CN111893113A - 一种生物纳米磁铁矿及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物纳米磁铁矿及其制备方法与应用。一种生物纳米磁铁矿，由铁还原菌及铁氧化物制成。其制备方法如下：将铁还原菌接种于铁氧化物中，加入电子供体，调节pH，除氧，培养，得到生物纳米磁铁矿。所述的制备方法，还包括如下步骤：将得到的生物纳米磁铁矿离心，接着依次用水、无水乙醇清洗、分离，干燥。本发明提供的生物纳米磁铁矿粒径小、富含亚铁、同时具备高吸附特性和还原性；相比传统的生物修复方法，采用本发明提供的生物纳米磁铁矿进行修复，既防止了有机氯浓度对微生物毒害，具有处理高浓度有机氯农药和高消除效率等优点，对五氯酚的浓度高达10mg/Kg土壤的消除率高达91.56％，且无二次污染。

Description

一种生物纳米磁铁矿及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种生物纳米磁铁矿及其制备方法与应用。

背景技术

有机氯农药是自然界中普遍存在的高毒、难降解的持久性有机污染物。在农业生产总被广泛用于杀虫、杀菌、木材防腐等，对湿地、水体、土壤等造成了严重的污染，且土壤是有机氯农药的“聚集地”。而土壤中的有机氯农药被作物吸收后，将严重危害农产品安全，并通过食物链进入人体，危害人体健康。如何高效消除土壤中五氯酚污染成为亟待解决的环境问题。

目前，对于土壤中有机氯农药的去除方法有物理法、化学法和生物修复等。常用的物理修复方法有热解析和气相抽提技术等手段，这些方法较为简单、可操作性强，但投入量较大，破坏原有的土壤结构和生态系统，不适合大范围应用。化学修复方法主要是通过化学修复剂与有机氯农药发生化学反应，去除毒性，但对渗透性差的土壤修复效果不明显，且有可能引起二次污染的潜在危害。生物修复技术是环境友好型修复技术，费用较低，但微生物降解有机氯农药之前一般均需要一段时间的驯化期，且有一定的专属性，并不适用所有的有机氯污染土壤，土壤有机氯农药的含量也不能太大。这些传统修复技术的缺点制约了有机氯污染土壤修复的效果和发展。

近些年，随着科技发展进步，研究发现纳米材料修复技术给人们提供了新的机遇。纳米材料的粒径通常为1～100nm，体积小、比表面积大、活性强、催化潜力大等特征，被应用于环境污染物的治理中。尽管纳米材料如纳米零价铁对污染物的去除效率高，但通过化学手段合成的纳米材料，其粒径通常为50～100nm，且热力学不稳定，易团聚且容易被氧化腐蚀，从而引起还原能力的下降，使其发展应用受到了限制。

因此，必须对经典的纳米材料进行改进，克服弱稳定性、易沉淀以及还原能力下降等问题，为纳米材料还原降解有机氯农药提供更有利条件。

发明内容

为了克服现有还原降解有机氯农药存在的问题，本发明第一个方面的目的，在于提供一种生物纳米磁铁矿。

本发明第二方面的目的，在于提供上述生物纳米磁铁矿的制备方法。

本发明第三方面的目的，在于提供一种包含上述生物纳米磁铁矿的有机氯脱除剂。

本发明第四方面的目的，在于提供上述生物纳米磁铁矿和/或有机氯脱除剂在还原降解有机氯中的应用。

本发明第五方面的目的，在于提供一种修复有机氯污染的方法。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一个方面，提供一种生物纳米磁铁矿，由铁还原菌及铁氧化物制成。

所述的铁还原菌优选为产气肠杆菌Enterobacter aerogenes XM02(CGMCC1969)、成团泛菌Pantoea agglomerans MFC4(CGMCC 2353)、腐殖质棒杆菌Corynebacterium humireducens MFC5(CGMCC 2352)、硫还原地杆菌Geobactersulfurreducens PCA(ATCC51573)和奥奈达希瓦氏菌Shewanella onesidensis MR-1(ATCC700550)中的至少一种；更优选为奥奈达希瓦氏菌Shewanella onesidensis MR-1。

