CN110195052B

CN110195052B - 一种光合细菌固定化颗粒及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN110195052B
Application number: CN201910466470.XA
Authority: CN
Inventors: 李畅; 廖芳群; 李雄; 秦磊; 张国亮
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: CN110195052A

Abstract

本发明一种光合细菌固定化颗粒及其制备方法与应用。所述的光合细菌固定化颗粒的制备方法为：通过富集培养获得光合细菌浓缩液，然后将海藻酸钠与光合细菌浓缩液混合均匀，滴入到乙酸锌溶液中，形成固定化小球；将小球加入到2‑甲基咪唑溶液中，获得最终的光合细菌固定化颗粒。本发明所制备的光合细菌固定化颗粒具有较强的机械性能，制备方法简单，反应条件温和，价格低廉，且由于海藻酸钠小球的多孔性和透光性，克服了传统包埋颗粒的传质性能差，光利用率较低的难题。在保证光合细菌生长活性的前提下，提高了光合细菌对有机废水的处理效果。

Description

一种光合细菌固定化颗粒及其制备方法与应用

(一)技术领域

本发明涉及一种光合细菌固定化颗粒及其制备方法，所述的光合细菌固定化颗粒用于降解有机废水，属于水处理技术领域。

(二)背景技术

光合细菌(Photosynthetic bacteria，PSB)是一类以光作为能源，能在厌氧光照或者好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体以及碳源，从而进行光合作用的原核微生物。由于光合细菌菌体较小，自然沉降困难，在实际应用中主要存在菌体易流失和固液分离难两个问题。为了解决这两个问题，需要不断地培养和添加新鲜菌体，还需要进行固液分离的处理工作，使得处理工艺流程复杂，处理成本增加，严重影响了光合细菌在工业废水处理中的应用。而微生物固定化技术可以解决这种问题，不仅能够使光合细菌高度密集并且保持生物活性，在适宜条件下还能够快速、大量增殖，将之应用于废水处理中，可以提高生物反应器内微生物(尤其是特殊功能的微生物)的浓度，还能降低不利环境对微生物生命活性的影响，有利于反应后的固液分离，缩短处理所需的时间。

传统的微生物固定化方法有吸附法、包埋法、交联法和无载体固定法，其中吸附法一般依靠生物体与多孔载体之间的作用力，使细菌附着在上面，虽然简单易行、条件温和，但是固定的生物体不够牢靠，容易脱落。在微生物的固定化方法中，以包埋法最为常用。它的原理是将生物体细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络中，通过聚合作用或通过离子网络形成，凝胶聚合物的网络可以阻止细菌的泄露，同时能让基质渗入和产物扩散出来。然而用聚乙烯醇、海藻酸盐、琼脂、明胶等作为包埋材料，大多机械性能差，极易破碎，进而限制了这种方法的应用。

(三)发明内容

本发明的目的之一是提供一种光合细菌固定化颗粒及其制备方法，利用海藻酸钠作为包埋材料，金属-有机骨架材料(MOFs)为多孔外壳，得到的固定化颗粒不仅具有较好的传质性且机械强度高，不易破碎。

本发明的技术方案包括以下步骤：

一种光合细菌固定化颗粒，其特征在于：所述的光合细菌固定化颗粒按照如下方法进行制备：

(1)配置光合细菌液体培养基，所述的光合细菌液体培养基的组成为：0.4～0.8g/L酵母膏，0.4～0.8g/L蛋白胨，2～3g/L CH₃COONa，0.1～0.4g/L NH₄Cl，0.4～0.8g/L NaCl，0.4～0.8g/L NaHCO₃，0.1～0.4g/L K₂HPO₄，0.1～0.4g/L MgSO₄·7H₂O，0.1～0.4g/LCaCl₂，溶剂为蒸馏水，初始pH为7.0～8.0，将所述的光合细菌液体培养基进行高压蒸汽灭菌，然后冷却至室温得到营养盐；将光合细菌加入到所述的营养盐中，30℃恒温光照培养，培养至对数生长期后取出，置于高速离心机上进行离心，收集菌体，将菌体悬浮于无菌水中，得到以干菌种质量计浓度为0.1～0.3mg/mL的光合细菌浓缩液；

(2)将海藻酸钠加入到光合细菌浓缩液中，搅拌混合均匀得到海藻酸钠浓度为20～30g/L的溶液A；

(3)将乙酸锌溶于无菌水中配成质量分数为5％～10％的乙酸锌水溶液，然后将步骤(2)所得溶液A缓慢滴入到所述的乙酸锌水溶液中，形成固定化小球，并用去离子水洗涤除去固定化小球表面的乙酸锌溶液；

(4)将2-甲基咪唑溶于无菌水中得到质量分数为5％～10％的2-甲基咪唑溶液，然后将步骤(3)所得固定化小球加入到所述的2-甲基咪唑溶液中，所述固定化小球的表面形成一层ZIF-8固定外壳，然后将所得产物用去离子水洗涤至中性，得到光合细菌固定化颗粒。

