CN111575269A

CN111575269A - 一种生物碳杂化微囊材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111575269A
Application number: CN202010495248.5A
Authority: CN
Inventors: 窦容妮; 邓辅财; 孙建腾; 王开峰; 滕青; 马寅; 牛显春; 陈梅芹
Original assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Current assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明属于环境污染物生物处理技术领域，公开了一种生物碳杂化微囊材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将鞘脂单胞菌(Sphingomonas)GY2B在细菌培养液中培养得到菌液；所述菌株于2006年2月24日在中国典型培养物保藏中心保藏，编号为CCTCC M 206019；(2)用海藻酸钠和壳聚糖通过层层自组装将上述菌液及生物碳包埋于微囊中，制得生物碳杂化微囊材料。该材料对多环芳烃污染土壤具有超强修复能力，25天内可将菜园土壤中所含的高浓度(100mg/kg)多环芳烃菲去除82％以上，而与此同期的未改性微囊菌剂材料则只能去除约69％。

Description

一种生物碳杂化微囊材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环境污染物生物处理技术领域，具体涉及一种多环芳烃高效降解微囊材料的制备及其在废水生物处理和污染土壤修复中的应用。

背景技术

多环芳烃是环境中普遍存在的一类有机污染物，它通常是指一类含有两个或两个以上苯环，以线状、角状或簇状排列的稠环型化合物，具有生物积累性和环境持久性，并且有致癌、致畸、致突变(三致)作用，对自然界生物安全和人类健康构成巨大威胁。

环境中多环芳烃绝大多数积累于土壤中，可以通过农作物以生物链的形式传递，将其积累于人体内，造成人体的损伤。多环芳烃农田污染土壤修复，尤其是强化长期污染土壤的修复显得十分重要和迫切。

利用微生物处理法解决环境中的多环芳烃污染问题已被广泛接受，其优点在于效果好、费用低、二次污染少等，是一类低耗高效和环境安全的生物修复技术。然而，游离微生物在实际修复中因土著菌的恶性竞争或环境条件改变等因素，往往难以适应实际修复环境，无法达到理想的修复效果，因此，研制出具有高效的多环芳烃高效降解的修复材料已经成为目前污染环境治理和修复研究的热点问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物碳杂化微囊材料及其制备方法，以及在废水生物处理和污染土壤修复中的应用。

本发明的技术方案如下：

一种生物碳杂化微囊材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将鞘脂单胞菌(Sphingomonas)GY2B在细菌培养液中培养得到菌液；所述菌株于2006年2月24日在中国典型培养物保藏中心保藏，编号为CCTCC M206019；

(2)用海藻酸钠和壳聚糖通过层层自组装将上述菌液及生物碳包埋于微囊中，制得生物碳杂化微囊材料。

优选地，步骤(2)所述包埋的步骤为：

①将CaCl₂溶液、生物碳及壳聚糖加入到菌液中，在磁力搅拌下迅速加入Na₂CO₃溶液，搅拌均匀后，静置，即制得壳聚糖掺杂的碳酸钙胶体粒子；

②将所得粒子用水洗涤，再将海藻酸钠溶液加入其中，使其在壳聚糖表面进一步沉积；如此重复2-3次，即将上述菌液包埋于生物碳杂化微囊中，去除微囊中的CaCO₃模板，制得石墨烯杂化微囊材料。

优选地，步骤②所述去除微囊中的CaCO₃模板是用EDTA溶液去除。

优选地，步骤①所述CaCl₂和Na₂CO₃溶液浓度为0.33mol/L；静置时间为20～30min。

优选地，步骤(2)所述壳聚糖和海藻酸钠的浓度均为0.1-2g/L；所述生物碳的包埋量为微囊材料质量的3-10％，菌液的包埋量为10¹⁰CFU/g微囊材料。

优选地，所述细菌培养液为营养肉汁培养基，成分及用量：牛肉膏3g/L，蛋白胨10g/L，NaC1 5g/L，琼脂20g/L，调整pΗ7.0-7.2。

上述方法制备的生物碳杂化微囊材料在降解水中或土壤中多环芳烃的应用。

优选地，所述多环芳烃为菲。

优选地，所述生物碳杂化微囊材料的添加量为2.0±1.0g/400g土。

优选地，所述细菌的初始接种量≥10⁷CFU/g土。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明杂化微囊材料对对多环芳烃污染具有超强去除能力，在室温(20±5℃)下，25天内可将菜园土壤中所含的高浓度(100mg/kg)多环芳烃菲去除82％以上。

(2)由本发明的杂化微囊材料由降解多种PAHs的安全菌株组成。适合南方水稻土、菜菌株园土、红壤等土壤类型，具有修复多环芳烃污染土壤的显著效果。

本发明鞘脂单胞菌(Sphingomonas)GY2B于2006年2月24日在中国典型培养物保藏中心保藏，编号为CCTCC M 206019，该菌株已在中国专利CN104651346B中公开，属于现有技术。

