CN114988651A

CN114988651A - 微生物-光催化偶联降解材料及制备方法和废水处理方法

Info

Publication number: CN114988651A
Application number: CN202210756197.6A
Authority: CN
Inventors: 王璨; 王宇; 徐绯; 张良奇; 马海涛; 刘晋畅; 牛欢; 邱航
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2042-06-29
Also published as: CN114988651B

Abstract

本发明涉及有机污染物处理技术领域，提供了微生物‑光催化偶联降解材料及制备方法和废水处理方法。降解材料的制备方法，包括：将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有机污染物的培养基中进行驯化，得到含有驯化后复合菌的培养液，代谢产硫菌为代谢生成S^2‑的细菌；将多孔载体置于含有驯化后复合菌的培养液中进行挂膜培养得到初级降解材料；将初级降解材料置于含有金属离子和含硫化合物的培养基中进行培养，使生物膜表面、内部或细菌的胞体表面附着纳米金属硫化物颗粒。降解材料，采用上述的制备方法制得。废水处理方法，采用上述降解材料处理污水。本申请通过微生物反应自组装形成该偶联降解材料，对废水中的有机污染物具有好的降解效果。

Description

微生物-光催化偶联降解材料及制备方法和废水处理方法

技术领域

本发明涉及有机污染物处理技术领域，具体而言，涉及微生物-光催化偶联降解材料及制备方法和废水处理方法。

背景技术

1、光催化降解

原理是利用光来激发二氧化钛等半导体化合物，利用它们产生的电子和空穴来诱导氧化—还原反应。当能量大于或等于能隙的光照射到半导体纳米粒子上时，其价带中的电子将被激发跃迁到导带，在价带上留下相对稳定的空穴，从而形成电子—空穴对。由于纳米材料中存在大量的悬键，这些悬键能俘获电子或空穴并阻止电子和空穴的重新复合。这些被俘获的电子和空穴分别扩散到微粒的表面，从而产生了强烈的氧化还原势。

缺点在于以下几点：(1)光催化剂制备流程较为复杂，且应用时需要进行人为负载，耗时耗力，制备和负载过程消耗大量化学药剂，带来潜在环境风险；(2)光催化反应可无选择性破坏有机分子结构，但难以独立将污染物完全矿化降解，降解深度低，且中间产物潜在毒性常常超过污染物本身；

2、微生物降解

原理是利用微生物自身生长代谢活动，将有机物分解为无机物的过程。

缺点在于以下几点：(1)微生物对于一些分子结构复杂的有机物降解能力较差，降解受限；(2)有机污染物对生物有毒害作用，抑制微生物正常生命代谢活动；(2)一些大分子有机物，如抗生素等，利用微生物降解会导致耐药基因的积累，导致潜在环境风险。(3)降解效果受环境因素影响较大，如温度、pH、污染物浓度等；

3、分段式光催化-微生物降解体系

顾名思义，分段式光催化-微生物降解体系，即光催化与微生物反应过程分开运行，先运用光催化裂解大分子有机物形成可生物降解的有机中间产物，再将可生物降解的有机中间产物转入微生物反应器，从而实现降解。

缺点在于以下几点：(1)由于体系分开构建，结合不紧密，传质受限，效率较低；(2)装置占地较大，处理周期较长；(3)需要人为构建装置，运行费用较为昂贵；

4、传统的光催化-微生物耦联降解体系(ICPB)

微生物光催化耦联降解体系(ICPB)，是指将微生物与光催化剂分别锚定于多孔介质内外，利用光催化作用破坏有机物复杂结构，形成结构较为简单的中间产物，继而由微生物深度降解。

即当我们给予微生物光催化耦联降解体系光照时，光催化剂吸收光子能量和带隙能量，使电子(e)从价带(VB)转移到导带(CB)并产生-空穴对。基于此原理，产生的活性氧对有机污染物进行攻击，如·OH、·O₂－，H⁺等。通过这个过程有机物变成危害较小的中间产物，微生物通过载体将中间产物转移到生物膜内进行生物降解，进一步完全矿化为CO₂和水。

