CN111729624A

CN111729624A - 一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法

Info

Publication number: CN111729624A
Application number: CN202010651328.5A
Authority: CN
Inventors: 詹其伟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: CN111729624B

Abstract

本发明公开了一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其步骤为：将海藻酸钠、磁性粒子加入去离子水中，搅拌；将海藻酸钠溶液滴加到氯化钙溶液中；将恶臭假单胞菌接种至培养基中，加入芽孢高效转化剂；将胶质芽孢杆菌接种至培养基中，向培养液中加入芽孢高效转化剂；将磁性多孔凝胶装填在玻璃管中，通过蠕动泵将恶臭假单胞菌、胶质芽孢杆菌等比例混合的微生物芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，待循环的培养液浓度稳定后停止，冷冻干燥；将凝胶置于污水中。结果表明，凝胶可有效降解多环芳烃、矿化游离态重金属离子。与物理化学方法、植物方法相比，本发明公开的污染修复方法成本低、速度快、效果好，且无二次污染。

Description

一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法

技术领域

本发明属于材料学、微生物学和环境科学多领域交叉的科学技术，涉及一种用于环境修复的生物凝胶的制备及其应用方法。

背景技术

随着我国工业、农业的快速发展，有机污染物、重金属通过工业废水、废气、农药、肥料等途径进入土壤，并在土壤中不断累积。多环芳烃和重金属是土壤污染中最常见的复合污染源，二者均不易降解。多环芳烃具有稳定的物理化学性质和较强毒性，难以发生化学和生物降解，可通过食物链迁移对处于高营养级的生物或人类健康造成伤害。重金属是指密度大于4.5g/cm³的金属，重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒，重金属不但难以降解，相反却能在食物链的生物放大作用下高度富集，迁移性极强。复合污染的复杂性远大于单一污染，当两种以上污染物存在同一环境时，各种污染物之间本身会发生一些反应，显著增加了修复难度。因此，多环芳烃、重金属复合污染理应得到科研工作者的高度关注。

多环芳烃、重金属复合污染的复杂性，使其研究进展缓慢，复合污染治理技术相对较少。对单一污染物的修复方法有很多，如对重金属的修复可以采取电动修复、热脱附等，而对多环芳烃的修复可以采取生物降解方法。目前，单一污染的修复技术仍存在诸多问题，修复成本高、工艺复杂、效率低、造成二次污染等。尽管如此，单一污染源的修复技术仍需要深入研究，为复合污染治理提供必要支撑。

发明内容

技术问题：本发明提供一种用于环境修复的生物凝胶的制备方法及其应用，该方法修复成本低、速度快、效果好，且无二次污染。

技术方案：本发明提供一种用于环境修复的生物凝胶的制备方法及其应用，包括以下步骤：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子加入去离子水中，充分搅拌均匀制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢滴加到氯化钙溶液中，持续反应时间2~4小时，获得磁性多孔海藻酸钠凝胶；

（2）将恶臭假单胞菌接种至培养基中，恒温振荡培养24~48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂，获得浓度为10⁸~10⁹个/mL恶臭假单胞菌芽孢培养液；将胶质芽孢杆菌接种至培养基中，恒温振荡培养24~48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂，获得浓度为10⁸~10⁹个/mL胶质芽孢杆菌芽孢培养液；

（3）将磁性多孔凝胶装填在玻璃管中，两端采用橡皮塞封堵，通过蠕动泵将恶臭假单胞菌、胶质芽孢杆菌等比例混合的微生物芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，并不断循环，待循环的混合微生物芽孢培养液浓度稳定后即停止，通过冷冻干燥获得包裹复合微生物芽孢的磁性多孔生物凝胶；

（4）将磁性多孔生物凝胶置于多环芳烃-重金属污染的污水中，缓慢搅拌，环境温度15~50℃，监测污水中多环芳烃、重金属离子浓度。

所述步骤（1）中海藻酸钠与去离子水质量比为1:100~10:100；

所述步骤（1）中磁性粒子为四氧化三铁，磁性粒子与去离子水质量比为1:100~3:100；

所述步骤（1）中氯化钙溶液溶度为10~100g/L；

所述步骤（1）中海藻酸钠、氯化钙反应温度为15~50℃；

所述步骤（2）中恶臭假单胞菌培养基为1000mL去离子水、蛋白胨5~6g、牛肉浸取物3~4g，NaCl 5~6g、琼脂15~18g、MgSO₄ 0.4~0.5g；