所述的铁氧化物优选为水铁矿和纤铁矿中的至少一种；更优选为水铁矿。

所述的生物纳米磁铁矿的粒径优选为1～10nm；更优选为1.5～5.5nm；更优选为1.6～5nm。

本发明的第二个方面，提供第一方面的生物纳米磁铁矿的制备方法，包括如下步骤：将铁还原菌接种于铁氧化物中，加入电子供体，调节pH，得到反应体系，除氧，培养，得到生物纳米磁铁矿。

所述的铁还原菌的菌液在所述的反应体系中的终浓度优选为10⁷～5×10⁹个细胞/mL；更优选为10⁸～5×10⁸个细胞/mL；最优选为10⁸个细胞/mL。

所述的铁氧化物中铁元素在所述的反应体系中的终浓度优选为10～30mmol/L；更优选为15～25mmol/L。

所述的铁还原菌优选通过如下方法得到：将铁还原菌种子液按1％～5％的接种量接种至发酵培养基，培养，得到的菌液进行离心、清洗、重悬。

所述的发酵培养基优选为LB液体培养基。

所述的培养的条件优选为25～35℃、150～200rpm培养14～18h；更优选为28～32℃、160～180rpm培养15～17h。

所述的离心的条件优选为4000～6000rpm离心4～6min；更优选为5000rpm离心5min。

所述的铁还原菌种子液优选通过如下步骤得到：将保存的铁还原菌活化、扩大培养，得到铁还原菌种子液。

所述的活化的步骤优选如下：将保存的铁还原菌在活化培养基上划线，28～32℃过夜培养，得到活化的铁还原菌。

所述的活化培养基优选为LB固体培养基。

所述的扩大培养的步骤优选如下：取单菌落活化的铁还原菌接入种子培养基，28～32℃培养14～18h，得到种子液。

所述的种子培养基优选为LB液体培养基。

所述的电子供体优选为微生物电子供体；更优选为乳酸、乳酸钠、乙酸和柠檬酸中的至少一种；最优选为乳酸。

所述的pH值优选为6.5～7.5；更优选为6.8～7.2；最优选为7.0。

所述的pH值优选通过缓冲液调节；更优选通过碳酸氢钠缓冲液调节。

所述的培养的条件优选为25～30℃静置避光培养7～10天；更优选为25～27℃静置避光培养7～8天。

所述的铁还原菌优选为产气肠杆菌Enterobacter aerogenes XM02(CGMCC1969)、成团泛菌Pantoea agglomerans MFC4(CGMCC 2353)、腐殖质棒杆菌Corynebacterium humireducens MFC5(CGMCC 2352)、硫还原地杆菌Geobactersulfurreducens PCA(ATCC51573)和奥奈达希瓦氏菌Shewanella onesidensis MR-1(ATCC700550)中的至少一种；更优选为奥奈达希瓦氏菌Shewanella onesidensis MR-1。

