CN111484141B - 一种溴甲酚绿废水的降解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种溴甲酚绿废水的降解方法，属于污水处理技术领域，本发明通过将光激发纳米材料二氧化钛和产电微生物S.oneidensisMR‑1来构建一种新型生物光电还原体系，主要包括以下步骤，将产电微生物S.oneidensisMR‑1接入到含纳米二氧化钛的脱色培养基中进行厌氧反应，在反应过程中，产电微生物S.oneidensisMR‑1厌氧呼吸产生的电子，通过其自身的非特异性释放传递给光激发纳米材料二氧化钛，二氧化钛在UVA的光辐射下进行激发产生电子，并最终将电子传递给溴甲酚绿，使溴甲酚绿得到降解；本发明所构建的新型降解体系成功的解决了厌氧条件下纳米二氧化钛光生电子不足的问题，实现了对溴甲酚绿废水的高效降解。

Description

一种溴甲酚绿废水的降解方法
技术领域
本发明涉及一种溴甲酚绿废水的降解方法，特别是一种通过光激发纳米材料二氧化钛与电化学活性微生物ShewanellaoneidensisMR-1构建新型生物光电还原体系来实现高效降解溴甲酚绿废水的方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
溴甲酚绿废水主要来源于染料、生化、医药等行业，这些场所产生的废水往往成分复杂、种类多样。现实中这些场所通常都是对废水进行混合处理，废水处理往往缺少针对性的有效手段，处理后的废水很难满足国家日益严格的排放要求。且溴甲酚绿废水是一种难降解、有害的污染物，若不能得到有效处理排入环境中将会对环境造成破坏。
而当前研究溴甲酚绿废水处理所采取的主要方法是纳米材料的光催化降解，纳米二氧化钛由于其成本低、毒性小、光催化性能好、稳定性高等优点，是目前环境污染治理中应用最普遍的光催化剂。但其在有氧条件下利用光照形成的空穴所进行的光氧化降解，不利于染料的还原脱色；在完全厌氧条件下的光催化降解时，由于空穴不能被及时中和，又会影响光生电子的产生，最终导致对复杂有机物的光还原降解效果差。
发明内容
本发明旨在提供一种方法，来提高光激发纳米材料二氧化钛对溴甲酚绿废水的降解效率。
本发明通过将纳米二氧化钛与电化学活性微生物S.oneidensisMR-1相结合来构建新型生物光电还原体系，从而建立起一种新型高效降解溴甲酚绿废水的方法。本发明中，电化学活性微生物S.oneidensisMR-1厌氧呼吸产生的电子，通过其自身的非特异性释放传递给光激发纳米材料二氧化钛，二氧化钛在UVA的光辐射下进行激发产生电子，并最终将电子传递给溴甲酚绿，从而提高二氧化钛对溴甲酚绿的降解能力，降解过程见图1。
本发明所述光激发纳米材料是二氧化钛纳米颗粒，所述电化学活性微生物为S.oneidensisMR-1，所述污染物为溴甲酚绿。
本发明提供一种溴甲酚绿废水的降解方法，具体为光激发纳米材料二氧化钛和产电微生物S.oneidensisMR-1联用提高溴甲酚绿废水降解的方法，包括以下步骤：
（1）产电微生物S.oneidensisMR-1经震荡培养后收集菌体，用矿物盐培养基将菌体沉淀进行重悬，并调菌体浓度至4~6×107 CFU/mL；
其中所述产电微生物S.oneidensisMR-1菌体的制备如下：
配制固体平板LB培养基（含有酵母提取物5g/L、胰蛋白胨10g/L、氯化钠10g/L、琼脂2%），S.oneidensisMR-1在30℃下过夜进行培养；
将活化好的S.oneidensisMR-1菌株接种于50mL液体LB培养基中（培养基中不含琼脂），于30℃、200 rpm摇床中震荡培养至对数期，然后将培养好的菌液以7000 rpm离心15min收集菌体。
所述矿物盐培养基的配方如下：每升培养基含7.5 mmolNaOH、28 mmol NH4Cl、1.3mmolKCl、4.3 mmol NaH2PO4、100 mmolNaCl、1 mL 的维生素母液，1 mL氨基酸母液以及1 mL微量元素母液；参照文献（Bretschger O, Obraztsova A, Sturm C A, et al. Currentproduction and metal oxide reduction by ShewanellaoneidensisMR-1 wild typeand mutants[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(21): 7003-7012）。
（2）将步骤（1）获得的菌液接入含纳米二氧化钛和溴甲酚绿的矿物盐培养基中，并通入高纯氮气15min，来去除氧气，之后密封；
所述培养基含二氧化钛纳米颗粒和溴甲酚绿50mg/L；
所述产电微生物S.oneidensisMR-1菌液的用量为1.2mL；
含纳米二氧化钛和溴甲酚绿的矿物盐培养基的制备如下：
称取0.001 g溴甲酚绿，将其溶解于20mL矿物盐培养基中，使溴甲酚绿终浓度为50mg/L。
