CN116514096B - 一种炭基微生物电子分流器材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炭基微生物电子分流器材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)多孔炭材料与多巴胺反应，得多巴胺改性多孔炭材料；(2)所述多巴胺改性多孔炭材料与刃天青反应，得到炭基微生物电子分流器材料。本发明所制得的炭基微生物电子分流器材料具有储存电荷的能力，可以截留微生物驱动的异化砷和铁还原过程中的电子，显著降低稻田淹水过程中砷还原和释放，从而降低土壤砷的生物活性，减少水稻对砷的吸收，同时也能截留产甲烷过程中的产电微生物和产甲烷微生物种间电子传递，有效抑制稻田土壤甲烷的排放，最终同步实现稻田土壤砷活性降低和温室气体减排的目标。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料技术领域，特别涉及一种炭基微生物电子分流器材料及其制备方法和应用。
背景技术
水稻是我国第一大粮食作物，稻田土壤是宝贵的自然资源，然而近些年受人类活动的影响，稻田土壤重(类)金属污染状况严峻，严重危害到农产品产量和安全，从而对人类健康构成威胁。砷(As)虽然污染面积占比不是最大，但其毒性强(一级致癌物)，对生态系统和人类的风险高而备受关注。同时稻田也是陆地湿地的主要组成部分，是不可忽视的温室气体排放源，据报道全球每年从稻田中排放的甲烷占总排放量的15-20％，并且甲烷得到增温效应是二氧化碳的28倍。因此，如何实现稻田土壤砷污染修复协同温室气体减排是目前亟待解决的重大环境问题，这对保障国家粮食安全生产和实现碳中和目标具有重要意义。
稻田淹水条件下微生物驱动的异化砷还原释放是导致砷活性提高的主要原因，目前稻田土壤砷污染修复技术主要基于原位稳定化和移除，例如土壤淋洗，客土法，植物提取法去除表层土壤，然而在大面积工程应用中，土壤淋洗和客土法工程量大，导致表层土壤的物理结构被破坏，土壤肥力下降，还需要添加大量有机肥对表层土壤进行重构，并且成本高。植物提取法时间长，影响土壤正常耕作。原位稳定化技术通过砷添加钝化剂可以在末端对土壤砷吸附固定，降低土壤砷的风险，能够实现边修复边生产，因而越来越受到关注，但砷钝化剂不能同步实现温室气体减排。例如相关技术利用零价铁和生物炭制备出铁基生物炭，促进稻田土壤砷的氧化和吸附固定，降低土壤砷的生物有效性；也有相关技术专利利用泥炭、还原性铁粉和/或亚铁盐同步实现稻田土壤镉砷钝化。然而，上述技术一方面没有考虑到温室气体减排，另一方面有研究发现零价铁作为电子供体会促进微生物产甲烷；泥炭能够作为产甲烷微生物的底物，也能促进产甲烷。此外，针对稻田温室气体减排，CN202010690911.7专利提出向稻田中添加生物炭和木醋酸降低稻田温室气体减排技术，然而研究发现生物炭表面带负电，不利于对类金属砷钝化。因而这些技术不适用同步实现稻田土壤砷污染修复协同温室气体减排。
综上所述，如何在有效降低稻田土壤砷污染风险，同时实现稻田温室气体减排的多目标协同治理任然是目前面临的重大技术挑战。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种具有可循环充放电功能的炭基微生物电子分流器材料及其制备方法和应用，本发明所制得的炭基微生物电子分流器材料具有储存电荷的能力，可以截留微生物驱动的异化砷和铁还原过程中的电子，显著降低稻田淹水过程中砷还原和释放，从而降低土壤砷的生物活性，减少水稻对砷的吸收，同时也能截留产甲烷过程中的产电微生物和产甲烷微生物种间电子传递，有效抑制稻田土壤甲烷的排放，最终同步实现稻田土壤砷活性降低和温室气体减排的目标。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一个方面，提出了一种炭基微生物电子分流器材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)多孔炭材料与多巴胺反应，得多巴胺改性多孔炭材料；
(2)所述多巴胺改性多孔炭材料与刃天青反应，得炭基微生物电子分流器材料。
在本发明的一些实施方式中，所述多孔炭材料与所述刃天青的质量比为20:1～5。
在本发明的一些实施方式中，所述多孔炭材料与所述刃天青的质量比为10:1。