ICPB系统的优势在于，对有机污染物而言，并不像单一光催化氧化、单一微生物氧化作用那样具有较为明显的局限性，而是先进行光催化形成活性氧自由基对有机污染物进行破坏和攻击，使其裂解为分子量更小的中间产物，生成的中间产物被负载微生物进一步降解形成相对于环境友好的CO₂和H₂O。如此，降解效率、降解深度更高。同时，光催化降解有效降低了有机污染物对微生物的胁迫，减轻其负担，有助于保持微生物的活力。

缺点在于以下几点：

(1)需要人为制备光催化剂并负载到载体上，耗时耗力；

(2)光催化剂由人为外源添加，长时间运行会造成外源添加的光催化剂脱落，降低其光催化能力，甚至容易造成环境二次污染；

(3)外源光催化材料对载体表面的微生物有毒害作用；

现有的较为先进的技术是通过光催化和生物降解相结合对污染物进行处理，包括分段式光催化-微生物降解体系和上文提到的微生物-光催化耦联降解体系(ICPB)。

但该体系中的光催化材料，不管是可见光的还是紫外光的光催化材料，如Ag/TiO₂、N/TiO₂、Cu/TiO₂、Bi₁₂O₁₇Cl₂、MnO₂-Ag₃PO₄等，需要利用气相沉积、水热法等物理化学手段，人为进行制备负载，操作流程复杂，耗费材料成本高。同时，外源材料与微生物存在空间隔离，光催化降解中间产物传质受阻，微生物-光催化耦联紧密程度受限，外源光催化剂易钝化失效，体系持续性不理想。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供微生物-光催化偶联降解材料及制备方法和废水处理方法。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，包括：

将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有有机污染物的培养基中进行驯化，得到含有驯化后复合菌的培养液，代谢产硫菌为代谢生成S^2-的细菌；

将多孔载体置于含有驯化后复合菌的培养基中进行挂膜培养得到初级降解材料；

将初级降解材料置于含有金属离子和含硫化合物的培养基中进行培养，使生物膜表面、内部或细菌的胞体表面附着纳米金属硫化物颗粒，纳米金属硫化物颗粒为金属离子和S^2-反应得到的具有光催化作用的物质。

在可选的实施方式中，金属离子为Cd²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺和Se²⁺中至少一种；

优选地，含硫化合物包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、半胱氨酸和胱氨酸中至少一种。

优选地，金属离子在培养基中的浓度为0.01～2.0mM，含硫化合物在培养基中的浓度为2.0～5.0mM；

优选地，初级降解材料在培养基中的培养时间为24～72h。

在可选的实施方式中，厌氧活性污泥与代谢产硫菌之比为2～4：1～2；

厌氧活性污泥与驯化过程所用到的培养基的比为50～100g:1～2L；

优选地，各步骤中所使用的培养基中均含有：乳酸钠0.82～1.12g/L、NaCl0.46～0.6g/L、KH₂PO₄ 0.225～0.3g/L、K₂HPO₄·3H₂0 0.225～0.3g/L、NH₄Cl0.225～0.25g/L、MgSO₄·7H₂O 0.1～0.2g/L、CaCl₄·2H₂O 0.01～0.05g/L以及微量元素液0.2～0.4ml/L，每升微量元素液包括FeCl₂·4H₂O 1.5g、H₃BO₃ 6mg、MnCl₂·4H₂O 100mg、CoCl₂·6H₂O 190mg、NiCl₂·6H₂O 24mg、CuCl₂·2H₂O 2mg、ZnCl₂ 70mg、Na₂MoO₄·2H₂O 36mg。

在可选的实施方式中，将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有有机污染物的培养基中进行驯化的方式为：

将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有有机污染物的培养基中，从有机污染物浓度为0开始随着培养的进行逐渐升高污染物的浓度，最终使得含有有机污染物的培养基中有机污染物的浓度为0.01～0.5mM；

