CN112920279B

CN112920279B - 一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112920279B
Application number: CN202110255657.2A
Authority: CN
Inventors: 袁益辉; 于秋寒; 王宁
Original assignee: Hainan University
Current assignee: Hainan University
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2041-03-09
Also published as: CN112920279A

Abstract

本发明公开了一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，将含有多肽单体的磷酸盐溶液加入交联剂进行聚合反应获得水凝胶产物，后冷冻干燥获得聚合肽水凝胶材料。该多肽单体序列为ILRWPWWPWRRK‑NH₂。本发明方法合成温度低，工艺简单；且所制备的聚合肽水凝胶材料具有独特的空间结构和配位元素，亲水性好，比表面积高，可同时利用物理吸附和化学配位提高其铀酰离子吸附能力，具有高结合亲和力、高选择性及高抗生物污损活性。

Description

一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

铀作为核电工业的主要燃料受到重视，虽然陆地上已探明的铀矿约760万吨，但无法持续性满足全球性的核能发电需求，因此海水提铀成为了解决铀资源短缺的重要途径。据估计海洋中的铀总量为45亿吨，铀含量比陆地铀矿高1,000倍。为了最大程度提取海洋中的铀资源，有研究团队尝试利用吸附剂进行铀提取分离回收，其中吸附剂包括有机聚合物，金属有机骨架，共价有机物以及生物材料等。但由于海洋环境复杂，铀浓度低(3.3ppb，μgL^-1)，复杂的共存干扰离子和海洋生物污染等问题，目前提铀吸附剂仍未能广泛应用。比如最广泛使用的偕胺肟类吸附剂，由于天然海水中的生物污损性不仅导致其铀吸附能力降低30％，且破坏吸附剂结构，从而降低吸附剂重复使用性的同时增加铀提取的经济成本。目前有人提出将抗菌剂引入铀吸附剂以提高吸附材料的抗污损活性，如CN201711095068.2公开了一种抗菌高分子提铀材料及其制备方法，该制备方法利用引发剂使丙烯酰胺和丙烯腈发生共聚，制备得到聚合物；同时使用等摩尔质量的盐酸胍和1,6-己二胺共聚得到聚六亚甲基盐酸胍；最后交联后得到交联产物；最后将交联产物加入盐酸羟胺溶液中进行偕胺肟化反应获得抗菌高分子提铀材料，但引入的抗菌剂无提铀能力，反而导致铀吸附能力降低，且化学制备工艺复杂，难以规模生产。因此开发具有高选择性和高抗污损活性的提铀新材料迫在眉睫。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，解决了现有提铀材料存在的提铀效果有限、选择性低，结合亲和力低以及受微生物干扰严重等问题。

本发明提供一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，将一定浓度多肽单体的磷酸盐溶液加入交联剂进行聚合反应获得水凝胶产物，后冷冻干燥获得聚合肽水凝胶材料。所述多肽单体序列为ILRWPWWPWRRK-NH₂。

优选地，多肽单体浓度为200mg/mL。

优选地，交联剂为125μL质量分数为25％的戊二醛。

优选地，聚合反应温度为70℃，反应时间为15min。

另一方面还提供了一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料。

另一方面还提供了一种抗生物污损型聚合肽水凝胶材料在海水提铀中的应用。

采用本发明所提供的一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，利用水溶性多肽在交联剂作用下化学交联制备出聚合物肽水凝胶，合成温度低，工艺简单，干燥即可，无需后处理；所制备的聚合肽水凝胶材料具有独特的空间结构和配位元素，亲水性好，比表面积高(17.97m² g^-1)，同时利用物理吸附和化学配位提高了其铀酰离子吸附能力(129.63mg g^-1)，具有高结合亲和力(K_d＝3.35nM)、高选择性及高抗生物污损活性(99％)。

附图说明

图1为本发明的聚合肽水凝胶PPH-OP11的宏观照片图；

图2为本发明的聚合肽水凝胶PPH-OP11的扫描电镜图；

图3为本发明的聚合肽水凝胶PPH-OP11至PPH-OP6对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抑菌效果图；