所述的铁氧化物优选为水铁矿和纤铁矿中的至少一种；更优选为水铁矿。

所述的水铁矿优选通过如下方法得到：将碱溶液加入可溶性铁盐溶液中，pH为6.8～7.2时静置4～6h，调节pH至6.8～7.2，离心、得到。

所述的生物纳米磁铁矿的粒径优选为1～10nm；更优选为1.5～5.5nm；更优选为1.6～5nm。

所述的生物纳米磁铁矿的制备方法，还包括如下步骤：将得到的生物纳米磁铁矿离心，接着依次用水、无水乙醇清洗、分离，干燥。

本发明的第三个方面，提供一种包含第一方面的生物纳米磁铁矿的有机氯脱除剂。

本发明的第四个方面，提供第一个方面的生物纳米磁铁矿和/或第三个方面的有机氯脱除剂在还原降解有机氯中的应用。

本发明的第五个方面，提供一种修复有机氯污染的方法，步骤如下：将有机氯污染物和上述的生物纳米磁铁矿混合，加入缓冲液调节pH，除氧、培养。

所述的混合优选为通过磁力搅拌混合均匀。

所述的有机氯污染物和所述的生物纳米磁铁矿的质量比优选为5～25：1；更优选为8～22：1；最优选为10～20：1。

所述的有机氯污染物包括有机氯污染水、有机氯污染土壤；优选为有机氯污染土壤。

所述的pH值优选为6.5～7.5；更优选为6.8～7.2；最优选为7.0。

所述的培养的条件优选为25～30℃静置避光培养7～10天；更优选为25～27℃静置避光培养7～8天。

本发明的有益效果是：

本发明利用铁还原菌对铁氧化物进行还原，得到一种粒径小、富含亚铁、同时具备高吸附特性和还原性的生物纳米磁铁矿，工艺简单。

相比传统的生物修复方法，采用本发明提供的生物纳米磁铁矿进行修复，既防止了有机氯浓度对微生物毒害，具有处理高浓度有机氯农药和高消除效率等优点，对五氯酚的浓度高达10mg/Kg土壤的消除率高达91.56％，且无二次污染，具有重要的环境和土壤学意义。

附图说明

图1是水铁矿及生物纳米磁铁矿的XRD图。

图2是水铁矿及生物纳米磁铁矿的扫描电镜(SEM)图：其中，(A)是标尺为200nm时，水铁矿的扫描电镜图；(B)是标尺为2nm时，生物纳米磁铁矿的扫描电镜图。

图3是生物纳米磁铁矿还原降解五氯酚、2,4,5-三氯酚、2,4-二氯酚的反应示意图。

图4是生物纳米磁铁矿对污染土壤中五氯酚的还原降解效果图：其中，不同字母代表不同处理间五氯酚的还原降解效率存在显著性差异(p＜0.05)。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。

实施例1铁还原菌的富集及纯化培养

将-80℃保藏的奥奈达希瓦氏菌(Shewanella onesidensis)MR-1(购买于中国海洋微生物菌种保藏管理中心)在LB平板上划线，30℃过夜培养；取单菌落接入液体LB培养基中，30℃培养16h；按1％(v/v)接种量转接至新的液体LB培养基中，30℃摇床180rpm培养16h。将培养好的菌液于5000rpm离心5min，用无菌水清洗离心，重复3次，最后将菌悬液重悬至所需浓度(10¹⁰个细胞/mL)，备用。

其中，LB液体培养基的配制为在950mL去离子水中加入胰蛋白胨(tryptone)10g、酵母提取物(yeast extract)5g、NaCl 10g，摇动容器直至溶质溶解；用去离子水定容至1L，121℃高压灭菌20min备用。配制固体平板培养基时，则需向液体中添加5％(w/v)琼脂，即50g/L，4℃保存。

实施例2水铁矿的合成

先配制0.4mol/L的FeCl₃.6H₂O溶液和1mol/L的NaOH溶液；在剧烈均匀搅拌情况下将NaOH溶液匀速(0.5mL/s)滴加到盛于高密度聚乙烯容器中的FeCl₃溶液，当pH接近中性时滴加速度要放慢，直至pH到达7.0时即形成厚厚的深红色水铁矿悬浊液；然后静止悬浊液4～6h让其老化，此时pH会略微下降(<1pH)；重新把pH调至7.0后，将悬浊液7000rpm、4℃冷冻离心10min，倒掉上层清液后加灭菌超纯水搅拌均匀重悬浮，然后重复离心，如此重复7次左右后直至水铁矿悬浊液中氯离子的浓度低于1mmol/L为止，得到铁浓度为200mmol/L的水铁矿。

实施例3生物纳米磁铁矿的制备

取25mL实施例2得到的水铁矿置于250mL的厌氧瓶中，将2mL实施例1中得到的菌悬液接种于水铁矿中，添加终浓度为20mmol/L乳酸作为微生物所需的电子供体，同时采用终浓度为25mmol/L碳酸氢钠缓冲液调节体系的pH值为7.0，得到的反应体系的终体积为200mL，水铁矿中铁元素的终浓度为25mmol/L，充N₂/CO₂混合气进行除氧30min，于25℃恒温厌氧箱中静置避光培养7～8天，得到黑色悬浊液；将悬浊液进行离心(10000rpm，15min)分离，去除上清液，保留黑色沉淀；用超纯水反复清洗磁铁矿沉淀三次，离心(10000rpm，15min)分离，倒掉上清液；用无水乙醇反复清洗磁铁矿沉淀三次，离心(10000rpm，15min)分离，倒掉上清液；收集底部的黑色沉淀物，立即真空冷冻干燥，得到生物纳米磁铁矿；将干燥后的生物纳米磁铁矿置于厌氧箱中，备用。

