之内。
优选地，所述应用是将制备的功能性微藻固定化材料按照1000～8000个/L的比例投放到含有1mg/L以下BPA和E2的生活污水中，处理3～7d后回收再利用。
更优选地，所述应用是将制备的功能性微藻固定化材料按照2000个/L的比例投放到含有1mg/L以下BPA和E2的生活污水中，处理3d后回收再利用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所提供的功能性微藻固定化材料是将保藏编号为CCTCC M 2016461的功能性微藻Desmodesmus sp.WR1经海藻酸钠固定后形成的，通过固定化可保持微藻的专一性，防止微藻被污水中浮游动物捕食，维持其降解功能。
(2)本发明将功能性微藻固定化材料按一定比例投加到含有环境激素双酚A和雌二醇的生活污水中，可显著促进生活污水中氮磷营养盐及上述环境激素的去除，同时功能性微藻生长积累微藻生物量，可用于生物燃料等的制备，固定化又便于其回收；此外，微藻的存在亦可有利于维持固定化材料的形态、强度和稳定性，使其可以重复再利用，延长使用时间并提高污水处理量，具有广阔的应用前景。
(3)本发明所提供的功能性微藻固定化材料的制备方法操作简单、成本低、对环境友好，能在污水处理及环境修复技术领域推广应用。
附图说明
图1为本发明所利用的BPA及E2降解微藻Desmodesmus sp.WR1的显微光镜图。
图2为本发明制备的功能性微藻固定化材料。
图3为本发明的功能性微藻固定化材料对生活污水中BPA及E2的去除情况。
图4为本发明的功能性微藻固定化材料对生活污水中TN、TP去除情况。
图5为本发明的功能性微藻固定化材料在连续批次进水中对BPA及E2去除潜力。
图6为本发明的功能性微藻固定化材料在连续批次进水中对TN、TP的去除潜力。
图7为本发明的功能性微藻固定化材料在生活污水处理中生物量的积累。
图8为本发明的功能性微藻固定化材料在立式回流滤床处理生活污水中BPA及E2上的应用。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
试验材料：微藻Desmodesmus sp.WR1，保藏编号为CCTCC M 2016461。该藻株属于绿藻链带藻属，细胞多形成4或2个群体，细胞表面有棘状凸起，细胞大小约6～10μm，如图1所示。该微藻可通过胞外酶对环境激素BPA和E2进行糖基化、羟基化及甲基化代谢降解。
实施例1一种功能性微藻固定化材料的制备方法
一种功能性微藻固定化材料的制备方法，具体步骤如下：
1、将功能性微藻Desmodesmus sp.WR1在BG11培养基中培养至对数期，于6000×g条件下离心5min收集微藻细胞，弃掉上清液，经灭菌去离子水清洗并重悬后，得到细胞密度为6.25×106cell/mL的藻液；
2、向步骤1所得藻液中按质量体积百分浓度为2.5％加入海藻酸钠，搅拌至溶解，用注射器将微藻-海藻酸钠溶液匀速滴入到质量体积百分浓度为3％的CaCl2溶液中，微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：2，于4℃条件下交联固定化4h，即得直径为3～5mm的球形功能性微藻固定化材料。
经统计，每10mL微藻-海藻酸钠溶液可形成约260个球形功能性微藻固定化材料，每个球形功能性微藻固定化材料约含藻细胞2.4×105个。制备的球形功能性微藻固定化材料如图2所示。
实施例2功能性微藻固定化材料对生活污水中BPA、E2及氮磷营养盐的去除情况
本实施例探究了实施例1所得球形功能性微藻固定化材料(即功能性微藻固定化小球)对生活污水中BPA、E2及氮磷营养盐的去除情况，具体步骤如下：
在原生活污水中加入BPA及E2，获得初始浓度为1mg/L的生活污水工作液，取100mL上述生活污水工作液至150mL的锥形瓶中，分别在其中添加100、200、400、800个功能性微藻固定化小球，并设置空白小球对照组，每个小球浓度设置3个重复，连续处理7天。利用高效液相色谱测定污水中残留的BPA及E2浓度，通过残留浓度(C)与初始浓度(C0)的比值，即C/C0计算的去除效果。此外，总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解法-紫外分光光度法测定，总磷(TP)采用过硫酸钾消解法-钼锑抗分光光度法测定。
试验结果如图3、4所示，与对照组相比，添加功能性微藻固定化材料后显著促进了BPA和E2的去除，去除率分别高达60％和99％；添加固定化微藻亦提高了TN、TP的去除率。
实施例3功能性微藻固定化材料在连续批次进水中对BPA及E2的去除情况
本实施例探究了在连续批次进水条件下，功能性微藻固定化小球对生活污水中BPA、E2及氮磷营养盐的去除潜力，具体过程如下：