优选地，有机污染物包括四环素、多氯酚和多环芳烃中至少一种。

在可选的实施方式中，代谢产硫菌包括胞外产电菌；

优选地，胞外产电菌包括希瓦氏菌、地杆菌和假单胞菌中至少一种。

优选地，挂膜培养的方式为：

将多孔载体置于含有驯化后复合菌的培养基中，于50～120rpm、25～35℃的摇床中进行挂膜培养，培养基每2～4天更换一次，持续培养9～21天。

在可选的实施方式中，多孔载体包括多孔陶瓷颗粒、聚氨酯海绵、聚四氟乙烯、海藻酸钙微球和生物炭中至少一种。

在可选的实施方式中，在将多孔载体用于挂膜培养之前还包括对多孔载体进行预处理，预处理包括：

去除多孔载体表面的杂质；

对多孔载体进行灭菌；

优选地，去除多孔载体表面的杂质的方式为：采用去离子水、无水乙醇以及无水丙酮依次对多孔载体进行超声清洗，每次超声清洗的时间为15～35min；然后置于0.4～0.6M的盐酸溶液中浸泡4～8h；再将盐酸浸泡后的多孔载体置于0.4～0.6M的氢氧化钠溶液中浸泡4～8h；

优选地，灭菌方式为在110～130℃下灭菌15～35min。

第二方面，本发明提供一种微生物-光催化偶联降解材料，采用如前述实施方式任一项的制备方法制得。

第三方面，本发明提供一种有机污染物废水的处理方法，包括采用如前述实施方式的微生物-光催化偶联降解材料对废水进行处理。

本发明具有以下有益效果：

本申请提供的制备方法，针对有机污染物抑制微生物活性的缺点，根据废水中目的有机污染物种类，通过对厌氧活性污泥进行驯化(加入含目的污染物废水)和生物强化(加入代谢产硫菌)，获得可降解目标污染物的微生物群，针对不同污染物构建不同微生物群，提高其在实际应用中的能力，在此基础上，利用多孔载体负载所得的微生物群，形成生物膜，进一步提高微生物群对不同污染物的抵抗能力；进一步地，本申请提供的制备方法通过微生物自发的代谢活动，以金属离子和含硫化合物为底物，自组装形成微生物-光催化偶联降解材料，无需人工干预，不消耗化学物质，绿色环保。光照下，微生物代谢形成的光催化活性物质在光照的作用下对结构复杂的有机污染物进行降解，光催化降解中间产物再一次被微生物进行利用，深度矿化降解为CO₂和H₂O。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请中自组装微生物-光催化偶联降解材料的工作示意图；

图2为以聚氨酯海绵为载体形成微生物-光催化偶联降解材料前后的实物照片；

图3为实施例1制得的降解材料对废水中的COD的模拟处理效果结果统计图；

图4为实施例1制得的降解材料对废水中的四环素的模拟处理效果结果统计图；

图5为实施例1制得的降解材料在第一倍率下放大后的微观形貌；

图6为实施例1制得的降解材料在第二倍率下放大后的微观形貌；

图7-10分别为光催化剂颗粒的EDS能谱图、X射线衍射图谱、X射线光电子能谱图谱以及紫外可见吸收光谱图谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的微生物-光催化偶联降解材料及其制备方法以及有机污染物废水的处理方法进行具体描述。

本申请实施例提供的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，包括：

发明人研究发现，在含硫化合物存在下，金属离子可在微生物介导下转化为光催化活性物质(如CdS、ZnS)并沉积于生物膜上。基于此原理，实现微生物通过反应自发产生光催化剂并负载于生物膜上，进而与微生物耦联形成自组装微生物-光催化耦联体系(Self-assembled microbial-photocatalytic coupling system，SMPCS)，即微生物-光催化偶联降解材料，其工作示意图如图1所示。

