CN113430132A - 一种胞外聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种胞外聚合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本申请属于环境微生物和废水处理领域，尤其涉及一种胞外聚合物及其制备方法和应用。本申请提供了一种胞外聚合物的制备方法，包括：将阴离子和重金属离子加入粪产碱杆菌悬液中，进行诱导培养，收集所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物；其中，所述阴离子选自硝酸根离子、氯离子和硫酸根离子中的一种或多种。本申请的制备方法操作简单，环境友好，通过EPS成分分析和试验可知，经阴离子和重金属离子诱导后，胞外聚合物的组成比例发生了相应的改变，重金属吸附性能大幅提升，有效解决现有的重金属吸附剂吸附性能差的技术问题。

Description

一种胞外聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本申请属于环境微生物和废水处理领域，尤其涉及一种胞外聚合物及其制备方法和应用。
背景技术
重金属废水通常采用化学吸附等处理技术，但是当重金属浓度较低时，这些技术对重金属的处理效果并不令人满意，而且还会产生后续污染。
因此，寻找一种高效、环保的重金属吸附剂是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种胞外聚合物及其制备方法和应用，有效解决现有的重金属吸附剂吸附性能差的技术问题。
本申请第一方面提供了一种胞外聚合物的制备方法，包括：
将阴离子和重金属离子加入粪产碱杆菌悬液中，进行诱导培养，收集所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物；
其中，所述阴离子选自硝酸根离子、氯离子和硫酸根离子中的一种或多种。
具体的，本申请创造性采用阴离子结合重金属离子诱导粪产碱杆菌，致使粪产碱杆菌分泌或细胞膜裂解形成的呈包膜状覆裹在细胞膜上或呈溶解状、胶状分散在细胞外的生化大分子聚合物(即胞外聚合物，Extracellular Polymeric Substances，EPS)，主要由多糖、蛋白质、核酸和磷脂等组成。胞外聚合物中含有丰富的官能团，如羧基、氨基、羟基、羰基等，这些官能团可以和水中的重金属元素进行结合，以此吸附水中的重金属。
具体的，本申请通过所述阴离子和所述重金属离子诱导的粪产碱杆菌可制成胞外聚合物，也可以制成包括粪产碱杆菌的活菌体或灭活菌体的胞外聚合物。
另一实施例中，所述阴离子的浓度为0.089mmol/L～1.780mmol/L。
另一实施例中，所述阴离子的浓度为0.178mmol/L～1.780mmol/L。
另一实施例中，所述阴离子的浓度为0.178mmol/L～0.712mmol/L。
另一实施例中，所述阴离子的浓度为0.178mmol/L～0.356mmol/L。
另一实施例中，所述重金属离子选自镉离子、铅离子、铜离子和锌离子中的一种或多种。
另一实施例中，所述重金属离子的浓度为0.045mmol/L～0.356mmol/L。
另一实施例中，所述诱导培养的时间为2～48h。
另一实施例中，所述诱导培养的时间为24h。
另一实施例中，所述粪产碱杆菌的接种量为2～5％体积百分比。
另一实施例中，所述粪产碱杆菌的接种量为5％体积百分比。
具体的，对所述粪产碱杆菌进行活化培养；活化培养后的粪产碱杆菌制成菌悬液然后进行诱导培养。
具体的，所述活化培养的培养基成分包括蛋白胨，酵母粉和氯化钠，培养基的pH值为7.2±0.2，培养温度为20～40℃，震荡速度为100～200rpm。优选的，培养温度为30℃，震荡速度为150rpm。
具体的，收集所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物的方法为现有常规收集方法，收集方法包括除去所述阴离子和所述重金属离子，再除去粪产碱杆菌菌体。
另一实施例中，所述收集方法包括：将诱导结束的所述粪产碱杆菌悬液进行离心洗涤，将所述离心洗涤后的上清液丢弃，得到菌体沉淀；
将所述菌体沉淀与质量百分数为0.9％的盐溶液混合，制成菌悬液；将所述菌悬液依次进行加热和离心，将得到的上清液进行过滤和透析，得到所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物；
其中，所述离心洗涤使用质量百分数为0.9％的盐溶液。
具体的，所述质量百分数为0.9％的盐溶液为质量百分数为0.9％的氯化钠溶液。