在本发明的一些实施方式中，所述多巴胺与所述刃天青的摩尔浓度比为10:1～5。
在本发明的一些实施方式中，所述多巴胺与所述刃天青的摩尔浓度比为5:1。
在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述反应的时间为1～3h。
在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述反应的温度为25℃。
在本发明的一些实施方式中，步骤(2)中，所述反应的时间为0.5～3h。
在本发明的一些实施方式中，步骤(2)中，所述反应的时间为1h。
在本发明的一些实施方式中，步骤(2)中，所述反应的温度为25～35℃。
在本发明的一些实施方式中，所述多孔炭材料的制备包括如下步骤：
S1.将动物骨粉碎、干燥，得动物骨粉颗粒；
S2.惰性氛围下，将所述动物骨粉颗粒升温热解，降温，得炭材料；
S3.将所述炭材料浸入酸性溶液中反应，后处理，得多孔炭材料。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述动物骨包括牛骨、猪骨、鸡骨中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述升温至700～1100℃。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述升温至900℃。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述热解的时间为1～2h。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述酸性溶液包括盐酸、硝酸、硫酸中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述后处理为粗产物用水冲洗至冲洗液pH不变，干燥。
本发明的第二个方面，提出了一种所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法制得的炭基微生物电子分流器材料。
本发明的第三个方面，提出了所述的炭基微生物电子分流器材料在如下(1)～(2)中至少一种中的应用；
(1)土壤砷治理；
(2)土壤甲烷减排。
在本发明的一些实施方式中，所述炭基微生物电子分流器材料的使用量为土壤质量的0.5～3％。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的炭基微生物电子分流器材料具有储存电荷的能力，可以截留微生物驱动的异化砷和铁还原过程中的电子，显著降低稻田淹水过程中砷还原和释放，从而降低土壤砷的生物活性，减少水稻对砷的吸收，同时也能截留产甲烷过程中的产电微生物和产甲烷微生物种间电子传递，有效抑制稻田土壤甲烷的排放，最终同步实现稻田土壤砷活性降低和温室气体减排的目标。
(2)本发明将具有电子接受能力的刃天青通过多巴胺嫁接到多孔炭材料表面，有效增强了炭基微生物电子分流器材料表面电子接受能力。针对砷污染稻田土壤，炭基微生物电子分流器材料有效地同步抑制了稻田土壤厌氧条件下砷的还原释放和甲烷排放。
(3)本发明的炭基微生物电子分流器材料的制备方法简单，制备成本低。
附图说明
图1为炭基微生物电子分流器材料CG的扫描电镜图(a)和红外光谱图(b)。
图2为炭基微生物电子分流器材料CG和生物炭的循环伏安测试图。
图3为炭基微生物电子分流器材料CG和生物炭的恒电流充放电图。
图4为生物炭、CD、炭基微生物电子分流器材料(CG、CG1、CG2)的电子交换能力图。
图5为生物炭和CG处理下MR-1驱动的铁还原过程中水溶态Fe(II)浓度变化(a)，水溶态As(III)浓度变化(b)。
图6为生物炭和CG处理下土壤甲烷排放浓度(a)和水溶态As(III)浓度(b)。
图7为生物炭和CG处理下土壤砷还原功能基因arrA拷贝数(a)和产甲烷功能基因mcrA拷贝数(b)。
图8为炭基微生物电子分流器材料抑制土壤砷释放协同甲烷减排原理示意图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例提供一种炭基微生物电子分流器材料，具体过程为：
步骤1：将牛骨进行破碎处理，获得粒径小于2mm的粉末颗粒，然后转移到烘箱在80℃干燥；