本申请提供的制备方法，针对有机污染物抑制微生物活性的缺点，根据废水中目的有机污染物种类，通过对厌氧活性污泥进行驯化(加入含目的污染物废水)和生物强化(加入代谢产硫菌)，获得可降解目标污染物的微生物群，针对不同污染物构建不同微生物群，提高其在实际应用中的能力，在此基础上，利用多孔载体负载所得的微生物群，形成生物膜，进一步提高微生物群对不同污染物的抵抗能力；进一步地，本申请提供的制备方法通过微生物自发的代谢活动，以金属离子和含硫化合物为底物，自组装形成偶联体系或偶联降解材料，无需人工干预，不消耗化学物质，绿色环保。光照下，微生物代谢形成的光催化活性物质在光照的作用下对结构复杂的有机污染物进行降解，光催化降解中间产物再一次被微生物进行利用，深度矿化降解为CO₂和H₂O。

微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，具体为：

S1、微生物适应性驯化

将厌氧活性污泥和代谢产硫菌于培养基中，进行传代培养，并向其中添加过滤除菌后的有机污染物，随着培养的进行逐渐升高污染物的浓度，含有有机污染物的培养基中有机污染物的浓度为0.01～0.5mM(例如向1L的培养基中逐渐加入污染物，逐渐从0添加至0.1、0.2、0.5mM)，对微生物进行适应性驯化，当微生物能够适应添加污染物浓度(即能够在添加污染物浓度下正常生长)表示培养完成。

进一步地，有机污染物包括但不限于四环素、多氯酚和多环芳烃中至少一种。

当有机污染为四环素时，四环素可以作为培养基中的唯一碳源，也可在培养基中添加乙酸钠、乳酸钠或葡萄糖等碳源进行共代谢。

优选地，为保证满足微生物的生长繁殖所需营养，培养基为含有乳酸钠0.82～1.12g/L、NaCl 0.46～0.6g/L、KH₂PO₄ 0.225～0.3g/L、K₂HPO₄·3H₂0 0.225～0.3g/L、NH₄Cl0.225～0.25g/L、MgSO₄·7H₂O 0.1～0.2g/L、CaCl₄·2H₂O0.01～0.05g/L以及微量元素液(每升微量元素液包括FeCl₂·4H₂O 1.5g、H₃BO₃ 6mg、MnCl2·4H₂O 100mg、CoCl₂·6H₂O190mg、NiCl₂·6H₂O 24mg、CuCl₂·2H₂O 2mg、ZnCl₂ 70mg、Na₂MoO₄·2H₂O 36mg)0.4ml/L。需要说明的是，在本申请的一些实施例中，培养基并不限于以上成分，只要能满足微生物生长繁殖所需营养即可。

优选地，为使驯化后得到的复合菌群中各种不同类型的菌具有较佳的配比以实现更好的废水处理效果，厌氧活性污泥与代谢产硫菌之比约为2～2.5:1～1.5(例如2:1.5、2:1、2.5:1.25、2.25:1或2.5:1.5等)。

优选地，为保证微生物具有更好的生长条件，厌氧活性污泥与培养基的比为50～100g:1～2L(例如50g:2L、50g:1L、80g:1L、80g:2L、100g:1L或100g:2L等)。

优选地，代谢产硫菌包括胞外产电菌；进一步地，胞外产电菌包括希瓦氏菌、地杆菌和假单胞菌中至少一种。

S2、生物膜形成

将多孔载体进行预处理，去除表面杂质，并对其进行灭菌。

然后将经预处理后的多孔载体置于S1步骤得到的含有驯化后复合菌的培养基中进行挂膜培养得到初级降解材料。

优选地，为保证多孔载体上充分负载生物膜，挂膜培养是将多孔载体置于含有驯化后复合菌的培养基中于50～120rpm，25～35℃的摇床中进行挂膜培养，培养基(此处培养基可以为新鲜培养基)每2～4天更换一次，持续培养9～21天。

优选地，多孔载体包括但不限于多孔陶瓷颗粒、聚氨酯海绵、聚四氟乙烯、海藻酸钙微球和生物炭中至少一种。

聚氨酯海绵载体由于其疏松多孔的特点，既为载体内部微生物提供了一个相对安全的环境以免被外部高浓度污染物(例如多氯酚)杀死，也提供了微生物和微生物自生成光催化剂附着位点，实现外部光催化裂解，内部微生物利用裂解产物维持生命活动，构成良性循环，实现光催化和生物降解紧密耦合；聚氨酯海绵的大孔隙率，有助于有机污染物及其中间代谢产物的传质和降解，在单位面积内可以负载更多的生物量和生物自生成光催化剂。因此，在本申请优选的技术方案中选用聚氨酯海绵作为载体。