称取0.001 g纳米二氧化钛，将其悬浮于配制的含溴甲酚绿的矿物盐培养基中，并用超声波清洗器将混合溶液超声30min，使二氧化钛纳米颗粒在溶液中均匀分散终浓度为50mg/L。
（3）将步骤（2）获得的密封的混合溶液置于黑暗干燥环境中，在其对溴甲酚绿达到吸附平衡后放入摇床，在（30±0.5）℃、（200±5）rpm下进行反应，并对其进行UVA光照处理。
本发明的有益效果如下：
本发明选择的电化学活性微生物是一类可以利用多种有机物作为碳源，通过自身厌氧呼吸作用，将代谢产生的电子释放到周围环境，直接与胞外电子受体接触，或者通过电子递质的作用将电子转移给电子受体，进行异化厌氧呼吸的微生物。模式产电微生物S.oneidensisMR-1是一种兼性厌氧的革兰氏阴性菌，不仅能够利用氧气作为电子受体进行有氧呼吸，还能在厌氧条件下利用环境中的多种物质如染料等作为电子受体进行厌氧呼吸代谢。因此，本发明将光激发纳米材料二氧化钛和产电微生物S.oneidensisMR-1相结合，构建了新型生物光电还原体系。厌氧条件下S. oneidensis MR-1通过自身厌氧呼吸作用释放电子，并传递给纳米二氧化钛，从而起到为纳米二氧化钛补充电子的目的，最终纳米二氧化钛将电子传递给溴甲酚绿废水，以此来提高纳米二氧化钛对溴甲酚绿废水的降解能力。
本发明结合纳米二氧化钛可以降解溴甲酚绿废水及产电微生物S.oneidensisMR-1可以进行非特异性电子释放的特点，构建了一种新型的纳米二氧化钛和产电微生物S.oneidensisMR-1还原体系。既解决了厌氧条件下纳米二氧化钛光生电子不足的问题，大大提高了纳米二氧化钛对溴甲酚绿废水的降解效率。又提供了一种针对溴甲酚绿废水处理的有效手段，实现了对溴甲酚绿废水的高效降解。
附图说明
图1是构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系对溴甲酚绿降解的机理图。
图2是构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系与对照组对溴甲酚绿降解的全光谱图。
图3是构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系与对照组对溴甲酚绿的降解效率图。
图4是构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系与对照组对溴甲酚绿的降解速率图。
图中，dye代表溴甲酚绿；降解时间为12h。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步解释说明本发明的技术方案，以使本领域技术人员更好的理解，但是本发明的保护范围不限于此。
本发明所述菌株S.oneidensisMR-1是一种模式电化学活性微生物，由美国加利福尼亚大学尼尔森教授赠送，该菌保存于美国模式典型物收集中心（ATCC），菌株编号是ATCC700500TM，此菌种可直接从该中心购买。所用光激发纳米材料为市售二氧化钛纳米颗粒；所用的污染物为分析纯溴甲酚绿。
所用的固体平板LB培养基、矿物盐培养基、固体平板PDA培养基均为本领域常用，均可购买或自行按照常规配方配制。
实施例：
一种溴甲酚绿废水高效降解方法，产电微生物S.oneidensisMR-1厌氧呼吸产生的电子，通过其自身的非特异性释放传递给光激发纳米材料二氧化钛。纳米二氧化钛在UVA的光辐射下进行激发产生电子，并最终将电子传递给溴甲酚绿，实现了对溴甲酚绿的高效降解。
具体实施步骤如下：
（1）将保存在甘油管中的S.oneidensisMR-1划线于固体LB平板上，30℃过夜培养。
（2）用移液枪吸取活化好的S.oneidensisMR-1单菌落接种于50mL液体LB培养基中，于30℃、200 rpm摇床中震荡培养至对数期，然后将培养好的菌液以7000 rpm离心15min收集菌体。用矿物盐培养基将菌体沉淀进行重悬，并用可见分光光度计将菌体浓度调至4~6×107 CFU/mL，备用。
所述矿物盐培养基的配方如下：每升培养基含7.5 mmolNaOH、28 mmol NH4Cl、1.3mmolKCl、4.3 mmol NaH2PO4、100 mmolNaCl、1 mL 的维生素母液，1 mL氨基酸母液以及1 mL微量元素母液；参照文献（Bretschger O, Obraztsova A, Sturm C A, et al. Currentproduction and metal oxide reduction by ShewanellaoneidensisMR-1 wild typeand mutants[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(21): 7003-7012）。
（3）称取0.01 g溴甲酚绿溶解于200mL矿物盐培养基中得到混合溶液，设立实验组(同时加入二氧化钛和S.oneidensisMR-1，有UVA光照)、阴性对照组A（只加入二氧化钛，有UVA光照）、阴性对照组B（只加入S.oneidensisMR-1）、阴性对照组C（只有UVA光照）和阴性对照组D（只加入二氧化钛，无UVA光照），每个组设五个平行。