另一实施例中，所述离心洗涤具体包括将所述阴离子和所述重金属离子诱导处理后的粪产碱杆菌加入质量百分比为0.9％的盐溶液，充分混合后，在4℃条件下离心，过滤，收集上清液；所述离心洗涤除去所述粪产碱杆菌表面的所述阴离子和所述重金属离子。
具体的，所述离心洗涤的参数为转速为5000rpm的条件下离心15min，所述离心洗涤的离心次数为1～3次，每次离心后用质量百分比为0.9％的氯化钠溶液进行清洗。
具体的，所述菌悬液依次进行加热和离心具体包括：
将所述菌悬液进行水浴处理，然后离心，将离心得到的上清液过滤和透析，得到所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物；其中，所述水浴的温度为50～60℃，所述离心的速度为10000～12000rpm，所述离心的时间为10～15min，所述过滤的材料为0.22～0.45μm的醋酸纤维素过滤膜。
本申请第二方面提供了一种胞外聚合物，包括所述制备方法制得的胞外聚合物
本申请第三方面提供了所述制备方法制得的胞外聚合物或所述胞外聚合物在吸附重金属中的应用
本申请第四方面提供了一种重金属吸附剂，包括所述制备方法制得的胞外聚合物。
本申请第五方面提供了一种重金属废水处理方法，包括以下步骤：将所述胞外聚合物或所述重金属吸附剂添加到含重金属的废水中。
具体的，所述废水的重金属为镉、锌和铅中的一种或几种。
本申请通过对粪产碱杆菌进行阴离子和重金属离子诱导处理，获得胞外聚合物，该制备方法操作简单，环境友好，通过实验数据可知，在硝酸根离子和镉离子诱导后，胞外聚合物的组成比例发生了相应的改变，特别是蛋白质所占比例增大。胞外聚合物的蛋白质含量在外加硝酸根浓度为0.356mmol/L时最高，达到89.46mg/g，高于外加氯离子或硫酸根离子诱导条件下。另外，硝酸根离子和镉离子诱导下产生的胞外聚合物对Cd2+的吸附量达到了300.20mg/g，具有优异的吸附效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的不同浓度的硝酸根诱导下粪产碱杆菌产生胞外聚合物的柱状图；
图2为本申请实施例提供的不同浓度的氯离子诱导下粪产碱杆菌产生胞外聚合物的柱状图；
图3为本申请实施例提供的不同浓度的硫酸根诱导下粪产碱杆菌产生胞外聚合物的柱状图；
图4为本申请实施例提供的不同浓度硝酸根诱导粪产碱杆菌产生胞外聚合物对Cd2+吸附性能测定图；
图5为本申请实施例提供的不同浓度氯离子诱导粪产碱杆菌产生胞外聚合物对Cd2+吸附性能测定图；
图6为本申请实施例提供的不同浓度硫酸根诱导粪产碱杆菌产生胞外聚合物对Cd2+吸附性能测定图。
具体实施方式
本申请提供了一种胞外聚合物及其制备方法和应用，用于解决现有技术中重金属吸附剂吸附性能差的技术缺陷。
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
其中，以下实施例所用原料或试剂均为市售或自制。
以下实施例中选用粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis，属于革兰氏阴性菌，由市场购得)。
实施例1
本申请实施例提供了一种胞外聚合物的制备方法，具体包括：
将保存在-18℃的粪产碱杆菌取出，解冻至室温，进活化培养，并恒温震荡24h后，制得粪产碱杆菌悬液。诱导培养时，在无菌条件下按5％接种量，将菌悬液分别接种到已在121℃下高温灭菌20min的液体培养基中(培养基装在锥形瓶中，每只锥形瓶含有95mL培养基)，在无菌条件下向液体培养基按2％接种量注入已灭菌的硝酸镉溶液，使锥形瓶中的硝酸根浓度分别为0、0.089、0.178、0.267、0.356、0.445、0.534、0.623、0.712mmol/L，并于30℃，150rpm条件下进行硝酸镉诱导培养24h。将上述不同硝酸根浓度诱导培养后的粪产碱杆菌培养物在温度为4℃，转速为5000rpm条件下离心两次，离心时间为15min，每次离心后用质量百分数为0.9％的氯化钠溶液对粪产碱杆菌进行清洗，以洗掉菌体上残留的培养基，将离心的上清液丢弃。将两次离心之后得到的菌体沉淀加入质量百分数为0.9％的氯化钠溶液，制成菌悬液，充分混合后置于60℃水浴加热，之后在温度为4℃，转速为10000rpm下离心15min，收集到的上清液用0.45μm醋酸纤维滤膜过滤，透析24h后，得到粪产碱杆菌在不同硝酸根浓度诱导后产生的胞外聚合物，保存于-18℃冰箱中。
实施例2
本申请实施例提供了一种胞外聚合物的制备方法，具体包括：
参照实施例1的方法，区别在于，硝酸镉溶液替换为氯化镉，即采用相同浓度的氯化镉对粪产碱杆菌进行诱导培养，其余步骤与实施例1一致。
实施例3
本申请实施例提供了一种胞外聚合物的制备方法，具体包括：
