CN114958686B - 一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂及其制备和应用。本发明涉及环境保护与有机污染物微生物降解技术领域，特别涉及一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂。一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂，包括醌基改性生物炭和磺胺二甲氧嘧啶降解产碱杆菌SMD‑FA，产碱杆菌SMD‑FA是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 15053。本发明能够有效地促进降解菌对抗生素的降解作用，还起到固定菌株的效果，同时能发挥其吸附材料的功能吸附部分抗生素，从而提高对抗生素的去除率。

Description

一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂及其制备和应用
技术领域
本发明涉及环境保护与有机污染物微生物降解技术领域，特别涉及一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂。
背景技术
抗生素是一类主要应用于人类、禽畜疾病防治、农业病害防治以及水产养殖等方面的有机物，由于其只能被少量代谢和难以降解的特性，抗生素不断积累并富集于动植物产品、土壤、水源等，对生态环境和人类健康造成威胁。磺胺类抗生素(sulfonamides,SAs)具有良好的广谱抗菌性，是最早和最广泛应用于医药及养殖业的抗生素之一。大量研究表明，环境中的抗生素污染水平正在日益提高，有效去除和降解环境中的抗生素以降低潜在的环境风险引起了很多学者的关注。目前普遍的磺胺去除方法有化学处理法、物理吸附法、生物降解法等，其中化学处理法简易高效，但容易产生有毒副产物造成二次污染；物理吸附法操作稳定且效果良好，但存在吸附材料再生和造价成本等问题；生物降解法专一性强、可控、无二次污染且成本低，是目前最为理想的方法，然而微生物单一处理在环境中的降解效果有限。通过微生物和改性生物炭协同处理，将两者共同应用于磺胺去除中能有效解决这一问题。
生物炭是一种热解废弃生物原料产生的富碳产物，具有比表面积大、孔径结构复杂及特殊的官能团等性质，通过热解条件、处理方法等方面对其进行改性，可以获得不同性质和特点的生物炭。由于其原料来源广泛、成本低廉、绿色环保无污染，已经成为近年来热门的污染处理材料。中国专利号：CN113862191A公开了一种利用改性生物炭固定微生物提高四环素降解率的方法，将生物炭进行适当的改性后，不仅可以发挥其自身的吸附性能达到吸附污染物的目的，还可以起到固定微生物的效果，大大提高污染物的去除效率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种包含醌基改性生物炭和磺胺二甲氧嘧啶降解产碱杆菌SMD-FA的用于抗生素污染修复的醌基修饰生物炭基微生物菌剂。本发明的另一个目的在于提供上述醌基修饰生物炭基微生物菌剂的制备方法及上述醌基修饰生物炭基微生物菌剂在处理抗生素残留废弃物、抗生素污染环境生物修复上的应用。
本发明的目的通过下列技术方案实现：一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂，包括醌基改性生物炭和磺胺二甲氧嘧啶降解产碱杆菌SMD-FA(Alcaligenes sp.)，产碱杆菌SMD-FA (Alcaligenes sp.)是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CGMCCNo:15053。保藏日期是2017年12月13日，保藏单位地址是北京市朝阳区北辰西路1 号院3号。
作为优选，生物炭主要原材料是竹炭、稻壳炭，改性方法是醌基改性。
作为优选，醌基修饰生物炭基微生物菌剂的制备包括以下步骤：
(1)称取5g生物炭(粒度小于100目)，加入到100ml的AQS(蒽醌-2-磺酸钠)溶液(30m mol/L)中。
(2)将添加了生物炭后的溶液置于100rpm，25℃条件的摇床，恒温振荡 72h。
(3)取出72h后的溶液，用0.45μm滤膜抽真空过滤。
(4)取滤后沉淀物，冷冻干燥后，制得醌基改性生物炭。
醌基修饰生物炭基微生物菌剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)挑取产碱杆菌SMD-FA的单菌落，接种于灭菌的LB液体培养基，好氧条件下，培养至OD600达到1.0-1.5，作为种子液。
(2)按照液固比1:1，将产碱杆菌SMD-FA种子液均匀喷洒到醌基改性生物炭表面，混合均匀，并进行冷冻干燥，制备获得醌基修饰生物炭基微生物菌剂。
醌基修饰生物炭基微生物菌剂在抗生素污染环境生物修复和抗生素残留废弃物中的应用。本发明的优点在于：
(1)本申请在改性生物炭的选择和制备、菌株和改性生物炭共同处理的方法均有创新，为抗生素污染修复提供了新的途径和尝试；(2)改性生物炭的制备方法成本低廉，工艺简单。制备的醌基修饰生物炭具有加速生物还原转化过程的能力，其表面负载性能更高，稳定性好，可循环利用，具有良好的经济性和环境友好性； (3)将抗生素降解菌和改性生物炭共同施加于抗生素污染体系中，不仅能够有效地促进降解菌对抗生素的降解作用，还起到固定菌株的效果，同时能发挥其吸附材料的功能吸附部分抗生素，从而提高对抗生素的去除率。
附图说明
图1：本发明醌基修饰生物炭基微生物菌剂示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本申请的技术方案作进一步的具体说明。
本申请中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例：
