CN114410693A - 生物铁锰氧化物及其制备方法和在同步去除废水中的砷和锑中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物铁锰氧化物及其制备方法和在同步去除废水中的砷和锑中的应用，制备方法包括：将活化后的锰氧化菌接种至LB液体培养基中，加入Mn²⁺和Fe²⁺后恒温摇床培养，固液分离后取沉淀，洗涤后即得；该锰氧化菌属于摩根氏菌属，命名为MnOx‑1，于2021年7月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.22815。本发明的生物铁锰氧化物的制备方法只需将锰氧化菌与Mn²⁺和Fe²⁺同时加入到LB液体培养基中，操作简单，成本低廉；通过生物铁锰氧化物的“氧化‑吸附”作用，可实现对砷和锑的同步去除，效果好，且生物铁锰氧化物以菌体形成生物吸附剂，无二次污染。

Description

生物铁锰氧化物及其制备方法和在同步去除废水中的砷和锑 中的应用

技术领域

本发明属于重金属污染物的处理技术领域，更具体地，涉及一种生物铁锰氧化物及其制备方法和在同步去除废水中的砷和锑中的应用。

背景技术

锑(Sb)和砷(As)是全球性污染物，由于无序的矿山开采和冶炼导致大量的含锑和砷的矿渣进入到环境中，严重威胁到生态环境和人体健康。

锑与砷都是VA族元素，轨道外电子结构均为s2p3，在环境中均以三价和五价两种主要价态存在于环境中，且锑与砷在三价时的毒性均高于五价，因此，锑和砷具有相当的相似性。从锑砷复合污染的实际状况以及锑砷本身性质的高度相似性出发，锑和砷具有共同治理的潜力。

由于砷和锑均是以三价和五价两种形式存在于环境中，且与五价相比，三价的毒性更高且迁移率更强，因此，通过先将三价氧化为五价，再将五价的砷和锑从环境中去除的思路是有效降低环境中砷和锑含量并达到修复砷和锑污染环境的有效方式。

生物锰氧化物是锰氧化菌氧化二价锰离子形成的高价锰氧化物，具有高反应性和吸附能力，对水、土壤和沉积物中有机无机污染物的释放、转移、降解、有效性和毒性起着重要作用。研究者普遍认为，生物锰氧化物具备去除各种污染物的潜力，从对环境的友好性和易获得性的角度来看，可以将其应用在污染场所的修复中。生物锰氧化物可以在宽的pH范围内对Sb³⁺和As³⁺发生吸附和氧化还原反应，达到对砷和锑的解毒效果，但是，生物锰氧化物表面携带大量的负电荷，与环境中以阴离子形式存在的Sb⁵⁺和As⁵⁺相排斥，对Sb⁵⁺和As⁵⁺的吸附效果不好。铁基氧化物由于其成本较低、无毒，与锑砷结合紧密成为了吸附过程中的良好载体。

生物铁锰双金属氧化物是结合了铁氧化物和锰氧化物各自的优势，以锰氧化物作为高效氧化位点，以铁氧化物作为高效吸附位点组成的新型材料，且与化学铁锰氧化物相比，生物铁锰氧化物具有更高的比表面积，对砷锑的吸附效率更高。通常的生物铁锰氧化物是铁锰氧化细菌氧化二价铁锰，再将沉淀通过离心、脱水、冷冻、干燥形成，再将生物铁锰氧化物材料添加进重金属污染废水中，但这种操作过程会导致铁锰氧化细菌细胞破碎，其对二价铁、锰的氧化受到限制，且高锰氧化物还原砷锑后形成的二价锰不能继续被氧化，导致其对重金属污染物的去除效率下降，限制了其大规模的工程应用。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物铁锰氧化物及其制备方法和在同步去除砷锑中的应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种生物铁锰氧化物的制备方法，包括：

将活化后的锰氧化菌接种至LB液体培养基中，加入Mn²⁺和Fe²⁺后恒温摇床培养，固液分离后取沉淀，洗涤后即得；

所述锰氧化菌属于摩根氏菌属(Morganella Morganii)，命名为摩根氏菌(Morganella sp.)MnOx-1，于2021年7月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.22815。