附图说明

图1游离菌及BC改性LBL微囊SEM图：空白微囊(a:×3000；b:×10000)；含BC及GY2B的LBL微囊(c:×20000)。

图2游离菌及BC改性LBL微囊的TEM图：(a)游离菌GY2B(×8900)；(b)含BC及GY2B的LBL微囊(×12500)。

图3BC改性LBL微囊的红外光谱(FT-IR)图。

图4不同添加量的生物碳对水中菲的去除率变化图(a)吸附曲线图；(b)吸附动力学拟合图。

图5BC改性LBL微囊菌剂对水中初始浓度30mg L^-1菲的降解图(FB:游离菌；LBL:微囊固定化菌；BC-LBL:BC杂化改性微囊固定化菌)。

图6不同pH值对本发明改性微囊材料降解菲的影响图。菲初始浓度＝30mg/L。(FB:游离菌；LBL:未改性微囊固定化菌；BC-LBL:BC杂化改性微囊固定化菌)。

图7不同温度对本发明改性微囊材料降解菲的影响图。菲初始浓度＝30mg/L。处理：FB：游离菌；LBL:微囊固定化菌；BC-LBL：BC杂化改性微囊固定化菌。

图8本发明BC杂化微囊材料对菲污染土壤修复过程中，土壤中菲去除率变化图。菲初始浓度＝100mg/kg。(FB:游离菌；LBL:微囊固定化菌；BC-LBL:BC杂化改性微囊固定化菌)。

图9菲污染土壤的修复过程中土壤微生物门水平的菌群分布及变化情况：游离菌(FB)；LBL微囊固定化处理(LBL)；BC杂化改性LBL微囊菌剂处理样品(BC-LBL)。菲初始浓度＝100mg/kg。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1

本发明多环芳烃降解微囊材料的制备

本发明的鞘脂单胞菌(Sphingomonas)GY2B菌株的培养方法：

将菌株分别划线接种于牛肉汁蛋白胨培养基上，28-30℃培养48h，然后分别接入500mL三角瓶，在30℃，150r/min下，培养12h。然后按5％接种量接入到5L种子罐中，在180r/min，pH7.5，通气量5L/min下，培养24h。

营养肉汁培养基，成分及用量(g/L)：牛肉膏3，蛋白胨10，NaCl₅，琼脂20，调整pΗ7.0-7.2。

生物碳制备方法：将棕榈晾干破碎置于高温炉中，在500℃碳化8h即得到。

具体步骤如下：1)将鞘脂单胞菌(Sphingomonas)GY2B在细菌培养液中培养好的菌密度为6×10⁸CFU/L的菌液40ml；2)将CaCl₂·2H₂O和Na₂CO₃配成0.33M的溶液；取200mLCaCl₂溶液和30mg生物碳及400mL CHI加入到菌液中，在磁力搅拌下迅速加入200mL的0.33MNa₂CO₃溶液，搅拌30s后，静置20～30min，即制得CHI掺杂的碳酸钙(CaCO₃(CHI))胶体微粒。将所得粒子用水洗涤三次，再将400mL海藻酸钠(ALG)溶液加入其中，使其在CHI的表面进一步沉积；如此重复2-3次，即可将上述菌液包埋于生物碳杂化微囊中。如此得到的为下表1所述含菌及CaCO₃模板微粒的BC-LBL微囊。接下来，加入400ml 0.1M的EDTA溶液去除微囊中的CaCO₃模板，即可得到下表1所述去掉CaCO₃模板的含菌的BC改性LBL微囊，产物质量约1.0g。

实施例2

本发明多环芳烃降解微囊材料的形貌结构特征

(1)表面孔隙特征

BC改性LBL微囊的比表面积及孔容等相关参数见表1。分别为0.33M的CaCl₂.2H₂O和Na₂CO₃溶液相互反应制备得到的CaCO₃模板微粒的比表面积非常小(<2m²/g)，几乎可以看做没有孔隙，而去掉CaCO₃模板微粒前的LBL微囊的比表面积为7.45m²/g，远远高于CaCO₃模板微粒。BC改性微囊固定化菌剂不论是否去CaCO₃模板，其比表面积及总孔容均比未改性的微囊固定化菌剂明显提升。这些变化是有利于囊中的降解菌的存活和生长繁殖的。此外，微囊的孔径大小也较改性前有一定提升，也说明LBL微囊的介孔结构有所增强。

表1 BC改性LBL微囊的比表面积、孔尺寸、孔容参数

注：(a)使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法测定；(b)使用t-plot方法测定的孔表面积；(c)测定的总孔容；(d)平均孔尺寸。