参照实施例1的方法，区别在于，硝酸镉溶液替换为硫酸镉，且将硫酸根诱导培养的浓度调整为0、0.0445、0.089、0.1335、0.178、0.2225、0.267、0.3115、0.356mmol/L，即分别采用0、0.0445、0.089、0.1335、0.178、0.2225、0.267、0.3115、0.356mmol/L的硫酸镉对粪产碱杆菌进行诱导培养，其余步骤与实施例1一致。
实施例4
本申请实施例对实施例1～3制得的胞外聚合物进行分析，具体包括：
对实施例1～3的在不同浓度硝酸根、氯离子和硫酸根诱导后产生的胞外聚合物的主要组分测定，采用以下方法：蒽酮比色法测定多糖含量，考马斯亮蓝G-250法测定蛋白质含量，二苯胺法测定核酸含量。多糖、蛋白质与核酸共同表征胞外聚合物的组成，结果如图1～3所示。
由图1，图2和图3可以看出，本申请实施例中，粪产碱杆菌在不同浓度的阴离子诱导下，产生胞外聚合物的蛋白质含量在外加氯离子0.1780mmol/L，硫酸根离子0.1335mmol/L和硝酸根离子0.3560mmol/L时最高，总糖与核酸的变化趋势则不明显，总体而言，用阴离子诱导之后胞外聚合物总体呈上升趋势，蛋白质表现更明显，而且硝酸根离子的胁迫诱导效果优于氯离子与硫酸根。
实施例5
本申请实施例将实施例1～3制得的胞外聚合物对重金属Cd2+吸附性能测定，具体包括：
未诱导的胞外聚合物，制备方法包括：参照实施例1的方法，区别在于将不添加硝酸镉溶液，其余步骤与实施例1一致，制得未诱导的胞外聚合物。
取0.3mg实施例1～3中粪产碱杆菌不同浓度硝酸根离子、氯离子和硫酸根离子诱导下产生的胞外聚合物加到15mL、Cd2+浓度为15mg/L的废水中，在30℃，150rpm下震荡2h，然后将混合物装进截留分子量为4000的透析袋中用超纯水透析12h，用火焰原子吸收光度计测定透析后的Cd2+浓度，以未诱导的胞外聚合物做空白试验。每个样品设3个平行样，实验数据取其平均值，结果如图4～6所示。
图4，图5和图6显示，本申请实施例中粪产碱杆菌在氯离子、硫酸根和硝酸根诱导下产生的胞外聚合物对Cd2+的吸附量分别达到了225.84mg/g，220.29mg/g和300.20mg/g，实验数据说明，粪产碱杆菌在不同阴离子诱导下产生的胞外聚合物对Cd2+优异的去除效果。从图4，图5和图6可知，阴离子，尤其是硝酸根诱导的胞外聚合物对重金属的吸附能力强。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种胞外聚合物的制备方法，其特征在于，包括：
将阴离子和重金属离子加入粪产碱杆菌悬液中，进行诱导培养，收集所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物；
其中，所述阴离子选自硝酸根离子、氯离子和硫酸根离子中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阴离子的浓度为0.089mmol/L～1.780mmol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述重金属离子选自镉离子、铅离子、铜离子和锌离子中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述重金属离子的浓度为0.045mmol/L～0.356mmol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述诱导培养的时间为2～48h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粪产碱杆菌的接种量为2～5％体积百分比。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述收集方法包括：
将诱导结束的所述粪产碱杆菌悬液进行离心洗涤，将所述离心洗涤后的上清液丢弃，得到菌体沉淀；
将所述菌体沉淀与质量百分数为0.9％的盐溶液混合，制成菌悬液；将所述菌悬液依次进行加热和离心，将得到的上清液进行过滤和透析，得到所述粪产碱杆菌分泌的胞外聚合物；
其中，所述离心洗涤使用质量百分数为0.9％的盐溶液。
8.一种胞外聚合物，其特征在于，包括如权利要求1～7任意一项所述的制备方法制得的胞外聚合物。
9.权利要求1～7任意一项所述的制备方法制得的胞外聚合物或权利要求8所述的胞外聚合物在吸附重金属中的应用。
10.一种重金属吸附剂，其特征在于，包括如权利要求1～7任意一项所述的制备方法制得的胞外聚合物。
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