步骤2：将干燥后的粉末颗粒转移到真空管式炉，在氮气的氛围下升温至900℃，热解1h，降至常温后取出，得炭材料；
步骤3：将步骤2中得到的3g炭材料浸泡于50mL的2M HCl中，震荡1h，然后用超纯水冲洗至冲洗液pH不变，随后放置于80℃烘箱干燥，得到多孔炭材料；
步骤4：将0.5g多孔炭材料浸泡于50mL的1mM多巴胺水溶液中，在200rpm条件下搅拌反应2h，反应温度为25℃，离心烘干，得多巴胺改性多孔炭材料(CD)；将多巴胺改性多孔炭材料置于50mL 0.2mM的刃天青水溶液中，在200rpm条件下搅拌反应1h，反应温度为25℃，离心烘干，得炭基微生物电子分流器材料(CG)。
在本实施例中，多巴胺与刃天青的摩尔浓度比为5：1。
实施例2
本实施例提供一种炭基微生物电子分流器材料，与实施例1的区别仅在于刃天青的浓度不同：
将实施例1的0.2mM的刃天青水溶液替换成0.1mM的刃天青水溶液，使体系中的多巴胺与刃天青的浓度比为10：1。其余步骤同实施例1，得到炭基微生物电子分流器材料(CG1)。
实施例3
本实施例提供一种炭基微生物电子分流器材料，与实施例1的区别仅在于刃天青的浓度不同：
将实施例1的0.2mM的刃天青水溶液替换成0.5mM的刃天青水溶液，使体系中的多巴胺与刃天青的浓度比为2：1。其余步骤同实施例1，得到炭基微生物电子分流器材料(CG2)。
性能测试：
1.将实施例1制备的炭基微生物电子分流器材料CG的结构进行测试，测试方法如下所示：
扫描电镜测试：将制备的粉末炭基微生物电子分流器材料CG置于扫描电镜样品台，用于扫描电镜测试。
红外光谱测试：将制备的炭基微生物电子分流器材料CG按照1:100的质量比与溴化钾混合研磨压片制样，用傅里叶红外光谱仪进行测试。
如图1所示，从扫描电镜图中可以看出实施例1制备出的炭基微生物电子分流器材料CG具有明显的多孔结构；进一步结合红外光谱分析表明，经过多巴胺和刃天青改性的CG分别在1595cm-1、1116cm-1、844cm-1、592cm-1出现了明显的内弯曲振动峰，该特征峰主要来自多巴胺或刃天青的振动峰，这些结果表明成功将刃天青嫁接到多孔碳表面，能够提高CG的电子接收能力。
对实施例2和3中的材料进行同样测试，发现其技术效果与实施例1中的材料相近。
2.对实施例1制备的炭基微生物电子分流器材料CG和生物炭的进行电化学性能测试，测试方法如下所示：
对比材料生物炭的制备：将干燥后的水稻秸秆置于真空管式炉，在氮气的氛围下升温至500℃，热解1h，降至常温后取出，得到生物炭。
将实施例1制备的炭基微生物电子分流器材料CG(5mg)和生物炭(5mg)分别置于0.5mL的0.05％Wt Nafion酒精溶液中，超声10min分别得到分散的混合液；分别吸取10μL上述分散液分别滴涂到活化后的玻碳工作电极，风干后用于电化学测试。
进行循环伏安(CV)测试，其中，用于循环伏安(CV)测试的电解质溶液为0.1mol/LKCl，电势窗口-0.6～0.4V，扫速为0.02V/s。
进行恒电流充放电测试，其中，用于恒电流充放电测试电解质溶液为0.1mol/LKCl，恒定电流为0.0001A；循环5次。
从图2可见，炭基微生物电子分流器材料CG的CV曲线图趋向长方形，呈现出明显的双电层电容性质，并且CG的CV曲线图的面积也明显大于生物炭，表明炭基微生物电子分流器材料的比电容更大，为196.17F/g。此外，从图3可知，炭基微生物电子分流器材料CG的5次充放电曲线稳定，表明炭基微生物电子分流器材料CG具有超级电容器的稳定充放电性质。相比较之下，生物炭随着充放电次数增加，充电时间越来越短，电容性质不稳定。因此，本发明实施例中制备的炭基微生物电子分流器材料CG具有高比电容和稳定的充放电性质。
对实施例2和3中的材料进行同样测试，发现其技术效果与实施例1中的材料相近。
3.采用电化学工作站对制备的CD、CG、CG1、CG2和性能测试2中制备的对比材料生物炭的电子交换能力进行测试，测试方法如下所示：
对于炭基材料的电子接受能力(EAC)和电子给出能力(EDC)测量，电化学工作电极电位分别设定为-0.49V和+0.61V。甲基紫精(ZiV)和2,2'-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)被选为电子传递介质。工作电极置于30mL电解质中(0.1M KCl；0.1M磷酸盐缓冲液，pH 7)，待背景电流响应稳定，向电解质中加入1mL的ZiV或ABTS溶液(10mM)。背景电流不变后，向电解质中加入0.2mL的10g/L CG悬浮液，监测电流变化。