进一步，本发明所述的光合细菌为红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)光合细菌。

进一步，步骤(1)中，所述的离心转速为8000～10000转/分钟。

进一步，步骤(1)中，所述的高压蒸汽灭菌为在115℃下灭菌30min。

进一步，步骤(1)中，所述的光合细菌液体培养基的组成优选为：0.5g/L酵母膏，0.5g/L蛋白胨，3g/L CH₃COONa，0.1g/L NH₄Cl，0.5g/L NaCl，0.5g/L NaHCO₃，0.2g/LK₂HPO₄，0.1g/L MgSO₄·7H₂O，0.1g/L CaCl₂，溶剂为蒸馏水，初始pH为7.0～8.0。

再进一步，步骤(1)中，所述液体培养基的初始pH通过NaOH水溶液和HCl水溶液调节，所述NaOH水溶液的浓度为0.1mol/L，所述HCl水溶液的浓度为0.1mol/L。

进一步，所述的无菌水为经过高压蒸汽灭菌处理的去离子水，处理条件为在温度121℃，压力0.105Mpa的条件下维持30分钟。

本发明的目的之二在于所述的光合细菌固定化颗粒在处理有机废水中的应用。

进一步，所述的有机废水为含亚甲基蓝、4-硝基酚、罗丹明B或羊栖菜的废水。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)通过在室温下快速合成，制备方法简单，操作条件温和，成本低廉；

(2)MOFs外壳能够提高固定化颗粒的机械性能，使之不易破碎；

(3)用海藻酸钠包埋光合细菌，不会抑制细菌的活性，还可以阻止细菌的泄露，同时让基质渗入，产物扩散出来，提高了体系的传质速率；

(4)在保证光合细菌生长活性的前提下，提高了光合细菌对有机废水的处理效果。

(四)附图说明

图1是本发明实施例1中光合细菌固定化颗粒的处理效果图；

图2是本发明实施例2中光合细菌固定化颗粒的处理效果图；

图3是本发明实施例3中光合细菌固定化颗粒的处理效果图；

图4是本发明实施例4中光合细菌固定化颗粒的处理效果图。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明加以详细描述，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离本发明内容和范围内，变化实施都应包含在本发明的技术范围内。

本发明光合细菌为红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)光合细菌。

本发明采用的无菌水为经过高压蒸汽灭菌锅处理的去离子水，处理条件为温度121℃，压力0.105Mpa的条件下维持30分钟。

实施例1：光合细菌固定化颗粒降解亚甲基蓝

光合细菌浓缩液的制备：称取酵母膏0.5g、蛋白胨0.5g、CH₃COONa 3g、NH₄Cl 0.1g、NaCl 0.5g、NaHCO₃ 0.5g、K₂HPO₄ 0.2g、MgSO₄·7H₂O 0.1g、CaCl₂ 0.1g加入到1000mL蒸馏水中，用质量分数为10％的Na0H和10％的HCI调节pH＝7，搅拌均匀，即为光合细菌液体培养基。将所述的光合细菌液体培养基倒入锥形瓶中进行高压蒸汽灭菌，其中，灭菌温度为115℃，灭菌时间为30分钟，取出锥形瓶冷却至室温。用接种环移取5环固体培养基中保存的光合细菌至锥形瓶内，混匀，用纱布将锥形瓶口周围包好，置于培养箱中在光强为2000lux的条件下光照厌氧培养48h，培养温度为30℃，即得光合细菌富集培养液。将光合细菌富集培养液于培养温度为4℃，振荡器转速为10000转/分钟的条件下高速离心10分钟，弃去上清液，收集菌体，将菌体细胞重新悬浮于无菌生理盐水中，使每毫升生理盐水含有光合细菌细胞约300个，即配得光合细菌浓缩液。

光合细菌固定化颗粒的制备：将1.5g海藻酸钠溶于50mL光合细菌浓缩液中，搅拌均匀，记为溶液A；将10.526g乙酸锌溶于200mL无菌水中，超声均匀，再将溶液A滴入乙酸锌溶液中，搅拌2h，得到光合细菌/海藻酸钠小球，用去离子水洗涤；将10.526g 2-甲基咪唑溶于200mL无菌水中，超声均匀，将光合细菌/海藻酸钠小球加入到2-甲基咪唑溶液中，搅拌30min，即可得到最终的光合细菌固定化颗粒。

用光合细菌固定化颗粒降解10mg/L亚甲基蓝测定其生物降解活性，其降解率为87％，且光合细菌固定化颗机械强度增加52％。

对比例1：

光合细菌固定化颗粒的制备：将1.5g海藻酸钠溶于50mL光合细菌浓缩液中，搅拌均匀，记为溶液A；将22.22g乙酸锌溶于200mL无菌水中，超声均匀，再将溶液A滴入乙酸锌溶液中，搅拌2h，得到光合细菌/海藻酸钠小球，用去离子水洗涤；将22.22g 2-甲基咪唑溶于200mL无菌水中，超声均匀，将光合细菌/海藻酸钠小球加入到2-甲基咪唑溶液中，搅拌30min，即可得到最终的光合细菌固定化颗粒。

