CN114956352A - 一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，本发明提供了一种沼泽红假单胞菌‑纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用。本发明将沼泽红假单胞菌和纳米TiO2按照合理的比例混合，离心，收集沉淀得沼泽红假单胞菌‑纳米TiO2复合材料。本发明不仅解决了在废水处理过程中，沼泽红假单胞菌菌体易被冲走，造成菌体流失的问题，还克服了单一纳米TiO2粉体存在的表面积有限，对污染物的吸附性差等缺陷。本发明将材料作用发挥到最大化且节省了成本，为废水处理提供了材料基础。

Description

一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
沼泽红假单胞菌(简称PSB)是一种光合细菌，具备无毒、低投入、污染物去除率高并且能够回收利用资源的优点，且在环境中具有丰富的代谢多样性，因此，沼泽红假单胞菌广泛应用于废水处理。但在废水处理过程中，光合细菌菌体易被冲走，造成菌体流失，严重限制了光合细菌在废水处理中的效果和成本。
TiO2作为一种传统的半导体材料，具有来源广泛、价格低廉、以及优异的光催化性能，被广泛用作光催化材料，在有机污染物方面得到了广泛的研究。但纳米TiO2光催化剂的表面积有限，对污染物的吸附性差，在光催化降解低浓度的有机物时，导致催化效率差。为克服单一纳米TiO2粉体存在的缺陷，复合材料的研究及应用日益受到重视。且TiO2对PSB有良好的吸附性。为了将二者的优点发挥最大化，缺点又得以改善的情况下，研究一种PSB-纳米TiO2复合材料是十分有必要的。但目前尚未有任何关于这一复合材料的研究方案。
发明内容
为克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明从将材料作用发挥最大化和节省成本的角度出发，提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料，包括沼泽红假单胞菌和纳米TiO2，所述沼泽红假单胞菌和纳米TiO2的用量比为0.2～0.9mL:1～30mg。
优选的，所述沼泽红假单胞菌的活菌浓度为0.7～0.9×108CFU/mL，所述纳米TiO2的粒径为18～22nm。
本发明还提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将沼泽红假单胞菌和纳米TiO2混合后振荡，离心，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
优选的，所述振荡的频率为70～90rpm，所述振荡的时间为8～12min；
所述离心的转速为2500～3500rpm，所述离心的时间为25～35s。
本发明还提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料在废水处理中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明将沼泽红假单胞菌和纳米TiO2按照合理的比例复合，不仅解决了在废水处理过程中，沼泽红假单胞菌菌体易被冲走，造成菌体流失的问题，还克服了单一纳米TiO2粉体存在的表面积有限，对污染物的吸附性差等缺陷。本发明将材料作用发挥到最大化且节省了成本，为废水处理提供了材料基础。
附图说明
图1为纳米TiO2的最佳添加量的折线统计图；
图2为沼泽红假单胞菌的最佳添加量的折线统计图；
图3为不同处理组的降解效率比较图。
具体实施方式
本发明提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料，包括沼泽红假单胞菌和纳米TiO2，所述沼泽红假单胞菌和纳米TiO2的用量比为0.2～0.9mL:1～30mg。
在本发明中，所述沼泽红假单胞菌的活菌浓度优选为0.7～0.9×108CFU/mL，进一步优选为0.8×108CFU/mL，所述纳米TiO2的粒径优选为18～22nm，进一步优选为20nm。
在本发明中，所述沼泽红假单胞菌和纳米TiO2的用量比为0.2～0.9mL:1～30mg，进一步优选为0.4～0.9mL:5～30mg，再进一步优选为0.6～0.9mL:10～30mg，更进一步优选为0.8mL:30mg。
本发明还提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将沼泽红假单胞菌和纳米TiO2混合后振荡，离心，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
在本发明中，所述振荡的频率优选为70～90rpm，进一步优选为80rpm，所述振荡的时间优选为8～12min，进一步优选为10min。
在本发明中，所述离心的转速优选为2500～3500rpm，进一步优选为3000rpm，所述离心的时间优选为25～35s，进一步优选为30s。
本发明还提供了一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料在废水处理中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例和实验例中的沼泽红假单胞菌购买自中国工业微生物菌种保藏管理中心，菌株编号为CICC 23812；所述移液枪的规格为100-1000μL；所述电子天平的型号为FA2004，购买自上海舜宇恒平科学仪器有限公司；所述EP管的规格为2mL；所述迷你混合仪的型号为MIX-25P，购买自杭州米欧仪器有限公司；所述离心机的型号为TGL-16，购买自湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。
以下实施例和实验例中的纳米TiO2的制备方法为：量取10ml的钛酸四丁酯分别加到1个150ml的烧杯中，向烧杯中加入0g、0.36g、0.72g、1.08g的葡萄糖。将烧杯放置于磁力搅拌器上搅拌20min。搅拌完毕后将样品倒入反应釜中。向反应釜中加入1.5ml的氢氟酸后至于180℃的烘箱中反应24小时。反应结束后收集样品，先用蒸馏水洗涤三次，再用1mol/LNaOH溶液洗涤2次，最后用无水乙醇洗涤三次。洗涤完毕后放置于60℃下干燥6小时，再将样品放入马弗炉内在450℃下空气煅烧6小时即可得到纳米TiO2(450℃，6h，去F)。
实施例1
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的1mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例2
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的5mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例3
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的10mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于2500rpm的条件下在离心机上离心25s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例4
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的10mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例5
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的10mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3500rpm的条件下在离心机上离心35s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例6
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的20mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例7
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例8
将用移液枪吸取的0.2mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例9
将用移液枪吸取的0.3mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例10
将用移液枪吸取的0.4mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例11
将用移液枪吸取的0.5mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例12
将用移液枪吸取的0.6mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例13
将用移液枪吸取的0.7mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