所述步骤（2）中胶质芽孢杆菌培养基为1000mL去离子水、蔗糖8~12g、Na₂HPO₄·12H₂O2~3g、MgSO₄ 0.4~0.6g、CaCO₃ 0.5~1.5g、KCl 0.1~0.2g、(NH₄)₂SO₄ 0.4~0.6g；

所述步骤（2）中芽孢高效转化剂为氯化锰、添加量为1~5g/L；

所述步骤（3）中玻璃管的尺寸为φ5×20cm、蠕动泵速度为5~10mL/min；

所述步骤（3）中冷冻干燥温度为-10~-40℃；

所述步骤（4）中污水含23.89 mg/L多环芳烃、12.32 mg/L砷；

所述步骤（4）中磁性多孔生物凝胶与污水的质量比为1:100~5:100。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、与传统的物理化学方法、植物方法相比，开创性的通过磁性多孔海藻酸钠凝胶包裹复合微生物，微生物降解多环芳烃，磁性粒子富集游离态重金属离子、微生物转化游离态为稳定矿物，快速有效实现多环芳烃、重金属污染的修复；

2、采用磁性多孔凝胶修复重金属污染时，以磁性粒子为中心富集游离态重金属离子，显著提高了修复效率，大大降低了磁性多孔凝胶的用量。

3、磁性多孔生物凝胶的多孔结构为微生物的包裹提供了空间、为微生物释放提供了通道，通过微生物的酶促反应特性，降解多环芳烃为小分子二氧化碳、水等，矿化游离态重金属离子为稳定矿物，阻止重金属离子的迁移。

附图说明

图1为实施例一中多环芳烃、重金属浓度与修复时间的关系；

图2为实施例二中多环芳烃、重金属浓度与修复时间的关系；

图3为实施例三中多环芳烃、重金属浓度与修复时间的关系。

具体实施方式

本发明提供一种用于环境修复的生物凝胶的制备方法及其应用，方法步骤如下：

实施例一：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子四氧化三铁加入去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量比为1:100，磁性粒子与去离子水质量比为1:100，搅拌速度800rpm，搅拌1小时，制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢滴加到氯化钙溶液中，氯化钙溶液溶度为10g/L，海藻酸钠、氯化钙反应温度为15℃，持续反应时间2小时，获得磁性多孔海藻酸钠凝胶。

（2）将恶臭假单胞菌接种至培养基中，每升培养基含有蛋白胨5g、牛肉浸取物3g，NaCl 5g、琼脂15g、MgSO₄ 0.4g，并控制pH为7，于28℃下振荡培养24小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂氯化锰、添加量为1g/L，获得恶臭假单胞菌芽孢培养液；将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖8g、Na₂HPO₄·12H₂O2g、MgSO₄ 0.4g、CaCO₃0.5g、KCl 0.1g、(NH₄)₂SO₄ 0.4g，并控制pH为7，于30℃下振荡培养24小时，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，加入芽孢高效转化剂氯化锰、添加量为1g/L，获得胶质芽孢杆菌芽孢培养液。

（3）将磁性多孔凝胶装填在玻璃管中，玻璃管的尺寸为φ5×20cm，两端采用橡皮塞封堵，通过蠕动泵将恶臭假单胞菌、胶质芽孢杆菌等比例混合的微生物芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，蠕动泵速度为5mL/min，并不断循环，待循环的混合微生物芽孢培养液浓度稳定后即停止，通过冷冻干燥获得包裹复合微生物芽孢的磁性多孔生物凝胶，冷冻干燥温度为-10℃；

（4）将磁性多孔生物凝胶置于多环芳烃-重金属污染的污水中，磁性多孔生物凝胶与污水的质量比为1:100，污水含23.89 mg/L多环芳烃、12.32 mg/L砷，缓慢搅拌，环境温度15℃，监测污水中多环芳烃、重金属离子浓度。

实例二：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子四氧化三铁加入去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量比为10:100，磁性粒子与去离子水质量比为3:100，搅拌速度800rpm，搅拌1小时，制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢滴加到氯化钙溶液中，氯化钙溶液溶度为100g/L，海藻酸钠、氯化钙反应温度为50℃，持续反应时间4小时，获得磁性多孔海藻酸钠凝胶。

（2）将恶臭假单胞菌接种至培养基中，每升培养基含有蛋白胨5g、牛肉浸取物3g，NaCl 5g、琼脂15g、MgSO₄ 0.4g，并控制pH为7，于28℃下振荡培养48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂氯化锰、添加量为2g/L，获得恶臭假单胞菌芽孢培养液；将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖8g、Na₂HPO₄·12H₂O2g、MgSO₄ 0.4g、CaCO₃0.5g、KCl 0.1g、(NH₄)₂SO₄ 0.4g，并控制pH为7，于35℃下振荡培养48h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，加入2g/L芽孢高效转化剂氯化锰，获得胶质芽孢杆菌芽孢培养液。