从图4可见，制备出的CG、CG1、CG2的EAC明显高于电子给出能力，表明CG材料更容易接收电子且将接收到的电子储存。随着刃天青与多巴胺浓度比的增加，EAC逐渐提高。与生物炭对比，CG、CG1、CG2的EAC和EDC明显高于生物炭和CD，表现出更优的电子交换能力。
4.炭基微生物电子分流器材料抑制砷的释放，具体测试步骤如下所示：
分别对实施例1制备得到的CG和生物炭进行微生物微宇宙培养实验，将吸附有砷的2mM 30mL水铁矿悬浊液加入到50mL西林瓶中，并且其中包含OD值为0.2的铁还原微生物Shewanella oneidensis MR-1 100mM乳酸，0.2g/L的水铁矿，5mM的哌嗪-1,4-二乙磺酸(PIPES)保持pH为7±0.2，再分别加入等量的CG或生物炭，使得体系中材料的终浓度为50mg/L，然后曝氮气1h，充分去除体系中的氧气后封盖。在30℃的恒温培养箱中培养，随着反应的进行，在不同的时间段取样，分析水溶态的Fe(II)和As(III)的浓度，结果如图5所示。
由图5可知，图5a中，生物炭处理体系中Fe(II)浓度变化和未加炭基微生物电子分流器材料的对照处理一样，对微生物驱动的异化铁还原没有影响，然而CG处理体系中Fe(II)浓度明显低于对照和生物炭处理，抑制了微生物驱动的异化铁还原。同时测定了体系中的水溶态As(III)，图5b结果表明，生物炭处理组水溶态As(III)略高于对照处理组，然而CG处理组明显抑制了As(III)的释放，相较对照下降了44％，其原因是CG对异化铁还原过程中胞外电子截留，抑制了水铁矿的还原溶解，从而减少了吸附态As(III)的释放。
对实施例2和3中的材料进行同样测试，发现其技术效果与实施例1中的材料相近。
5.炭基微生物电子分流器材料调控砷的转化协同甲烷减排的效应评估，具体步骤如下所示：
分别对实施例1制备得到的CG和生物炭进行土壤厌氧微宇宙培养实验，取5g采自湖南某地干燥的砷污染稻土壤于50mL西林瓶中，分别添加100mg的CG或生物炭，然后加入25mL去离子水，将土壤悬浊液置于厌氧手套箱培养除氧，待除氧结束压盖开始25天厌氧培养实验。待培养25天结束，分别采集厌氧培养瓶内的气体测试甲烷浓度，同时离心土壤悬浊液获得上清液，分别测试水溶态As(III)浓度，结果如图6所示。
由图6可知，未加炭基微生物电子分流器材料的对照处理甲烷浓度达到2.63mmol/L，生物炭处理略微降低了甲烷浓度，但是CG处理甲烷浓度明显下降，相对于对照和生物炭处理分别下降了84％、80％。表明CG能够明显降低土壤甲烷排放。同时测定了土壤悬浊液中水溶态As(III)浓度，结果显示，CG也能明显降低土壤砷的释放，然而生物炭略微促进了砷的释放。综上可知，炭基微生物电子分流器材料能够同时抑制土壤砷的释放和甲烷减排。
对实施例2和3中的材料进行同样测试，发现其技术效果与实施例1中的材料相近。
6.炭基微生物电子分流器材料调控土壤微生物基因表达评估，具体步骤如下所示：
采用QIamp PowerSoil Pro DNA Kit试剂盒分别提取土壤总DNA(作为DNA模板)，具体称0.35g厌氧微宇宙培养结束的湿土，加入DNA提取试剂提取土壤DNA，利用荧光定量PCR仪对不同DNA样品中的砷还原功能基因arrA和产甲烷功能基因mcrA进行绝对定量。砷还原功能基因扩增引物为arrA-CVF/arrA-CVR，扩增得到的扩增片段长度约330bp；产甲烷功能基因mcrA扩增引物为mcrA-F/mcrA-R，扩增得到的扩增片段长度约470bp。
其中，PCR扩增采用qPCR，使用的qPCR扩增体系如表1所示：
表1qPCR扩增体系
将载体pUC19与arrA或mcrA基因PCR扩增产物进行连接，挑取阳性单克隆后，提取质粒DNA，用Qubit3.0 Fluorometer测定DNA浓度，计算基因拷贝数，然后用EASY dilution稀释液稀释为102～108(单位为拷贝数每μL)的标准曲线。arrA或mcrA基因引物如下：
上游引物arrA-CVF1:5’-CACAGCGCCATCTGCGCCGA-3’(SEQ ID NO：1)；