优选地，预处理方式具体为：

采用去离子水、无水乙醇以及无水丙酮依次对多孔载体进行超声清洗，每次超声清洗的时间为15～35min(例如15min、20min、30min或35min)；然后置于0.4～0.6M(例如0.4M、0.5M或0.6M)的盐酸溶液中浸泡4～8h(例如4h、6h或8h)；再将盐酸浸泡后的多孔载体置于0.4～0.6M(例如0.4M、0.5M或0.6M)的氢氧化钠溶液中浸泡4～8h；

浸泡结束后，将多孔载体置于110～130℃下灭菌15～35min(例如15min、20min、30min或35min)。

S3、SMPCS体系构建

将初级降解材料置于含有金属离子和含硫化合物的培养基中进行培养，培养24～72h，使生物膜表面、内部或细菌的胞体表面附着纳米金属硫化物颗粒得到具备SMPCS体系的微生物-光催化偶联降解材料。该微生物-光催化偶联降解材料可持续传代培养，也可清洗后置于4℃冰箱保存，也可冷冻干燥后于真空干燥器中保存备用。

优选地，金属离子包括但不限于Cd²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺和Se²⁺中至少一种。

优选地，含硫化合物包括但不限于硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、以及半胱氨酸、胱氨酸等含硫氨基酸。

优选地，为保证培养基中的金属离子以及含硫化合物不影响微生物的生长，且保证可反应生成足量的光催化剂，金属离子在培养基中的浓度为0.01～2.0mM(例如0.01M、0.1mM、0.5mM、1mM或2mM)，含硫化合物在培养基中的浓度为2.0～5.0mM(例如2mM、3mM、4mM或5mM)。

本申请实施例提供一种微生物-光催化偶联降解材料，采用本申请实施例提供的制备方法制得。该微生物-光催化偶联降解材料对于有机污染物废水有好的处理效果。

本申请实施例提供一种有机污染物废水的处理方法，包括采用本申请实施例提供的微生物-光催化偶联降解材料对废水进行处理。该废水的处理方法由于采用本申请实施例提供的降解材料对废水进行处理，因此其能实现有机污染物废水的有效处理。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

针对四环素污染废水：

S1、微生物适应性驯化

将厌氧活性污泥50～100g和西南交通大学资源与环境微生物技术实验室保藏的现有已知电化学活性微生物(假单胞菌、地杆菌、希瓦氏菌)添加至1L的培养基中，进行传代培养，并向其中添加过滤除菌后的有机污染物；随着培养的进行逐渐升高污染物的浓度，加入量从0逐渐增加至0.0675mM，对微生物进行适应性驯化，当微生物能够适应添加污染物浓度(即能够在添加污染物浓度下正常生长)表示培养完成。

培养基为含有乳酸钠1.12g/L、NaCl 0.46g/L、KH₂PO₄ 0.225g/L、K₂HPO₄·3H₂00.225g/L、NH₄Cl 0.225g/L、MgSO₄·7H₂O 0.2g/L、CaCl₄·2H₂O0.05g/L以及微量元素液0.2ml/L(每升微量元素液包括FeCl₂·4H₂O 1.5g、H₃BO₃ 6mg、MnCl2·4H₂O 100mg、CoCl₂·6H₂O 190mg、NiCl₂·6H₂O 24mg、CuCl₂·2H₂O 2mg、ZnCl₂ 70mg、Na₂MoO₄·2H₂O 36mg)

S2、生物膜形成

选择1cm×1cm×1cm的聚氨酯海绵作为多孔载体如图2左图所示，采用去离子水、无水乙醇以及无水丙酮依次对聚氨酯海绵进行超声清洗，每次超声清洗的时间为30min；然后置于0.5M的盐酸溶液中浸泡6h；再将盐酸浸泡后的聚氨酯海绵置于0.5M的氢氧化钠溶液中浸泡6h；