在上述技术方案中，所述锰氧化菌的活化过程包括：

将斜面保存的锰氧化菌接种至含Mn²⁺的液体培养基中，在30℃和180rpm下恒温摇床培养36-72h即可。

具体地，在上述技术方案中，所述液体培养基包括以下组分：

胰蛋白胨10g，酵母浸粉5g，氯化钠5g，蒸馏水1000ml，pH＝7。

在本发明的一个优选实施方式中，所述液体培养基中Mn²⁺的摩尔浓度为0.5-1.5mmol/L。

在上述技术方案中，所述活化后的锰氧化菌的接种体积为LB液体培养基的体积的0.8-1.5％。

进一步地，在上述技术方案中，所述LB液体培养基中，Mn²⁺和 Fe²⁺加入的物质的量之比为1∶1-9，且Mn²⁺的加入量为控制其在LB 液体培养基中的浓度为0.5-4mmol/L。

详细地，在本发明的一个具体实施方式中，所述锰氧化菌接种至含Mn²⁺和Fe²⁺的LB液体培养基中后，在28-32℃和200-250rpm下恒温摇床培养6-9d后，在8000rpm下离心3min，用去离子水洗涤沉淀 3次，即可。

本发明另一方面还提供了上述制备方法制备得到的生物铁锰氧化物。

本发明再一方面还提供了上述制备方法或上述生物铁锰氧化物在同步去除废水中的砷和锑中的应用。

在上述技术方案中，所述应用具体为，将所述生物铁锰氧化物加入到含砷和锑的待处理污水中，在28-32℃和200-250rpm下恒温摇床培养，即可。

进一步地，在上述技术方案中，所述生物铁锰氧化物中，Mn²⁺和 Fe²⁺的比为1∶5。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明所提供的生物铁锰氧化物的制备方法只需将锰氧化菌与Mn²⁺和Fe²⁺同时加入到LB液体培养基中，操作简单，成本低廉，易于大规模制备；

(2)利用本发明所提供的生物铁锰氧化物的“氧化-吸附”作用，可实现对水体中的砷和锑进行同步去除，且去除效果好，此外，生物铁锰氧化物以菌体形成生物吸附剂，无二次污染，生态风险小，实际应用前景好。

附图说明

图1为本发明实施例1中Mn²⁺和Fe²⁺的摩尔浓度分别为3mmol/L 和15mmol/L时所制备得到的生物铁锰氧化物的SEM照片(放大30000 倍)；

图2为本发明应用例1中不同Mn²⁺∶Fe²⁺比例下形成的生物铁锰氧化物的去除效果对比图；

图3为本发明应用例1中不同Mn²⁺和Fe²⁺的加入量下形成的生物铁锰氧化物的去除效果对比图；

图4为本发明应用例2中生物铁锰氧化物分别对As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的去除效果对比图；

图5为本发明应用例2中生物铁锰氧化物处理As³⁺后生成的产物的SEM照片；

图6为本发明应用例2中生物铁锰氧化物处理As³⁺后生成的产物的能谱图；

图7为本发明应用例2中生物铁锰氧化物处理Sb³⁺后生成的产物的SEM照片

图8为本发明应用例2中生物铁锰氧化物处理Sb³⁺后生成的产物的能谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。

本文中所用的术语“包含”、“包括”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例中所用的原料均为市售产品。

本发明实施例所用的锰氧化菌从湖南省长沙市洋湖湿地的污泥中筛选分离得到，具体过程如下：

将采集到的污泥静置后取上清液，按1％的接种量加入到液体培养基(胰蛋白胨10g，酵母浸粉5g，氯化钠5g，1000ml蒸馏水，调节 pH为7)中，在30℃、150rpm的恒温摇床上震荡培养7天后，采用 LBB指示剂(配置方法如下：称取0.04gLBB粉末，将其溶解于0.25 ml的45mmol/L冰乙酸水溶液，加入去离子水并定容至100ml，4℃避光保存)定性检测是否产生锰氧化物，对LBB指示剂显示由无色变蓝色的培养液进行初步筛选，初步筛选后再进行进一步地纯化。

该锰氧化菌已于2021年7月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3 号，中国科学院微生物研究所，邮编100101，编号为CGMCC No.22815。

实施例1

本发明实施例提供了一种生物铁锰氧化物的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、将斜面保存的锰氧化菌接种至含1.0mmol/L的Mn²⁺的液体培养基中，在30℃和180rpm下恒温摇床培养3d完成活化，其中，液体培养基包括以下组分：胰蛋白胨10g，酵母浸粉5g，氯化钠5g，蒸馏水1000ml，pH＝7；