本实施例中所使用的反应器、配件及反应溶液均采用高温灭菌，实验反应在超净台进行。

采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对实施例2得到的水铁矿和实施例3得到的生物纳米磁铁矿进行检测结果表明：铁还原菌还原水铁矿生成的黑色沉淀为纳米级别磁铁矿，同时含有小部分的生物胞外产物；其XRD图及SEM形貌图分别如图1和2所示，可明显看出经过生物处理合成的生物磁铁矿的粒径相对较小，增大了其表面积，可以进一步加强其对有机氯农药的吸附作用。采用粒度仪测量实施例3得到的生物纳米磁铁矿，其粒径大小范围为1.6～5nm。

实施例4生物纳米磁铁矿还原降解氯酚有机物

实验组：取0.5g实施例3中得到的生物纳米磁铁矿置于20mL的厌氧瓶中，加入终浓度为5mg/L的五氯酚、2,4,5-三氯酚和2,4-二氯酚，随后加入终浓度为25mmol/L碳酸氢钠缓冲液调节体系的pH值为7.0，反应体系为10mL，充混合气除氧密封，置于厌氧箱中25℃静置避光培养(图3)。

实验同时设置对照处理，分别为：对照(1)碳酸氢钠缓冲液+氯酚有机物，对照(2)铁还原菌+乳酸+碳酸氢钠缓冲液+氯酚有机物，对照(3)铁还原菌+乳酸+水铁矿+碳酸氢钠缓冲液+氯酚有机物，对照组的反应体系为10mL，其中，氯酚有机物、乳酸、碳酸氢钠缓冲液以及水铁矿的终浓度分别为5mg/L、20mmol/L、25mmol/L及25mmol/L，铁还原菌为Shewanella onesidensis MR-1，铁还原菌的终浓度为10⁸个细胞/mL；反应体系的pH值为7.0；充混合气除氧密封，置于厌氧箱中25℃静置避光培养。

每个处理设置三个重复。反应5天后，取出样品，加入乙醇(乙醇的最终含量为50％)后将反应器于摇床25℃恒温，180rpm的条件下，持续震荡1h进行提取，之后过滤上机，验证生物纳米磁铁矿的消除效果。氯酚有机物的浓度由高效液相色谱仪(HPLC，Waters1525/2487，USA)测定(色谱柱为Xterra 4.6*250mm C18反相色谱柱；流动相为甲醇和1％冰乙酸，比例为80:20(v/v)；流速为1.0mL/min、，柱温为35℃，检测波长为295nm)，结果如表1所示：培养5天后，在未添加水铁矿的对照处理(对照(1)、对照(2))中，三种氯酚有机物的含量没有明显变化，降解效率极低；尽管对照(3)中添加铁还原菌和水铁矿，但其三种氯酚有机物的降解效果仍显著低于添加生物纳米磁铁矿的处理组，添加生物纳米磁铁矿的处理组中五氯酚、2,4,5-三氯酚、2,4-二氯酚的降解率可分别达到93.74％、87.11％和96.71％，表明：生物纳米磁铁矿对氯酚有机物具有明显的降解效果。

表1氯酚有机物还原降解效率

注：不同字母表示不同处理间氯酚有机物的还原降解效率存在显著性差异(p＜0.05)