在实验组和阴性对照组B中分别加入步骤（2）中所制备好的1.2mL菌液，并对实验组与所有对照组均通入高纯氮气于溶液中15 min，之后密封。
（4）将步骤（3）中制得的混合溶液放入30℃、200 rpm摇床中进行培养，并对实验组、阴性对照组A与阴性对照组C接入UVA光照处理。
（5）对实验组和对照组进行取样（严格要求厌氧），并利用可见分光光度计与紫外分光光度计测定所取样品的吸光值与全光谱图。
（6）降解率（用脱色率表示）和平均降解速率（mg/h）分别按式（1）和式（2）进行计算。
脱色率（%）
Figure 308315DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure 428718DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式中，A 0、A t分别为染料溶液初始和降解t时间的吸光度；；C 0、C t分别为体系中染料初始和降解t时间后的浓度，mg/L；V为体系的容积，L；t为降解时间，h。每个实验重复五次。实验组与阴性对照组对溴甲酚绿降解的全光谱图、降解率图和降解速率图分别如图2、3、4所示，降解时间为12h。
从图2中可以看出，溴甲酚绿在构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系作用下最大吸收峰完全消失，而溴甲酚绿在阴性对照组A、B、C、D作用下最大吸收峰仍然存在。这表明构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系能够将溴甲酚绿完全降解，而其他阴性对照组只能够将溴甲酚绿部分降解。
从图3中可以看出，构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系对溴甲酚绿的降解率为99.29%，而对照组A（只加入二氧化钛有UVA光照）只有53.14%、对照组B（只加入S.oneidensisMR-1）、对照组C（只有UVA光照）和对照组D（只加入二氧化钛无UVA光照）分别仅为7.86%、3.46%和12.03%。
从图4中可以看出，所构建的纳米二氧化钛和S.oneidensisMR-1新型还原体系对溴甲酚绿的降解速率为4.137mg/h，明显大于所有的对照组，是对照组A（只加入二氧化钛有UVA光照）的1.87倍，对照组B（只加入S.oneidensisMR-1）的12.65倍，对照组C（只有UVA光照）的29.34倍，对照组D（只加入二氧化钛无UVA光照）的8.27倍。
综上可知，图2-4的结果表明通过二氧化钛和S.oneidensisMR-1构建的新型生物光电还原体系，成功的解决了厌氧条件下纳米二氧化钛光生电子不足的问题，显著地提高了二氧化钛对溴甲酚绿废水的降解效率和降解速率，实现了其对溴甲酚绿废水的高效降解，从而建立起一种新型高效降解溴甲酚绿废水的方法。因此，本专利提出的降解溴甲酚绿废水的方法是完全可行的。

Claims (6)

1.一种溴甲酚绿废水的降解方法，其特征在于，是将纳米二氧化钛与产电微生物S.oneidensisMR-1联用来降解溴甲酚绿废水；
所述方法包括：
（1）产电微生物S.oneidensisMR-1经震荡培养后收集菌体，用矿物盐培养基将菌体沉淀进行重悬，并调菌体浓度；
（2）将步骤（1）获得的菌液接入含纳米二氧化钛和溴甲酚绿的矿物盐培养基中，并通入高纯氮气，来去除氧气，之后密封；
（3）将步骤（2）获得的密封的混合溶液置于黑暗干燥环境中，在其对溴甲酚绿达到吸附平衡后放入摇床，并对其进行UVA光照处理。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产电微生物S.oneidensisMR-1的菌体浓度为4~6×107 CFU/mL。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含纳米二氧化钛和溴甲酚绿的矿物盐培养基中接入的产电微生物MR-1的量200mL中培养基中接入1.2mL产电微生物MR-1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含纳米二氧化钛和溴甲酚绿的矿物盐培养基含二氧化钛纳米颗粒终浓度为50mg/L、溴甲酚绿的终浓度为50mg/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合溶液通入高纯氮气15 min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合溶液在30±0.5℃、200±5 rpm摇床中进行UVA光照处理。
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