浸泡结束后，将聚氨酯海绵置于121℃下灭菌30min得到预处理完成多孔载体。

将预处理完后的尺寸为聚氨酯海绵置于S1步骤得到的含有驯化后复合菌的培养基中于100rpm，30℃的摇床中进行挂膜培养，培养基每3天更换一次，持续培养9天得到初级降解材料。

S3、SMPCS体系构建

将初级降解材料置于含有5mM半胱氨酸和2mM Cd²⁺的培养基中进行培养，培养24h，使生物膜表面、内部或细菌的胞体表面附着纳米金属硫化物颗粒得到具备SMPCS体系的微生物-光催化偶联降解材料，如图2右图所示。

实施例2

针对多氯酚污水：

多氯酚在环境中较为稳定，可长期存在，且裂解中间产物可能具有更大的毒性。

本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：有机污染物为多氯酚。

实施例3

针对多环芳烃(芘)污水：

环芳烃(PAHs)是一类广泛分布于水体、土壤中的持久性有机污染物,其化学结构稳定,具有高疏水性、难降解性和三致毒性，因此也被用作模式污染物进行处理。

本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：有机污染物为芘。

实施例4

针对复合有机污染物污水：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：有机污染物为四环素、多氯酚以及芘的混合物，其配比关系为摩尔比1:1:1。

实验例

将实施例1制得的微生物-光催化偶联降解材料清洗后利用BCA定量法测定不同培养时间的总蛋白含量来实现生物量的测定，多次实验计算实施例1的聚氨酯海绵负载生物膜后相对于负载生物膜之前(达到吸附平衡后)其含量增加量的平均值约为55％。

将实施例1-3制得的微生物-光催化偶联降解材料分别进行污染物减量模拟实验：

将实施例1制得的微生物-光催化偶联降解材料1.25g置于0.1L含有四环素的培养基中，培养基为驯化过程用到的培养基，四环素的浓度为0.0675mM。在实验时应设置黑暗对照组和可见光光照组(40w LED灯)。在30℃，100rpm下培养24小时，动态取水样，通过液相色谱和COD检测仪测定污染物减量情况。实验结果如附图3和4所示。从图3和图4中可看出可见光光照组对于模拟污水中COD和四环素有很好的去除效果。

实验例2

拍摄实施例1制得的微生物-光催化偶联降解材料的微观形貌，如图5所示；将微生物-光催化偶联降解材料进一步局部放大，拍摄形貌如图6所示。

从图5可看出载体表面负载光催化剂-微生物；从图6中可看出，微生物自生成光催化剂不仅负载于载体上，还负载于微生物表面。

实验例3

微生物作用下合成的光催化剂颗粒一部分负载在生物膜和载体上，一部分分布在培养基内，提取实施例1中分布在培养基内的光催化剂颗粒，做EDS能谱图、X射线衍射图谱、X射线光电子能谱图谱以及紫外可见吸收光谱图谱，分别如图7-10所示。

图7-9可证明微生物自发生成光催化剂的可行性，图10可证明生成的光催化剂(CdS)在可见光范围具有光催化活性。

综上，本申请提供的制备方法，针对有机污染物抑制微生物活性的缺点，根据废水中目的有机污染物种类，通过对厌氧活性污泥进行驯化(加入含目的污染物废水)和生物强化(加入代谢产硫菌)，获得可降解目标污染物的微生物群，针对不同污染物构建不同微生物群，提高其在实际应用中的能力，在此基础上，利用多孔载体负载所得的微生物群，形成生物膜，进一步提高微生物群对不同污染物的抵抗能力；进一步地，本申请提供的制备方法利用微生物-光催化耦联体系，通过微生物自发的代谢活动，以金属离子和含硫化合物为底物，自组装形成，无需人工干预，不消耗化学物质，绿色环保。光照下，微生物代谢形成的光催化活性物质在光照的作用下对结构复杂的有机污染物进行降解，光催化降解中间产物再一次被微生物进行利用，深度矿化降解为CO₂和H₂O。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，包括：