实施例14
将用移液枪吸取的0.8mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例1
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的40mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例2
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的50mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例3
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的60mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例4
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的70mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例5
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的80mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例6
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的90mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例7
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的100mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例8
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的110mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例9
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的120mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例10
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的130mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例11
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的140mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例12
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的150mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例13
将用移液枪吸取的0.05mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例14
将用移液枪吸取的0.1mL沼泽红假单胞菌和用电子天平称取的30mg纳米TiO2移入EP管中，置于迷你混合仪中混合后于频率为80rpm的振荡仪中振荡10min，再于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
对比例15
将用移液枪吸取的0.9mL沼泽红假单胞菌移入EP管中，于3000rpm的条件下在离心机上离心30s，收集沉淀得沼泽红假单胞菌。
实验例1
以实施例1、2、4、6、7和对比例1～12、对比例15为例，研究纳米TiO2的最佳添加量。在实施例1、2、4、6、7和对比例1～12、对比例15进行离心步骤前，用移液枪分别吸取100μL的上述样品至酶标板中，用分光光度计测量波长为660nm下的样品OD值，每个样品需测两组平行OD值，取平均值为最终的样品OD值。在实施例1、2、4、6、7和对比例1～12、对比例15完成离心步骤后，用移液枪分别吸取100μL的上述样品的上清液至酶标板中，用分光光度计测量波长为660nm下的样品离心后上清液的OD值，每个样品也需测两组平行OD值，取平均值为最终的样品离心后上清液的OD值。用样品未离心的OD值减去离心后上清液的OD值，得到负载沼泽红假单胞菌的OD值，OD值越高代表负载的沼泽红假单胞菌浓度越大。以纳米TiO2材料的加入量作为横坐标，相应的负载沼泽红假单胞菌的OD值作为横坐标绘制折线统计图。结果如图1所示。
由图1可知，当纳米TiO2的添加量在0～30mg之间时，负载细菌的OD值呈较大程度递增，而当纳米TiO2的添加量大于30mg以后，负载细菌的OD值变化变得平稳。从负载效果和节省材料两个因素考虑得出，沼泽红假单胞菌与纳米TiO2复合材料的合成中，所添加的沼泽红假单胞菌为0.9mL时，纳米TiO2的最佳添加量为30mg。
实验例2
以实施例7～14和对比例13、14为例，研究沼泽红假单胞菌的最佳添加量。在实施例7～14和对比例13、14进行离心步骤前，用移液枪分别吸取100μL的上述样品至酶标板中，用分光光度计测量波长为660nm下的样品OD值。每个样品需测两组平行OD值，取平均值为最终的样品OD值。在实施例7～14和对比例13、14完成离心步骤后，用移液枪分别吸取100μL的上述样品的上清液至酶标板中，用分光光度计测量波长为660nm下的样品离心后上清液的OD值，每个样品也需测两组平行OD值，取平均值为最终的样品离心后上清液的OD值。用样品未离心的OD值减去离心后上清液的OD值，得到负载沼泽红假单胞菌的OD值，OD值越高代表负载的沼泽红假单胞菌浓度越大。以沼泽红假单胞菌的加入量作为横坐标，相应的负载沼泽红假单胞菌的OD值作为横坐标绘制折线统计图。结果如图2所示。
由图2可知，沼泽红假单胞菌的添加量为0.2～0.8mL时，负载沼泽红假单胞菌的OD值呈现一个明显递增的状态，但当沼泽红假单胞菌的添加量为在0.8mL以后，负载的沼泽红假单胞菌的OD值开始下降。从统计学角度分析，在所添加纳米TiO2的量为30mg时，沼泽红假单胞菌的最佳添加量为0.8mL。
实验例3
在10mL试管中将5mL，5mg·L-1的罗丹明B溶液和50mg实验例14所得的沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料混合均匀后，置于暗室以600r·min-1的转速搅拌30min。然后置于配有含有420nm可见光滤光片的350W氙灯光化学反应仪(XPA-7)中进行光催化反应，分别在光照0、10、20、30、45和60min后离心获取上清液，用紫外-可见分光光度计测定各时间点罗丹明B的降解率。相同条件下，用单一细菌以及单一纳米材料降解进行对照实验。实验结果如图3所示。
由图3可知，1h后单一细菌降解组对罗丹明B的降解效率达到44％，单一纳米材料组对罗丹明B的降解效率为53％，而本申请实施例14所得的沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料对罗丹明B的降解效率为72％。
综上，本发明将沼泽红假单胞菌和纳米TiO2按照合理的比例复合，不仅解决了在废水处理过程中，沼泽红假单胞菌菌体易被冲走，造成菌体流失的问题，还克服了单一纳米TiO2粉体存在的表面积有限，对污染物的吸附性差等缺陷。本发明将材料作用发挥到最大化且节省了成本，为废水处理提供了材料基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料，其特征在于，包括沼泽红假单胞菌和纳米TiO2，所述沼泽红假单胞菌和纳米TiO2的用量比为0.2～0.9mL:1～30mg。
2.根据权利要求1所述的一种沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料，其特征在于，所述沼泽红假单胞菌的活菌浓度为0.7～0.9×108CFU/mL，所述纳米TiO2的粒径为18～22nm。
3.权利要求1或2所述的沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将沼泽红假单胞菌和纳米TiO2混合后振荡，离心，收集沉淀得沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料。
4.根据权利要求3所述的沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料的制备方法，其特征在于，所述振荡的频率为70～90rpm，所述振荡的时间为8～12min；
所述离心的转速为2500～3500rpm，所述离心的时间为25～35s。
5.权利要求1或2所述的沼泽红假单胞菌-纳米TiO2复合材料在废水处理中的应用。
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