下游引物arrA-CVR1-5’-CCGACGAACTCCYTGYTCCA-3’(SEQ ID NO：2)；
上游引物mcrA-F:5’-GGTGGTGTMGGATTCACACARTAYGCWACAGC-3’(SEQ ID NO：3)；
下游引物mcrA-R:5’-TTCATTGCRTAGTTWGGRTAGTT-3’(SEQ ID NO：4)；
arrA扩增反应程序：94℃预变性5min；94℃变性30s、60℃退火1min、72℃延伸1min，40个循环；
mcrA扩增反应程序：95℃预变性5min；95℃变性60s、55℃退火43s、72℃延伸1min，35个循环。
由图7可知，未加材料的土壤对照组中砷还原功能基因arrA和产甲烷功能基因的拷贝数分别为1.2×108和1.7×105拷贝数/g湿土，而生物炭处理组相较对照处理砷还原功能基因arrA拷贝数略微的提升，产甲烷功能基因的拷贝数略微下降，变化不明显。然而CG处理组显著降低了砷还原功能基因arrA和产甲烷功能基因的拷贝数，下调幅度分别达到64％和91％，同步实现对砷还原功能基因和产甲烷功能基因的下调。
根据以上的性能测试，我们提出了炭基微生物电子分流器材料抑制砷释放协同甲烷减排原理，如图8所示，炭基微生物电子分流器材料具有储存电荷的能力，可以截留微生物驱动的异化铁还原过程电子传递以及产电微生物和产甲烷微生物种间电子传递，同步实现抑制稻田淹水过程土壤砷释放和甲烷减排。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种炭基微生物电子分流器材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)多孔炭材料与多巴胺反应，得多巴胺改性多孔炭材料；
(2)所述多巴胺改性多孔炭材料与刃天青反应，得炭基微生物电子分流器材料。
2.根据权利要求1所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法，其特征在于，所述多孔炭材料与所述刃天青的质量比为20:1～5。
3.根据权利要求1所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法，其特征在于，所述多巴胺与所述刃天青的摩尔浓度比为10:1～5。
4.根据权利要求1所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应的时间为1～3h。
5.根据权利要求1所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应的温度为25℃。
6.根据权利要求1所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述反应的时间为0.5～3h。
7.根据权利要求1所述的炭基微生物电子分流器材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述反应的温度为25～35℃。
8.权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的炭基微生物电子分流器材料。
9.权利要求8所述的炭基微生物电子分流器材料在如下(1)～(2)中至少一种中的应用；
(1)土壤砷治理；
(2)土壤甲烷减排。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述炭基微生物电子分流器材料的使用量为土壤质量的0.5～3％。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 一株土壤产电菌Clostridium sporogenes的分离及其产电性能;姜允斌;邓欢;黄新琦;张银萍;钟文辉;;微生物学报(第05期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116514096A (zh) | 2023-08-01 |
| JP7442012B1 (ja) | 2024-03-01 |
| US12071579B1 (en) | 2024-08-27 |
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