将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有机污染物的培养基中进行驯化，得到含有驯化后复合菌的培养液，所述代谢产硫菌为代谢生成S^2-的细菌；

将多孔载体置于所述含有驯化后复合菌的培养基中进行挂膜培养得到初级降解材料；

将所述初级降解材料置于含有金属离子和含硫化合物的培养基中进行培养，使生物膜表面、内部或细菌的胞体表面附着纳米金属硫化物颗粒，所述纳米金属硫化物颗粒为所述金属离子和S^2-反应得到的具有光催化作用的物质。

2.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，所述金属离子为Cd²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺和Se²⁺中至少一种；

优选地，所述含硫化合物包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、半胱氨酸和胱氨酸中至少一种；

优选地，所述金属离子在所述培养基中的浓度为0.01～2.0mM，所述含硫化合物在所述培养基中的浓度为2.0～5.0mM；

优选地，所述初级降解材料在所述培养基中的培养时间为24～72h。

3.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，所述厌氧活性污泥与所述代谢产硫菌之比为2～4：1～2；

所述厌氧活性污泥与驯化过程所用到的所述培养基的固液比为50～100g:1～2L；

优选地，各步骤中所使用的培养基中均含有：乳酸钠0.82～1.12g/L、NaCl 0.46～0.6g/L、KH₂PO₄ 0.225～0.3g/L、K₂HPO₄·3H₂O 0.225～0.3g/L、NH₄Cl 0.225～0.25g/L、MgSO₄·7H₂O 0.1～0.2g/L、CaCl₄·2H₂O 0.01～0.05g/L以及微量元素液0.2～0.4ml/L，每升所述微量元素液包括FeCl₂·4H₂O 1.5g、H₃BO₃6mg、MnCl₂·4H₂O 100mg、CoCl₂·6H₂O190mg、NiCl₂·6H₂O 24mg、CuCl₂·2H₂O 2mg、ZnCl₂ 70mg、Na₂MoO₄·2H₂O 36mg。

4.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有有机污染物的培养基中进行驯化的方式为：

将厌氧活性污泥和代谢产硫菌置于含有有机污染物的培养基中，从有机污染物浓度为0开始随着培养的进行逐渐升高污染物的浓度，最终使得所述含有有机污染物的培养基中有机污染物的浓度为0.01～0.5mM；

优选地，所述有机污染物包括四环素、多氯酚和多环芳烃中至少一种。

5.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，所述代谢产硫菌包括胞外产电菌；

优选地，所述胞外产电菌包括希瓦氏菌、地杆菌和假单胞菌中至少一种。

6.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，挂膜培养的方式为：

将多孔载体置于含有所述驯化后复合菌的培养基中，于50～120rpm、25～35℃的摇床中进行挂膜培养，培养基每2～4天更换一次，持续培养9～21天。

7.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，多孔载体包括多孔陶瓷颗粒、聚氨酯海绵、聚四氟乙烯、海藻酸钙微球和生物炭中至少一种。

8.根据权利要求1所述的微生物-光催化偶联降解材料的制备方法，其特征在于，在将多孔载体用于挂膜培养之前还包括对多孔载体进行预处理，预处理包括：

去除多孔载体表面的杂质；

对所述多孔载体进行灭菌；

优选地，去除所述多孔载体表面的杂质的方式为：采用去离子水、无水乙醇以及无水丙酮依次对所述多孔载体进行超声清洗，每次超声清洗的时间为15～35min；然后置于0.4～0.6M的盐酸溶液中浸泡4～8h；再将盐酸浸泡后的多孔载体置于0.4～0.6M的氢氧化钠溶液中浸泡4～8h；

优选地，灭菌方式为在110～130℃下灭菌15～35min。

9.一种微生物-光催化偶联降解材料，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的制备方法制得。

10.一种有机污染物废水的处理方法，其特征在于，包括采用如权利要求9所述的微生物-光催化偶联降解材料对废水进行处理。