一、醌基改性生物炭的制备
1、试验材料
市售的竹炭，其基本理化性质为：pH＝8.87，元素分析结果为：炭元素含量63.11％，氮元素含量0.76％，氢元素含量3.35％，氧元素含量31.96％，灰分27.31％，比表面积43.26％，总孔容0.033％。
2、改性方法
(1)称取5g竹炭，加入到100ml的AQS(蒽醌-2-磺酸钠)溶液(30m mol/L)中。
(2)将添加了竹炭后的溶液置于100rpm，25℃条件的摇床，恒温振荡72h。
(3)取出72h后的溶液，用0.45μm滤膜抽真空过滤。
(4)取滤后沉淀物，冷冻干燥后，制得醌基修饰竹炭。
二、改性生物炭基微生物菌剂
1、试验材料
醌基改性生物炭、产碱杆菌SMD-FA菌种
2、制备方法
(1)挑取产碱杆菌SMD-FA的单菌落，接种于灭菌的LB液体培养基，培养24-36 小时，OD600达到1.0-1.5，作为种子液。
(2)按照液固比1:1，将产碱杆菌SMD-FA种子液均匀喷洒到醌基改性生物炭表面，混合均匀，并进行冷冻干燥，制备获得改性生物炭基微生物菌剂，如图1 所示。
三、产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同好氧去除抗生素的试验(例 1)
1、试验材料
(1)产碱杆菌SMD-FA种子液制备
挑取产碱杆菌SMD-FA接种至5ml灭菌后的LB液体培养基(pH 7.0)中， 180rpm，30℃，恒温震荡培养12-16h，至OD600≈1.8，制得新鲜种子液。
(2)醌基改性竹炭
(3)铁锰改性竹炭
2、产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同好氧去除抗生素的试验
(1)配制含有1mg/L(1ppm)的磺胺间甲氧嘧啶的无机盐培养基20ml。
无机盐培养基：MgSO4·7H2O 0.25g/L、Na2HPO4·12H2O 15.13g/L、KH2PO4 3.0g/L、NH4Cl 1.0g/L、NaCl 0.50g/L、CaCl2·2H2O 0.026g/L(无水CaCl2 0.0196g)、微量元素液10ml/L， pH7.0，115℃，30min灭菌。微量元素液：氮三乙酸1.5g/L,MnSO4·2H2O 0.5g/L,FeSO4·7H2O 0.1g/L,CaCl2·2H2O0.1g/L,CuSO4·5H2O0.01g/L,H3BO3 0.01g/L,MgSO4·7H2O3.0 g/L,NaCl1.0g/L,CaSO40.1g/L,ZnSO40.1g/L,AlK(SO4)20.01g/L,NaMoO4·2H2O0.01g/L。先用KOH 溶解氮三乙酸至pH 6.5,然后添加无机盐，115℃，30min灭菌。
(2)试验处理
CK：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+无炭+1％LB培养基；
J：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％SMD-FA菌液；
FeMn：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％铁锰生物炭+1％LB培养基；
FeMn-J：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％铁锰生物炭+1％ SMD-FA菌液；
Q：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％醌基生物炭；
Q-J:20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％醌基生物炭+1％SMD-FA菌液。
在好氧条件下，30℃，180rpm恒温震荡培养3天。
(3)将所有样品过0.22um滤膜于棕色样品瓶，HPLC测定磺胺间甲氧嘧啶的残留浓度，计算降解率。
3、试验结果
如表1所述，产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同处理对环境浓度下磺胺间甲氧嘧啶(1ppm)的3天降解率为62％。产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同处理(Q-J)的磺胺间甲氧嘧啶去除率比对照(CK)、单一产碱杆菌SMD-FA (J)、单一醌基改性生物炭(Q)、单一铁锰改性生物炭(FeMn)以及产碱杆菌 SMD-FA和铁锰改性生物炭协同处理(FeMn-J)分别提高了125％、44％、50％、 45％、100％。
表1产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同好氧去除磺胺间甲氧嘧啶试验(3 天降解率)
四、产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同兼氧去除抗生素的试验(例2)
1、试验材料
(1)产碱杆菌SMD-FA种子液制备
挑取产碱杆菌SMD-FA接种至5ml灭菌后的LB液体培养基(pH 7.0)中， 180rpm，30℃，恒温震荡培养12-16h，至OD600≈1.8，制得新鲜种子液。
(2)醌基改性竹炭
(3)铁锰改性竹炭
2、试验方法
(1)配制含有1mg/L(1ppm)的磺胺间甲氧嘧啶的无机盐培养基20ml，同例 1。
(2)试验处理
试验处理同例1。将所有处理锥形瓶用封口膜密封，在兼氧条件下，30℃，180rpm恒温震荡培养3天。
(3)将所有样品过0.22um滤膜于棕色样品瓶，HPLC测定磺胺间甲氧嘧啶的残留浓度，计算降解率。
3、试验结果
