CN117305293A - 具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方法和应用 - Google Patents

具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方法和应用,该核壳小球包括负载有群体感应淬灭菌的内核及其表面包裹的中间膜层和外膜层。其制备方法包括采用静电喷涂的方法在负载有群体感应淬灭菌的内核表面依次喷涂中间膜层和外膜层。本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球具有细菌活性强、结构稳定、性质稳定、传质效率高等优点,可广泛用于去除群体感应信号分子,具有去除效率高、持续作用时间长等优点,以及用于抑制膜污染,通过有效抑制生物膜的生长,能够大大延长膜生物反应器膜组件的清洗和更换频率,有利于提高膜生物反应器的处理效能,使用价值高,应用前景好。

Description

具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域,涉及一种固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方法和应用,具体涉及一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方法和应用。
背景技术
膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)因其出水水质好、构筑物占地面积小、污泥产量低以及容积负荷高等优点而受到越来越多的关注。然而,由于膜污染,特别是膜生物污染,影响了膜的处理性能和使用寿命,阻碍了MBR更广泛的工程应用。MBR膜的生物污染是一种微生物的不良累积,主要由泥水悬浮固体的沉积和生物膜在MBR膜表面生长引起。近年来,活性污泥中细胞间通讯的研究为生物污染控制提供了一个全新的视角,利用生物群体感应淬灭(quorum quenching,QQ)来控制膜生物污染成为了一种新的技术方法,其原理是通过阻断生物群体感应(quorum sensing,QS)以控制生物膜生成。QS是微生物之间的细菌密度依赖性细胞间通讯,由信号分子调节,如用于革兰氏阴性菌沟通交流的N-乙酰基高丝氨酸内酯(N-acyl-L-homoserine lactones,AHLs),用于革兰氏阳性菌沟通交流的自诱导肽类物质(AIPs)以及用于种间交流的二酯(AI-2)类物质。当信号分子浓度达到阈值时,会诱导生物膜生成、发光和毒性基因的表达。因此,可以通过控制AHL的产生或降解AHL来阻断细菌间的交流,最终达到抑制生物膜生成的效果,这就是群体感应淬灭技术。目前,应用QQ技术稳定持续地降解AHLs主要通过AHLs降解菌实现。Rhodococcus sp.BH4,Paenibacillus sp.SYP2,Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcus sp.SHMC等是几种可以降解AHLs的QQ菌,为避免直接投加造成的菌群与反应器有害物质直接接触而死亡和排泥导致的菌群流失等问题,通常将QQ菌包埋到具有独特结构功能的载体中进行淬灭应用。因此,为了保证QQ菌的活性和控制信号分子缓释,急需开发一种具有多层包覆、厚度可控、耐冲刷以及抑制菌群泄漏等技术特点的固定化载体。
水凝胶材料和天然硅酸盐矿物材料是固定化和培养细菌的理想载体材料。水凝胶具有与水密度相似且亲水的三维网状结构,天然硅酸盐矿物材料具有优良的结构强度和内部疏松多孔的层状结构,二者均可为QQ细菌提供附着位点和生存条件。但是,单独使用两种载体材料包埋QQ细菌和进行淬灭应用会存在诸多不足,一是MBR反应器内复杂泥水环境中的有害污染物会快速渗透到载体内部,对QQ细菌的活性和增殖造成影响;二是包埋载体长期暴露在水力冲刷和曝气冲刷的环境下会加速自身物理结构的瓦解;三是由于载体内部和水环境中QQ细菌群落密度的差异以及材料外表面开放的多孔结构,致使细菌从载体内部泄漏至外界环境;四是目前通过凝胶法制备的双层载体小球由于外层致密封闭的壳层结构会阻碍载体核心中QQ菌群与水环境的传质过程,进一步影响淬灭效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种结构稳定、传质效率高的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,所述内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层;所述中间膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%;所述外膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%。
上述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,进一步改进的,所述中间膜层的厚度为50μm~200μm;所述外膜层的厚度为50μm~500μm。
上述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,进一步改进的,所述中间膜层由亚微米级颗粒复合而成;所述外膜层由亚微米级颗粒复合而成或由纳米纤维复合而成;所述亚微米级颗粒的粒径为100nm~1500nm;所述纳米纤维的直径为10nm~500nm。
上述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,进一步改进的,所述中间膜层的材质为兼具水溶性和生物相容性的合成聚合物和/或天然生物聚合物;所述兼具水溶性和生物相容性的合成聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇中的至少一种;所述天然生物聚合物为壳聚糖、普鲁兰多糖中的至少一种;所述聚乙烯醇的重均分子量为40000~210000;所述壳聚糖的重均分子量为30000~500000,脱乙酰度≥50%,粘度>100mPa·s;所述聚氧化乙烯的重均分子量为100000~7000000;所述聚乙二醇的重均分子量为10000~7000000;所述普鲁兰多糖的纯度为95%~98%;所述外膜层的材质为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚氯乙烯中的至少一种;所述聚偏二氟乙烯的重均分子量为150000~600000;所述聚偏二氟乙烯共六氟丙烯的重均分子量为200000~500000;所述聚丙烯腈的重均分子量为50000~250000;所述聚醚砜的重均分子量为20000~100000;所述聚氯乙烯的重均分子量为50000~150000。