S2、按以下配比制备LB液体培养基：胰蛋白胨10g、酵母浸粉5 g、氯化钠5g、蒸馏水1000ml，pH＝7；随后将LB液体培养基在121℃灭菌后通过0.22μm滤头过滤，随后加入一定量的Mn²⁺和Fe²⁺，再加入体积为LB液体培养基的1％的活化后的锰氧化菌MnOx-1，于30℃、180rpm恒温振荡培养7d，在8000rpm下离心3min后，取沉淀并用去离子水洗涤3次，即得为生物铁锰氧化物。

如图1所示为步骤S2中Mn²⁺和Fe²⁺的加入量为控制LB液体培养基中Mn²⁺和Fe²⁺的摩尔浓度分别为3mmol/L和15mmol/L时所制备得到的生物铁锰氧化物的SEM照片(放大30000倍)；从图中可以看出，所制备得到的生物铁锰氧化物大小不均匀，但均粒径较大且分布均匀，这种自然团聚现象有助于提高生物铁锰氧化物固有的吸附性质，水中的污染物尤其是重金属离子可以通过与生物铁锰氧化物结合形成较大的絮状体从而从水体去除。

应用例1

(1)生物铁锰氧化物的最适比例

不同的锰铁比例会形成不同的生物铁锰氧化物，从而对重金属污染物产生不同的去除效果。

取100ml的LB液体培养液加入到250ml锥形瓶中，将Mn²⁺和 Fe²⁺通过0.22μm滤头过滤后添加至LB液体培养基中，使得Mn²⁺浓度为1mmol/L，Fe²⁺的浓度按照Mn²⁺∶Fe²⁺＝1∶1、1∶3、1∶5、1∶7和 1∶9进行添加(5组实验，每组3个平行，相互对照)；再分别加入体积为LB液体培养基的1％的活化后的锰氧化菌MnOx-1，随后将含 As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的溶液分别通过0.22μm滤头过滤后添加至LB 液体培养基中，使得As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的浓度均为100mg/L，于 30℃、180rpm恒温振荡培养，按照一定时间间隔进行取样。

通过电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定溶液中剩余As³⁺、 As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的含量，结果如图2所示。

从图2中可以看出，当Mn²⁺∶Fe²⁺＝1∶5时，对As³⁺和Sb³⁺的去除效果最好，分别达到了77.97％与38.78％；随着Mn²⁺∶Fe²⁺比值的增大，对As⁵⁺和Sb⁵⁺的去除效果逐步增强，当Mn²⁺∶Fe²⁺＝1∶9时，对 As⁵⁺和Sb⁵⁺的去除效果达到最好。综合来看，当Mn²⁺∶Fe²⁺为1∶5时，生物铁锰氧化物对砷和锑的去除效果相对最好。

(2)生物铁锰氧化物的最适用量

在确定了生物铁锰氧化物最适Mn²⁺∶Fe²⁺比例为1∶5后，发现砷和锑去除效果并不是特别好，因此进一步等比例扩大锰和铁含量探讨其砷和锑去除效果。

取100ml的LB液体培养液加入到250ml锥形瓶中，将Mn²⁺和 Fe²⁺通过0.22μm滤头过滤后添加至LB液体培养基中，使得Mn²⁺浓度为1mmol/L、2mmol/L、3mmol/L、4mmol/L和5mmol/L，Fe²⁺的浓度按照Mn²⁺∶Fe²⁺＝1∶5进行添加(5组实验，每组3个平行，相互对照)；再分别加入体积为LB液体培养基的1％的活化后的锰氧化菌 MnOx-1，随后将含As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的溶液分别通过0.22μm滤头过滤后添加至LB液体培养基中，使得As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的浓度均为100mg/L，于30℃、180rpm恒温振荡培养，按照一定时间间隔进行取样。

通过电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定溶液中剩余As³⁺、 As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的含量，结果如图3所示。

从图3中可以看出，随着Mn²⁺和Fe²⁺的浓度等比例扩大，对砷和锑的去除效果也逐渐变好；当Mn²⁺的浓度为3mmol/L和4mmol/L时，对As³⁺的去除效果最好，分别达到75.52％和78.81％；当Mn²⁺的浓度为3mmol/L、4mmol/L和5mmol/L时，对As⁵⁺的去除效果最好，均达到了99％以上的去除率，可以认为将As⁵⁺去除完全；当Mn²⁺的浓度为3mmol/L时，对Sb³⁺的去除效果最好，达到了74.62％；当Mn²⁺的浓度为2mmol/L、3mmol/L和4mmol/L时，对Sb⁵⁺的去除效果最好，分别达到了86.47％、85.57％和87.93％。综合来看，当Mn²⁺∶Fe²⁺比例为1∶5，Mn²⁺的浓度为3mmol/L时，对As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的去除效果相对最好。