图4为本发明的聚合肽水凝胶PPH-OP11对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、海洋细菌、以及自然海水微生物的抑菌效果图；

图5为本发明的聚合肽水凝胶PPH-OP11对铀酰离子及其他相关金属离子的选择性测试结果图；

图6为本发明的聚合肽水凝胶PPH-OP11对铀酰离子及碳酸根的结合亲和力测试结果图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本实施例所涉及化学试剂等原料购自常规试剂公司。

实施例一：如图1，一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)先称取100mg多肽单体P11与500μL磷酸盐缓冲溶液(PBS)混合均匀；

(2)向步骤(1)溶液中加入125μL质量分数为25％的戊二醛，充分混合后置于70℃恒温水浴锅中聚合15min；

(3)将步骤(2)中聚合反应后的水凝胶置于真空干燥箱中冷冻干燥过夜获得聚合肽水凝胶材料。

利用扫描电子显微镜对PPH-OP11聚合肽水凝胶材料进行观察其形成的干燥水凝胶表现出多孔结构，在水凝胶的壁上微孔隙，该材料亲水性好且测得该材料的比表面积为17.97m² g^-1。

实施例二：实施例二与实施例一的区别在于，分别采用不同温度(60℃、65℃、70℃、75℃)、不同多肽单体P11浓度(100mg/mL、150mg/mL、200mg/mL、250mg/mL)进行正交实验制备聚合肽材料性能，结果如表1，说明当多肽P1浓度为70℃、多肽P1单体浓度为200mg/mL时，制备获得微孔级别且孔径均匀的聚合肽水凝胶材料如图2。

表1不同反应条件制备的聚合肽材料性能

实施例三：实施例三与实施例一的区别在于，采用其他5种同类多肽单体按照实施例一的反应条件进行聚合反应获得不同的聚合肽水凝胶材料PPH-OP7至PPH-OP12，并测试聚合肽水凝胶材料PPH-OP7至PPH-OP12在掺铀模拟海水中的提铀性能和抗菌性。

(1)聚合肽水凝胶材料PPH-OP7至PPH-OP12的提铀能力测试方法及结果如下：分别称取干重为5mg的聚合肽水凝胶PPH-OP7至PPH-OP12浸入100mL铀溶液(pH＝6.0)中，吸附时间为2h，利用ICP-OES电感耦合等离子体光学发射光谱仪测定吸附前后铀的浓度，吸附能力计算公式如式(1)

其中q_t表示t时间内吸附剂的提铀能力，C₀表示溶液中的初始铀浓度；C_t表示t时刻溶液中的铀浓度；V表示溶液的体积；m表示吸附剂的质量。

如表2实验结果表明，聚合肽水凝胶PPH-OP7、PPH-OP8和PPH-OP12的提铀能力较差，聚合肽水凝胶PPH-OP11的提铀能力最高，最大吸附量为129.63mg g^-1。

(2)聚合肽水凝胶材料PPH-OP7至PPH-OP12抗菌性实验过程及结果如下：

分别将1mg聚合肽水凝胶材料PPH-OP7至PPH-OP12放入革兰氏阴性菌Escherichiacoli，革兰氏阳性菌Staphylococcus aureus的含菌溶液进行抑菌测试，所用含菌溶液接种培养6h后，取100μL含5mL培养基中培养获得。

如图3所示，聚合肽水凝胶PPH-OP7、PPH-OP8、PPH-OP11和PPH-OP12的抗菌效果明显，而PPH-OP9和PPH-OP10无明显抗菌性。

如表2实验结果表明，聚合肽水凝胶PPH-OP11对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有良好的抗菌效果，且提铀性能良好。