上述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,进一步改进的,所述内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球或负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料;所述内核的直径为3mm~6mm;所述群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4、Paenibacillussp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcus sp.SHMC中的至少一种。
作为一个总的技术构思,本发明还提供了一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将中间膜层原料、外膜层原料分别制成中间膜层静电喷涂溶液、外膜层静电喷涂溶液;
S2、将中间膜层静电喷涂溶液电喷涂到负载有群体感应淬灭菌的内核表面,干燥,得到表面包覆有中间膜层的群体感应淬灭小球;
S3、将外膜层静电喷涂溶液电喷涂到群体感应淬灭小球表面的中间膜层上,干燥,得到具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球。
上述的制备方法,进一步改进的,步骤S1中,所述中间膜层原料为聚乙烯醇、壳聚糖、聚氧化乙烯、聚乙二醇、普鲁兰多糖中的至少一种;所述中间膜层原料为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇、普鲁兰多糖中的至少一种时,所述中间膜层静电喷涂溶液由中间膜层原料溶解到水中制得;所述水的温度为50℃~90℃;所述中间膜层原料为壳聚糖时,所述中间膜层静电喷涂溶液由中间膜层原料溶解到乙酸溶液中制得;所述乙酸溶液的温度为15℃~45℃;所述乙酸溶液的质量分数为10%~90%;所述中间膜层静电喷涂溶液为聚乙烯醇溶液时,质量分数为2%~12%;所述中间膜层静电喷涂溶液为壳聚糖溶液时,质量分数为1%~8%;所述中间膜层静电喷涂溶液为聚氧化乙烯溶液时,质量分数为2%~10%;所述中间膜层静电喷涂溶液为聚乙二醇溶液时,质量分数为3%~10%;所述中间膜层静电喷涂溶液为普鲁兰多糖溶液时,质量分数为2%~13%;所述外膜层原料为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚氯乙烯中的至少一种;所述外膜层静电喷涂溶液由外膜层原料溶解到有机溶剂中制得;所述有机溶剂的温度为40℃~90℃;所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃中的至少一种;所述外膜层静电喷涂溶液为聚偏二氟乙烯溶液时,质量分数为1%~13%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚偏二氟乙烯共六氟丙烯溶液时,质量分数为1%~13%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚丙烯腈溶液时,质量分数为2%~15%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚醚砜溶液时,质量分数为1%~15%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚氯乙烯溶液时,质量分数为1%~15%。
上述的制备方法,进一步改进的,步骤S2中,采用静电喷涂的方式将中间膜层静电喷涂溶液电喷涂到负载有群体感应淬灭菌的内核表面;所述电喷涂过程中,中间膜层静电喷涂溶液的推注流速为0.1mL/h~2mL/h,喷头与内核之间的距离为5cm~25cm,直流电源电压为8kV~35kV,时间为0.5h~2h;所述电喷涂过程中,所述负载有群体感应淬灭菌的内核置于半球形旋转收集器中,所述半球形旋转收集器的转速为5r/min~100r/min;所述干燥在温度为15℃~40℃下进行;所述干燥的时间为0.5h~4h。
上述的制备方法,进一步改进的,步骤S3中,采用静电喷涂的方式将外膜层静电喷涂溶液电喷涂到群体感应淬灭小球表面;所述电喷涂过程中,外膜层静电喷涂溶液的推注流速为0.1mL/h~2mL/h,喷头与群体感应淬灭小球之间的距离为5cm~25cm,直流电源电压为8kV~35kV,时间为1h~4h;所述电喷涂过程中,所述群体感应淬灭小球置于半球形旋转收集器中,所述半球形旋转收集器的转速为5r/min~100r/min;所述干燥在温度为15℃~40℃下进行;所述干燥的时间为0.5h~4h。
上述的制备方法,进一步改进的,步骤S2中,所述负载有群体感应淬灭菌的内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球或负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料。
上述的制备方法,进一步改进的,所述负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球由以下方法制备得到:
(1)将群体感应淬灭菌菌悬液和海藻酸钠溶液混合,得到混合液;所述群体感应淬灭菌悬浮液的质量浓度为40mg/mL~500mg/mL;所述群体感应淬灭菌菌悬液中群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4、Paenibacillus sp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcus sp.SHMC中的至少一种;所述混合液中海藻酸钠的质量分数为1%~10%;所述混合液中还包括有微生物载体材料;所述混合液中微生物载体材料的质量分数为4%~12%;所述微生物载体材料包括粉末活性炭、二氧化硅粉末中的至少一种;
(2)将步骤(1)中得到的混合液滴入到硼酸和氯化钙的混合水溶液中进行交联反应,得到负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球;所述硼酸和氯化钙的混合水溶液中,硼酸的质量分数为1%~5%,氯化钙的质量分数为1%~5%;所述交联反应在转速为60r/min~600r/min下进行;所述交联反应的时间为30min~240min。