应用例2

取100ml的LB液体培养液加入到250ml锥形瓶中，将Mn²⁺和 Fe²⁺通过0.22μm滤头过滤后添加至LB液体培养基中，使得Mn²⁺浓度为3mmol/L，Fe²⁺的浓度按照Mn²⁺∶Fe²⁺＝1∶5进行添加；再分别加入体积为LB液体培养基的1％的活化后的锰氧化菌MnOx-1，随后分别将含As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的溶液通过0.22μm滤头过滤后添加至LB 液体培养基中(As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺4组实验，每组3个平行，相互对照)，使得As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺的浓度分别为100mg/L，于 30℃、180rpm恒温振荡培养，按照一定时间间隔进行取样。

每隔24小时取样一次于10ml离心管，使用离心机8000rpm离心3min，吸取上清液，使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES) 测定培养液剩余的重金属(As³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺)浓度，持续取样 7天直至实验结束，结果如图4所示。

从图4中可以看出，在7d的实验结束后，生物铁锰氧化物对100 mg/LAs³⁺、As⁵⁺、Sb³⁺和Sb⁵⁺均有至少70％以上的去除率；其中，对 As⁵⁺更是有99％以上的去除率，表明As⁵⁺可以被生物铁锰氧化物基本去除完全。

此外，将加入As³⁺和Sb³⁺溶液后反应7d的产物离心后洗涤并冷冻干燥，并进行SEM扫描和能谱分析，结果如图5-8所示。

从图5-8可以看出，生物铁锰氧化物结合As³⁺和Sb³⁺后，其产物的表面仍然呈现出菌与其他化合物杂糅在一起的状态，能谱图显示产物表面除Mn、Fe、C、O外，还分别含有一定量的As元素与Sb元素，表明生成的生物铁锰氧化物能较好的结合砷锑，达到对砷锑的氧化去除效果。

综上可以看出，本发明实施例基于所筛选的锰氧化菌，研究开发了生物铁锰氧化物“氧化-固定”同步去除砷锑的方法，这种去除水体污染物的方法操作简单，对砷锑去除效果较好，且该去除方法相比于化学铁锰氧化物及传统生物铁锰氧化物制备方法，对不同污染水体适应性更强且无二次污染，生态风险小，实际应用前景好。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。

应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种生物铁锰氧化物的制备方法，其特征在于，

包括：

将活化后的锰氧化菌接种至LB液体培养基中，加入Mn²⁺和Fe²⁺后恒温摇床培养，固液分离后取沉淀，洗涤后即得；

所述锰氧化菌属于摩根氏菌属(Morganella Morganii)，命名为MnOx-1，于2021年7月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.22815。

2.根据权利要求1所述的生物铁锰氧化物的制备方法，其特征在于，

所述锰氧化菌的活化过程包括：

将斜面保存的锰氧化菌接种至含Mn²⁺的液体培养基中，在30℃和180rpm下恒温摇床培养36-72h即可；

其中，所述液体培养基包括以下组分：

胰蛋白胨10g，酵母浸粉5g，氯化钠5g，蒸馏水1000ml，pH＝7；

优选地，所述液体培养基中Mn²⁺的摩尔浓度为0.5-1.5mmol/L。

3.根据权利要求1所述的生物铁锰氧化物的制备方法，其特征在于，

所述活化后的锰氧化菌的接种体积为LB液体培养基的体积的0.8-1.5％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的生物铁锰氧化物的制备方法，其特征在于，

所述LB液体培养基中，Mn²⁺和Fe²⁺加入的物质的量之比为1∶1-9，且Mn²⁺的加入量为控制其在LB液体培养基中的浓度为0.5-4mmol/L。

5.根据权利要求4所述的生物铁锰氧化物的制备方法，其特征在于，

所述锰氧化菌接种至含Mn²⁺和Fe²⁺的LB液体培养基中后，在28-32℃和200-250rpm下恒温摇床培养6-9d后，在8000rpm下离心3min，用去离子水洗涤沉淀3次，即可。

6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的生物铁锰氧化物。

7.权利要求1-5任一项所述的制备方法或权利要求6所述的生物铁锰氧化物在同步去除废水中的砷和锑中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，

将所述生物铁锰氧化物加入到含砷和锑的待处理污水中，在28-32℃和200-250rpm下恒温摇床培养，即可。

9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于，

所述生物铁锰氧化物中，Mn²⁺和Fe²⁺的比为1∶5。

Images