表2不同多肽单体制备聚合肽水凝胶的提铀能力测试结果

(3)聚合肽水凝胶材料PPH-OP11对海水微生物的抗菌性实验过程及结果如下

按中国标准GB/T20944对进行抗菌性实验，分别使用革兰氏阴性菌Escherichiacoli，革兰氏阳性菌Staphylococcus aureus，海洋细菌Vibrio vulnificus以及含有微生物的自然海水进行抗菌性能测试。对比组为不加聚合肽凝胶材料的含菌溶液，实验组为在加入0.2mg/mL聚合肽凝胶材料的含菌溶液，分别在37℃恒温摇床培养3h后观察其加入聚合肽水凝胶材料PPH-OP11前后的菌液变化，通过梯度稀释计数确定培养后细菌的浓度。PPH-OP11的抑菌率计算公式如式(2)：

C_a(CFU mL^-1)代表经PPH-OP处理的培养液中细菌浓度，C_i(CFU mL^-1)表示未经处理的培养液中细菌浓度。

如图4实验结果表明，聚合肽水凝胶PPH-OP11对自然海水中的微生物具有明显的抗菌效果，经计算抑菌率高达99％。

实施例四：聚合肽水凝胶材料PPH-OP11对铀离子的竞争性吸附测试

(1)分别将100ml 500nM的铀酰离子与不同浓度的竞争性金属离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等)混合，将2mg聚合肽水凝胶PPH-OP11浸入上述混合溶液中2h，最后通过ICP-MS测定吸附后溶液中的铀浓度。若铀酰离子被检测到，则将竞争性离子溶液浓度稀释10倍，并重复上述过程，直至铀酰离子不被检测到。记录其选择性以及金属离子高于铀酰离子的倍数，选择性越高说明材料对铀酰的结合力越好。数值表示只有达到这个浓度，才具备与铀酰竞争的能力，说明铀酰离子相对于聚合肽水凝胶材料PPH-OP11的结合作用力比其他金属离子的竞争性更强。

(2)按等量聚合肽水凝胶材料PPH-OP11加入浓度为10μM铀酰离子和不同浓度的碳酸盐(10^-5M-10^-1M)混合液中，执行三次重复试验，后聚合肽水凝胶材料PPH-OP11对铀酰离子的亲和力用K_d值来表征，其拟合线如图6，经计算K_d＝3.35μM，说明聚合肽水凝胶材料PPH-OP11对铀酰离子具有高结合亲和力。

综上所述，采用本发明所提供的一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，利用水溶性多肽在交联剂作用下化学交联制备出聚合物肽水凝胶，合成工艺简单，便于大规模生产。所制备的聚合肽水凝胶材料具有独特的空间结构和配位元素，同时利用物理吸附和化学配位提高了其铀酰离子吸附能力，具有高结合亲和力和高选择性，同时该聚合肽水凝胶材料对海洋细菌生长显示出超过99％的抑菌率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

<110> 海南大学

<120> 一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料及其制备方法和应用

<160> 6

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

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<212> PRT

<213>人工系列(Artificial Sequence )

<400> 1

Ile Leu Pro Trp Lys Trp Pro Trp Trp Pro Trp Arg Arg 13

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<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence )

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Lys Trp Lys Leu Phe Lys Lys Ile Gly Ala Val Leu Lys Val Leu 15

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<212> PRT

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Arg Arg Pro Arg Pro Arg Pro Arg Pro Trp Trp Trp Trp 13

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<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence )

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Gly Arg Arg Pro Arg Pro Arg Pro Arg Pro Trp Trp Trp Trp 14

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<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence )

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Ile Leu Arg Trp Pro Trp Trp Pro Trp Arg Arg Lys 12

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<211> 10

<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence )

<400> 6

Lys Thr Cys Glu Asn Leu Ala Asp Thr Tyr 10

Claims

1.一种海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：先称取100mg多肽单体与500μL磷酸盐缓冲溶液混合均匀；后加入125μL质量分数为25％的戊二醛，充分混合后置于70℃恒温水浴锅中聚合反应15min获得水凝胶产物，冷冻干燥后获得聚合肽水凝胶材料，所述多肽单体序列为ILRWPWWPWRRK-NH₂。

2.一种根据权利要求1所述的方法制备的海水提铀用抗生物污损型聚合肽水凝胶材料。