用光合细菌固定化颗粒降解10mg/L亚甲基蓝测定其生物降解活性，其降解率为74％，且光合细菌固定化颗机械强度增加67％。

实施例2：光合细菌固定化颗粒降解4-硝基酚

光合细菌浓缩液的制备：称取酵母膏0.5g、蛋白胨0.5g、CH₃COONa 3g、NH₄Cl 0.1g、NaCl 0.5g、NaHCO₃ 0.5g、K₂HPO₄ 0.2g、MgSO₄·7H₂O 0.1g、CaCl₂ 0.1g加入到1000mL蒸馏水中，用质量分数为10％的Na0H和10％的HCI调节pH＝7，搅拌均匀，即为液体培养基。将所述的光合细菌液体培养基倒入锥形瓶中进行高压蒸汽灭菌，其中，灭菌温度为115℃，灭菌时间为30分钟，取出锥形瓶冷却至室温。用接种环移取5环固体培养基中保存的光合细菌至锥形瓶内，混匀，用纱布将锥形瓶口周围包好，置于培养箱中在光强为2000lux的条件下光照厌氧培养48h，培养温度为30℃，即得光合细菌富集培养液。将光合细菌富集培养液于培养温度为4℃，振荡器转速为10000转/分钟的条件下高速离心10分钟，弃去上清液，收集菌体，将菌体细胞重新悬浮于无菌生理盐水中，使每毫升生理盐水含有光合细菌细胞约300个，即配得光合细菌浓缩液。

用光合细菌固定化颗粒降解10mg/L 4-硝基酚测定其生物降解活性，其降解率为79％，且光合细菌固定化颗机械强度增加52％。

实施例3：光合细菌固定化颗粒降解罗丹明B

用光合细菌固定化颗粒降解10mg/L罗丹明B测定其生物降解活性，其降解率为89％，且光合细菌固定化颗机械强度增加52％。

实施例4：光合细菌固定化颗粒降解羊栖菜废水

用光合细菌固定化颗粒降解化学需氧量为3000mg/L的羊栖菜废水测定其生物降解活性，其降解率为92％，且光合细菌固定化颗机械强度增加52％。

Claims

1.一种光合细菌固定化颗粒，其特征在于：所述的光合细菌固定化颗粒按照如下方法进行制备：

(1)配置光合细菌液体培养基，所述的光合细菌液体培养基的组成为：0.4～0.8g/L酵母膏，0.4～0.8g/L蛋白胨，2～3g/L CH₃COONa，0.1～0.4g/L NH₄Cl，0.4～0.8g/L NaCl，0.4～0.8g/L NaHCO₃，0.1～0.4g/L K₂HPO₄，0.1～0.4g/L MgSO₄·7H₂O，0.1～0.4g/L CaCl₂，溶剂为蒸馏水，初始pH为7.0～8.0，将所述的光合细菌液体培养基在下进行高压蒸汽灭菌，然后冷却至室温得到营养盐；将光合细菌加入到所述的营养盐中，30℃恒温光照培养，培养至对数生长期后取出，置于高速离心机上进行离心，收集菌体，将菌体悬浮于无菌水中，得到以干菌种质量计浓度为0.1～0.3mg/mL的光合细菌浓缩液；

2.如权利要求1所述的光合细菌固定化颗粒，其特征在于：所述的光合细菌为红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)光合细菌。

3.如权利要求1所述的光合细菌固定化颗粒，其特征在于：步骤(1)中，所述的光合细菌液体培养基的组成为：0.5g/L酵母膏，0.5g/L蛋白胨，3g/L CH₃COONa，0.1g/L NH₄Cl，0.5g/LNaCl，0.5g/L NaHCO₃，0.2g/L K₂HPO₄，0.1g/L MgSO₄·7H₂O，0.1g/L CaCl₂，溶剂为蒸馏水，初始pH为7.0～8.0。

4.如权利要求1或3所述的光合细菌固定化颗粒，其特征在于：所述的光合细菌液体培养基的初始pH通过NaOH水溶液和HCl水溶液调节，所述NaOH水溶液的浓度为0.1mol/L，所述HCl水溶液的浓度为0.1mol/L。

5.如权利要求1所述的光合细菌固定化颗粒，其特征在于：步骤(1)中，所述的离心转速为8000～10000转/分钟。

6.如权利要求1所述的光合细菌固定化颗粒，其特征在于：步骤(1)中，所述的高压蒸汽灭菌为在115℃下灭菌30min。

7.如权利要求1所述的光合细菌固定化颗粒，其特征在于：所述的无菌水为经过高压蒸汽灭菌处理的去离子水，处理条件为在温度121℃，压力0.105Mpa的条件下维持30分钟。

8.一种如权利要求1所述的光合细菌固定化颗粒在处理有机废水中的应用。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于：所述的有机废水为含亚甲基蓝、4-硝基酚、罗丹明B或羊栖菜的废水。