参照实施例2，分别在污水中添加100、200、400、800个功能性微藻固定化小球，并设置空白小球对照组，每个小球浓度设置3个重复，以3天为水力停留时间，进水三批次。每批次结束后测定BPA、E2及TN、TP的浓度，并排空锥形瓶载入新的污水。在第3批次结束后测定功能性微藻固定化小球中微藻的叶绿素a浓度以代表微藻生物量，经丙酮提取后，使用分光光度计在波长663nm、646nm和470nm下测定吸光度。
试验结果如图5、6所述，与对照组相比，在连续批次进水条件下功能性微藻固定化小球仍然可保持较高的污染物去除效率。微藻生物量测定结果如图7所示，结果表明功能性微藻固定化材料中的微藻细胞可利用污水中氮磷营养盐生长繁殖从而积累较高的生物量。
此外，如图8所示，将功能性微藻固定化材料与立式生物滤床相结合可提高对污水中TN、TP及BPA和E2的去除，并可扩大处理污水负荷，是一种经济环保的污水处理方法，在含环境激素的污水处理方面具有较高的应用潜力。
实施例4一种功能性微藻固定化材料的制备方法
一种功能性微藻固定化材料的制备方法，具体步骤如下：
1、将功能性微藻Desmodesmus sp.WR1在BG11培养基中培养至对数期，于6000×g条件下离心5min收集微藻细胞，弃掉上清液，经灭菌去离子水清洗并重悬后，得到细胞密度为6.25×106cell/mL的藻液；
2、向步骤1所得藻液中按质量体积百分浓度为3.0％加入海藻酸钠，搅拌至溶解，用注射器将微藻-海藻酸钠溶液匀速滴入到质量体积百分浓度为3％的CaCl2溶液中，微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：3，于0℃条件下交联固定化4.5h，即得直径为3～5mm的球形功能性微藻固定化材料。
所得球形功能性微藻固定化材料对生活污水中氮磷营养盐和酚类环境激素的降解效果较好。
实施例5一种功能性微藻固定化材料的制备方法
一种功能性微藻固定化材料的制备方法，具体步骤如下：
1、将功能性微藻Desmodesmus sp.WR1在BG11培养基中培养至对数期，于6000×g条件下离心5min收集微藻细胞，弃掉上清液，经灭菌去离子水清洗并重悬后，得到细胞密度为6.25×106cell/mL的藻液；
2、向步骤1所得藻液中按质量体积百分浓度为3.5％加入海藻酸钠，搅拌至溶解，用注射器将微藻-海藻酸钠溶液匀速滴入到质量体积百分浓度为3％的CaCl2溶液中，微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：4，于2℃条件下交联固定化5h，即得直径为3～5mm的球形功能性微藻固定化材料。
所得球形功能性微藻固定化材料对生活污水中氮磷营养盐和酚类环境激素的降解效果较好。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.保藏编号为CCTCC NO:M 2016461的微藻 Desmodesmus sp.WR1在降解雌二醇中的应用。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于，将所述微藻 Desmodesmus sp.WR1制备成微藻固定化材料。
3.根据权利要求2所述应用，其特征在于，所述微藻固定化材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将微藻Desmodesmus sp.WR1培养至对数期，经离心收集后用灭菌去离子水清洗并重悬，得到细胞密度为6.25×106 cell/mL的藻液；
S2.向S1所得藻液中按质量为2.5～3.5%加入海藻酸钠，搅拌至溶解，将微藻-海藻酸钠溶液匀速滴入到体积百分浓度为3%的CaCl2溶液中，微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：（2～4），于0～4℃条件下交联固定化4～5h，即得直径为3～5mm的球形或带状微藻固定化材料。
4.根据权利要求3所述应用，其特征在于，所述微藻固定化材料在去除生活污水中氮磷营养盐的应用。
5.根据权利要求3所述应用，其特征在于，将制备的微藻固定化材料按照1000～8000个/L的比例投放到含有1mg/L的BPA 和E2的生活污水中，处理3～7d后回收再利用。
6.根据权利要求5所述应用，其特征在于，将制备的微藻固定化材料按照2000个/L的比例投放到含有1mg/L的BPA 和E2的生活污水中，处理3d后回收再利用。
7.根据权利要求3所述应用，其特征在于，步骤S2中所述海藻酸钠的质量为藻液总重量的2.5%。
8.根据权利要求3所述应用，其特征在于，步骤S2中所述微藻-海藻酸钠溶液与CaCl2溶液的体积比为1：2。
9.根据权利要求3所述应用，其特征在于，步骤S2中所述交联固定化的温度为4℃，时间为4h。
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