（3）将磁性多孔凝胶装填在玻璃管中，玻璃管的尺寸为φ5×20cm，两端采用橡皮塞封堵，通过蠕动泵将恶臭假单胞菌、胶质芽孢杆菌等比例混合的微生物芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，蠕动泵速度为5mL/min，并不断循环，待循环的混合微生物芽孢培养液浓度稳定后即停止，通过冷冻干燥获得包裹复合微生物芽孢的磁性多孔生物凝胶，冷冻干燥温度为-40℃；

（4）将磁性多孔生物凝胶置于多环芳烃-重金属污染的污水中，磁性多孔生物凝胶与污水的质量比为2:100，污水含23.89 mg/L多环芳烃、12.32 mg/L砷，缓慢搅拌，环境温度15℃，监测污水中多环芳烃、重金属离子浓度。

实例三：

（1）将海藻酸钠、磁性粒子四氧化三铁加入去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量比为10:100，磁性粒子与去离子水质量比为3:100，搅拌速度1200rpm，搅拌2小时，制备含磁性粒子的海藻酸钠溶液；将含磁性粒子的海藻酸钠溶液缓慢滴加到氯化钙溶液中，氯化钙溶液溶度为100g/L，海藻酸钠、氯化钙反应温度为50℃，持续反应时间4小时，获得磁性多孔海藻酸钠凝胶。

（2）将恶臭假单胞菌接种至培养基中，每升培养基含有蛋白胨6g、牛肉浸取物4g，NaCl 6g、琼脂18g、MgSO₄ 0.5g，并控制pH为8，于28℃下振荡培养48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂氯化锰、添加量为5g/L，获得恶臭假单胞菌芽孢培养液；将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖12g、Na₂HPO₄·12H₂O3g、MgSO₄ 0.6g、CaCO₃1.5g、KCl 0.2g、(NH₄)₂SO₄ 0.6g，并控制pH为8，于35℃下振荡培养48h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，加入5g/L芽孢高效转化剂氯化锰，获得胶质芽孢杆菌芽孢培养液。

（3）将磁性多孔凝胶装填在玻璃管中，玻璃管的尺寸为φ5×20cm，两端采用橡皮塞封堵，通过蠕动泵将恶臭假单胞菌、胶质芽孢杆菌等比例混合的微生物芽孢培养液由下而上打入装填磁性多孔凝胶的玻璃管，蠕动泵速度为10mL/min，并不断循环，待循环的混合微生物芽孢培养液浓度稳定后即停止，通过冷冻干燥获得包裹复合微生物芽孢的磁性多孔生物凝胶，冷冻干燥温度为-40℃；

（4）将磁性多孔生物凝胶置于多环芳烃-重金属污染的污水中，磁性多孔生物凝胶与污水的质量比为5:100，污水含23.89 mg/L多环芳烃、12.32 mg/L砷，缓慢搅拌，环境温度50℃，监测污水中多环芳烃、重金属离子浓度。

Claims

1.一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）分别将恶臭假单胞菌及胶质芽孢杆菌分别接种至不同培养基中，恒温振荡培养24~48小时，向培养液中加入芽孢高效转化剂，获得浓度为10⁸~10⁹个/mL恶臭假单胞菌芽孢培养液及胶质芽孢杆菌芽孢培养液，将两种培养液等比例混合；

（4）将磁性多孔生物凝胶置于多环芳烃-重金属污染的污水中，缓慢搅拌，监测污水中多环芳烃、重金属离子浓度。

2.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述海藻酸钠与去离子水质量比为1:100~10:100。

3.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述磁性粒子为四氧化三铁，四氧化三铁与去离子水质量比为1:100~3:100。

4.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述氯化钙溶液溶度为10~100g/L。

5.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述海藻酸钠、氯化钙反应温度为15~50℃。

6.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述芽孢高效转化剂为氯化锰，添加量为1~5g/L。

7.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述冷冻干燥温度为-10~-40℃。

8.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的制备及应用方法，其特征在于，所述磁性多孔生物凝胶与污水的质量比为1:100~5:100。

9.根据权利要求1所述的一种用于环境修复的生物凝胶的应用，其特征在于，该生物凝胶可用于多环芳烃-重金属污染的水体处理。