如表2所述，产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同处理对环境浓度下磺胺间甲氧嘧啶(1ppm)的3天降解率为60.69％。产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同处理(Q-J)的磺胺间甲氧嘧啶去除率比对照(CK)、单一产碱杆菌 SMD-FA(J)、单一醌基改性生物炭(Q)、单一铁锰改性生物炭(FeMn)以及产碱杆菌SMD-FA和铁锰改性生物炭协同处理(FeMn-J)分别提高了179％、40％、 59％、111％、59％。
表2产碱杆菌SMD-FA和醌基修饰生物炭协同兼氧条件下去除磺胺间甲氧嘧啶试验(3天降解率)
四、醌基改性生物炭基微生物菌剂兼氧去除抗生素的试验(例3)
1、试验材料
(1)醌基改性生物炭基微生物菌剂
产碱杆菌SMD-FA种子液制备：挑取产碱杆菌SMD-FA接种至5ml灭菌后的LB 液体培养基(pH 7.0)中，180rpm，30℃，恒温震荡培养12-16h，至 OD600≈1.8，制得新鲜种子液。
醌基改性竹炭制备：同例1
微生物菌剂：按照液固比1:1，将产碱杆菌SMD-FA种子液均匀喷洒到醌基改性生物炭表面，混合均匀，并进行冷冻干燥，制备获得改性生物炭基微生物菌剂。
2、试验方法
(1)配制含有1mg/L(1ppm)的磺胺间甲氧嘧啶的无机盐培养基20ml，同实例1。
(2)试验处理
CK：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+无炭+1％LB培养基；
J：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％SMD-FA菌液；
FeMn：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％铁锰生物炭+1％LB培养基；
FeMn-J：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％铁锰生物炭基微生物菌剂；
Q：20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％醌基生物炭；
Q-J:20ml无机盐培养基+1ppm磺胺间甲氧嘧啶+1％醌基生物炭基微生物菌剂。将所有处理锥形瓶用封口膜密封，在兼氧条件下，30℃，180rpm恒温震荡培养，培养24和48小时采样。
(3)将所有样品过0.22um滤膜于棕色样品瓶，HPLC测定磺胺间甲氧嘧啶的残留浓度，计算降解率。
3、试验结果
如表3所述，醌基改性生物炭基微生物菌剂对环境浓度下磺胺间甲氧嘧啶(1ppm)的48小时降解率为63.86％。醌基改性生物炭基微生物菌剂的磺胺间甲氧嘧啶48 小时去除率比对照(CK)、单一产碱杆菌SMD-FA(J)、单一醌基改性生物炭 (Q)、单一铁锰改性生物炭(FeMn)以及产碱杆菌SMD-FA和铁锰改性生物炭协同处理(FeMn-J)分别提高了300％、52％、87％、80％、71％。
表3醌基改性生物炭基微生物菌剂兼氧去除抗生素的试验
时间 CK J FeMn FeMn-J Q Q-J
降解率(1d) 16.61 29.91 31.01 32.95 31.22 49.14
误差 1.02 1.36 1.02 2.95 1.20 0.99
降解率(2d) 15.94 41.92 35.48 37.34 34.20 63.86
误差 3.42 3.15 3.32 1.96 2.24 0.25
以上所述的实施例只是本发明的一种的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1.一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂，其特征在于，包括醌基改性生物炭和磺胺二甲氧嘧啶降解产碱杆菌（Alcaligenes sp.）SMD-FA，产碱杆菌（Alcaligenes sp.）SMD-FA是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 15053。
2.根据权利要求1所述的一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂，其特征在于，生物炭原材料是竹炭或稻壳炭。
3.根据权利要求1所述的一种醌基修饰生物炭基微生物菌剂，其特征在于，醌基改性生物炭的制备包括以下步骤：
（1）取粒度小于100目的生物炭，加入到AQS（蒽醌-2-磺酸钠）溶液中；
（2）将添加生物炭后的溶液置于摇床，恒温振荡；
（3）取出振荡后的溶液，用滤膜抽真空过滤；
（4）取滤后沉淀物，冷冻干燥后，制得醌基改性生物炭。
4.一种如权利要求1所述醌基修饰生物炭基微生物菌剂的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）挑取产碱杆菌SMD-FA的单菌落，接种于灭菌的LB液体培养基，好氧条件下，培养至OD600达到1.0-1.5，作为种子液；
（2）将产碱杆菌SMD-FA种子液喷洒到醌基改性生物炭表面，混合均匀，并进行冷冻干燥，制备获得。
5.根据权利要求4所述的醌基修饰生物炭基微生物菌剂的制备方法，其特征在于，按液固比1:1，将产碱杆菌SMD-FA种子液均匀喷洒到醌基改性生物炭表面。
6.如权利要求1所述的醌基修饰生物炭基微生物菌剂在抗生素污染环境生物修复中的应用。
7.如权利要求1所述的醌基修饰生物炭基微生物菌剂在抗生素残留废弃物中的应用。
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生物炭介导还原Cr(Ⅵ)过程中的电子传递机制研究;黄煌;硕士电子期刊库(第01期);第1-102页 *

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