实施例5生物纳米磁铁矿对污染土壤中五氯酚的去除效果

处理组：分别取5g灭菌土(实验用土采自广东省华南植物园科研区水稻土壤，利用γ射线(50kGy)灭菌处理，经检测灭菌土中无五氯酚)置于20mL的厌氧瓶中，分别加入0.25g、0.5g实施例3得到的的生物纳米磁铁矿，并通过磁力搅拌使得磁铁矿与灭菌土充分混合均匀；随后分别加入终浓度为5mg/L的五氯酚；加入终浓度为25mmol/L碳酸氢钠缓冲液调节体系的pH值为7.0，整个反应体系为10mL，得到处理组：(1)灭菌土+5％纳米生物磁铁矿+五氯酚；(2)灭菌土+10％纳米生物磁铁矿+五氯酚；充混合气除氧密封，置于厌氧箱中25℃静置避光培养。实验同时设置对照处理，分别为：(1)灭菌土+五氯酚；

(2)灭菌土+乳酸+铁还原菌+五氯酚；对照组的反应体系为10mL，其中，灭菌土5g，五氯酚、乳酸、碳酸氢钠缓冲液的终浓度分别为5mg/L、20mmol/L、25mmol/L，铁还原菌为Shewanella onesidensis MR-1，铁还原菌的终浓度为10⁸个细胞/mL；反应体系的pH值为7.0；混匀样品，充混合气除氧密封，置于厌氧箱中25℃静置避光培养。每个处理设置三个重复，污染土壤中五氯酚的浓度可高达10mg/Kg土壤。培养七天后，取出样品，加入乙醇(乙醇的最终含量为50％)后将反应器于摇床25℃恒温，180rpm的条件下，持续震荡1h提取，之后过滤上机，验证生物纳米磁铁矿的消除效果。氯酚有机物的浓度由高效液相色谱仪(HPLC，Waters 1525/2487，USA)测定(色谱柱为Xterra 4.6*250mm C18反相色谱柱；流动相为甲醇和1％冰乙酸，比例为80:20(v/v)；流速为1.0mL/min、，柱温为35℃，检测波长为295nm)，结果如图4所示：在仅有灭菌土和五氯酚的对照组中，仅7.11％的五氯酚被降解；在含有灭菌土+乳酸+铁还原菌+五氯酚的对照组中，由于铁还原菌Shewanella onesidensis MR-1的存在，可将土壤中的铁还原，生成亚铁，进而降解五氯酚，可以还原降解51.96％的五氯酚；而添加5％生物纳米磁铁矿、10％生物纳米磁铁矿的处理组，五氯酚的含量分别都降低了83.7％、91.56％，说明生物纳米磁铁矿能显著降低土壤中有机氯农药的含量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物纳米磁铁矿，其特征在于：由铁还原菌及铁氧化物制成。

2.根据权利要求1所述的生物纳米磁铁矿，其特征在于：所述的生物纳米磁铁矿的粒径为1～10nm；优选为1.5～5.5nm；更优选为1.6～5nm。

3.权利要求1或2所述的生物纳米磁铁矿的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将铁还原菌接种于铁氧化物中，加入电子供体，调节pH，得到反应体系，除氧，培养，得到生物纳米磁铁矿。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的铁氧化物中铁元素在所述的反应体系中的终浓度为10～30mmol/L；优选为15～25mmol/L。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的铁还原菌的菌液在所述的反应体系中的终浓度为10⁷～5×10⁹个细胞/mL；优选为10⁸～5×10⁸个细胞/mL；

所述的铁还原菌优选通过如下方法得到：将铁还原菌种子液按1％～5％的接种量接种至发酵培养基，培养，得到的菌液进行离心、清洗、重悬。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述的pH值为6.5～7.5；

优选地，所述的培养的条件为25～30℃静置避光培养7～10天。

7.一种有机氯脱除剂，其特征在于：包含权利要求1或2所述的生物纳米磁铁矿。

8.权利要求1或2所述的生物纳米磁铁矿和/或权利要求7所述的有机氯脱除剂在还原降解有机氯中的应用。

9.一种修复有机氯污染的方法，其特征在于，步骤如下：将有机氯污染物和权利要求1或2所述的生物纳米磁铁矿混合，加入缓冲液调节pH，除氧、培养。

10.根据权利要求9所述的修复有机氯污染的方法，其特征在于：所述的有机氯污染物和所述的生物纳米磁铁矿的质量比为5～25：1；

优选地，所述的pH值为6.5～7.5；

优选地，所述的培养的条件为25～30℃静置避光培养7～10天。

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