(2)表面形貌特征

游离菌及BC改性LBL微囊的扫描电镜(SEM)结果见图1(a-c)。由图可知，微囊形状规则，呈现椭圆状，粒径约为4μm，这一尺寸要比本研究中使用的降解菌GY2B的尺寸(该菌直径约400nm)要大很多，说明理论上，将该菌封装于微囊中是可行的。此外，封装有BC后的微囊表面变得皱褶，可能是微囊里面装有BC的缘故，同时这也可以证实BC成功封装其中。封装有细菌及BC后的LBL微囊及游离菌经过切片后，透射电镜(TEM)观察结果见图2(a-b)。由图2(a)可见，游离菌的横切片图为圆形，粒径约300-400nm。由图2(b)可见，含GY2B的BC改性LBL微囊的横切片图为椭圆形，高约500nm，长约4μm，尺寸数据与SEM的结果基本吻合，综合SEM与TEM结果，我们推断微囊整体形状应该为药片状。此外，微囊切片中出现密集的黑点(黑点过多，已成团)，证实了微生物确实被封装于微囊结构中。然而，个别微囊呈现出的长度尺寸不足4μm，这很可能是这些切片样品在进行切片制样时，切片刀未切到中心位置所致。

(3)结构特征

通过图3红外光谱(FT-IR)分析可知，BC改性LBL微囊后的BC-LBL样品仍然保留了BC的位于约880和1450cm^-1两处特征峰，也说明了BC成功负载在了微囊表面。同时，BC-LBL样品的SEM图片表明微囊外表面并未见明显的BC颗粒，说明BC成功负载于微囊的内表面而非外表面。该结果有利于杂化微囊对污染物的捕获及促使污染物向微囊定向迁移，从而最终提升微囊固定化微生物的降解性能。

实施例3

本发明多环芳烃降解微囊材料使用的生物碳原材料对菲的吸附性能测试

如图4a所示，加入不同量的生物碳对200ml初始浓度为0.6mg/L的菲-水溶液中的菲吸附过程都可分三个阶段，第一阶段吸附速度较快，第二阶段吸附速率减慢，第三阶段达到平衡(三种情况均在120min时达到吸附平衡)。添加2mg的生物碳到含菲的水溶液中，生物碳吸附菲的速度较慢，且炭的吸附饱和量较低，达到吸附第二阶段的时间较长(在90min左右)；添加4mg的生物碳到含菲的水溶液中，生物碳吸附菲的速度略增，且炭的吸附饱和量有所提高，达到吸附第二阶段的时间较短(在60min左右)；添加6mg的生物碳到含菲的水溶液中，生物碳吸附菲的速度明显提高，且炭的吸附饱和量大大增加，达到吸附第二阶段的时间与4mg炭添加量的时间相近。

采用线性形式的准一级动力学方程对不同使用量的生物碳对水中菲的吸附数据进行拟合，结果见图4b。由拟合的相关关系系数可见，使用不同量的生物碳对蒙脱石中菲的吸附动力学数据均符合准一级动力学方程。比较准一级动力学常数可知，使用2mg的生物碳后，生物碳对水中菲的吸附速率常数较低(吸附速率常数为0.0033min^-1)，使用4mg的生物碳后，吸附速率常数没有显著的提升,使用6mg的生物碳后，吸附速率常数由0.0033min^-1提高至0.0106min^-1。

结果表明，添加6mg的生物碳量具有最好的吸附效果。

实施例4

本发明BC杂化微囊材料对水体中菲的降解实验

将实施例1制得的BC改性微囊材料按比例为0.1g/20ml接种至菲浓度30mg/L的MSM培养液中，以含相同量未改性微囊材料的含相同浓度菲MSM培养液为空白，置于30℃的摇床中，在150r/min条件下避光振荡培养后测定培养液中菲的剩余量。所述MSM培养液的配方为：100mg/L(NH₄)₂SO₄，20mg/LMgSO₄·7H₂O，10mg/LCaCl₂·2H₂O；微量元素：1.2mg/LFeSO₄·7H₂O，0.3mg/LMnSO₄·H₂O，0.3mg/LZnSO₄·7H₂O，0.1mg/LCoSO₄·7H₂O，0.1mg/L(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O；磷酸盐缓冲溶液：2.5g/LK₂HPO₃，0.77g/LKH₂PO₃，pH值约为7.0。

由图5可知，在菲初始浓度为30mg/L时，改性微囊材料对菲的去除效率高于未改性微囊材料及游离菌。12，18，24h去除率可以分别由未改性微囊材料的34.4％，66.4％，96.4％提高到改性微囊材料的42％，80.5％，99.7％。

实施例5

本发明生物碳杂化微囊材料对水体中菲的降解的环境适应性实验

将实施例1制得的BC改性微囊材料按比例为0.1g/20ml接种至菲初始浓度30mg/L的MSM培养液中，以未改性微囊材料的含菲MSM培养液为对照，置于30℃的摇床中，在150r/min条件下避光振荡培养2d后测定培养液中菲的剩余量。由图6可知，本发明改性微囊材料在pH＝6的酸性条件下比未改性微囊材料具有更高的菲降解率。可见，本发明改性微囊材料与未改性微囊材料相比具有更广的pH适应范围。同时，由图7可知，本发明改性微囊材料在温度为20-35℃条件下都比未改性微囊材料具有更高的菲降解率。可见，本发明改性微囊材料与未改性微囊材料相比具有更佳的热稳定性。

实施例6

本发明生物碳杂化微囊材料对菲污染土壤的修复实验

在500ml烧杯中装有400g已经加入菲100mg/kg土的不灭菌土壤，土壤中加入实施例1的2.0g生物碳杂化微囊材料，使得初始接种量为10⁷CFU/g土。游离GY2B作为对照，使用量同样为10⁷CFU/g土，在30度恒温箱中培养。定期取样测定土壤中菲的残留量。

图8结果表明：使用本发明生物碳杂化微囊材料修复25d后，使用本发明生物碳杂化微囊材料对含有菲100mg/kg的土壤处理25天后菲的去除率即可达到82％，而此时未改性微囊固定化菌及游离菌对照的降解率仅分别为69％和40％。

修复过程中各处理土壤中的微生物群落结构的变化采用Ilumina MiSeq测序平台进行分析。门组成情况的分析结果如图9所示，在所分析的4个土壤样品中，共计有5个优势门类的微生物被鉴定出来，包括有:酸杆菌门Acidobacteria,变形菌门Proteobacteria,放线门Actinobacteria,拟杆菌门Bacteroidetes和牙单胞菌门Gemmatimonadetes.其中变形门Procobacteria和放线门Actinobacteria这两个门类在所有样品中均占据主导，变形菌门Proteobacteria在所有细菌种类中占握30％-60％的比重。研究结果发现，放线门Actinobacteria在BC-LBL_25d样品中的丰度非常高，可以占到40％，但是在样品LBL_25d、FB_25d中所占的比例有所下降。

研究发现，变形菌Proteobacteria在海洋生态系统中高环的有机物降解，低温情况下的石油降解，creosote污染的土壤中的多环芳烃降解等大量的有机污染物修复过程中均被检测到。有研究表明，放线门Actinobacteria可在多环芳烃，如荧蒽，污染的土壤中的微生物群落组成中占据主导。放线门Actinobacteri是典型的土壤中的高环多环芳烃降解菌门类，例如，其下属的分支杆菌属(Mycobacterium)就经常被作为芘的降解菌分离出来。研究结果还发现，在BC-LBL_25d样品中牙单胞菌门Gemmatimonadetes的丰度也非常高，可以占到10％，但是在未经改性的样品中所占的比例却有所下降。表明该门类也参与到了菲的降解过程。此外，BC-LBL_25d样品中酸杆菌门Acidobacteria和拟杆菌门Bacteroidetes的比重也有所增加，分别由初期的2％和3％增长到7％，而它们在游离菌(FB)处理土壤中的比重却一直停留在较低水平。BC-LBL_25d样品中的这些菌的丰度与未改性微囊菌剂处理样品中的不同，应该是两者降解率有所差异的一个原因。

Claims

1.一种生物碳杂化微囊材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述包埋的步骤为：

②将所得粒子用水洗涤，再将海藻酸钠溶液加入其中，使其在壳聚糖表面进一步沉积；如此重复2-3次，即将上述菌液包埋于生物碳杂化微囊中，去除微囊中的CaCO₃模板，制得生物碳杂化微囊材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤②所述去除微囊中的CaCO₃模板是用EDTA溶液去除。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤①所述CaCl₂和Na₂CO₃溶液浓度为0.33mol/L；静置时间为20～30min。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述壳聚糖和海藻酸钠的浓度均为0.1-2g/L；所述生物碳的包埋量为微囊材料质量的3-10％，菌液的包埋量为10¹⁰CFU/g微囊材料。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，所述细菌培养液为营养肉汁培养基，成分及用量：牛肉膏3g/L，蛋白胨10g/L，NaC1 5g/L，琼脂20g/L，调整pΗ7.0-7.2。

7.权利要求1～6任一项所述方法制备的生物碳杂化微囊材料。

8.权利要求7所述生物碳杂化微囊材料在降解水中或土壤中多环芳烃的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述多环芳烃为菲。

10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述生物碳杂化微囊材料的添加量为2.0±1.0g/400g土。