上述的制备方法,进一步改进的,所述负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料由以下方法制备得到:将多孔矿质材料与群体感应淬灭菌菌悬液混合进行培养,得到负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料;所述多孔矿质材料与群体感应淬灭菌菌悬液的比例为20颗~150颗∶15mL;所述群体感应淬灭菌菌悬液的质量浓度为40mg/mL~500mg/mL;所述群体感应淬灭菌菌悬液中群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4、Paenibacillus sp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcus sp.SHMC中的至少一种;所述多孔矿质材料为二氧化硅、电气石、麦饭石、陶瓷中的至少一种;所述多孔矿质材料的粒径为3mm~6mm;所述培养在恒温摇床中进行;所述培养的时间为2h~24h。
上述的制备方法,进一步改进的,所述具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,所述内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层;所述中间膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%;所述外膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%。所述中间膜层的厚度为50μm~200μm;所述外膜层的厚度为50μm~500μm。所述中间膜层由亚微米级颗粒复合而成;所述外膜层由亚微米级颗粒复合而成或由纳米纤维复合而成;所述亚微米级颗粒的粒径为100nm~1500nm;所述纳米纤维的直径为10nm~500nm。所述中间膜层的材质为兼具水溶性和生物相容性的合成聚合物和/或天然生物聚合物;所述兼具水溶性和生物相容性的合成聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇中的至少一种;所述天然生物聚合物为壳聚糖、普鲁兰多糖中的至少一种;所述聚乙烯醇的重均分子量为40000~210000;所述壳聚糖的重均分子量为30000~500000,脱乙酰度≥50%,粘度>100mPa·s;所述聚氧化乙烯的重均分子量为100000~7000000;所述聚乙二醇的重均分子量为10000~7000000;所述普鲁兰多糖的纯度为95%~98%;所述外膜层的材质为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚氯乙烯中的至少一种;所述聚偏二氟乙烯的重均分子量为150000~600000;所述聚偏二氟乙烯共六氟丙烯的重均分子量为200000~500000;所述聚丙烯腈的重均分子量为50000~250000;所述聚醚砜的重均分子量为20000~100000;所述聚氯乙烯的重均分子量为50000~150000。
上述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,进一步改进的,所述内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球或负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料;所述内核的直径为3mm~6mm;所述群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4、Paenibacillussp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcus sp.SHMC中的至少一种。
作为一个总的技术构思,本发明还提供了一种上述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球或上述的制备方法制得的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球在去除群体感应信号分子或抑制膜污染中的应用。
上述的应用,进一步改进的,利用具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球去除群体感应信号分子时,包括以下步骤:将具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与含群体感应信号分子的溶液混合进行反应,完成对群体感应信号分子的去除;所述具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与含群体感应信号分子的溶液的质量体积比为1g∶5mL~1g∶50mL;所述含群体感应信号分子的溶液中群体感应信号分子的初始浓度为10ng/mL~1000ng/mL;所述含群体感应信号分子的溶液中群体感应信号分子为C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL、C12-HSL、C14-HSL中的至少一种;所述反应在初始pH值为6~8的条件下进行;所述反应过程中控制温度为15℃~35℃、搅拌转速为20rpm~300rpm;所述反应的时间为30min~240min。
上述的应用,进一步改进的,利用具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球抑制膜污染时,包括以下步骤:将具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球加入到膜生物反应器中进行培养,完成对膜反应器中生物膜的处理;所述具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与膜生物反应器中活性污泥的质量体积比为10g∶1L~10g∶5L;所述活性污泥中MLSS为2000mg/L~8000mg/L;所述培养过程中还包括对膜生物反应器中的活性污泥进行曝气处理,所述曝气处理过程中的曝气量为0.5L/min~4L/min;所述膜生物反应器中水力停留时间为10h~20h。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)针对现有固定化群体感应淬灭菌核壳小球中存在的群体感应淬灭菌的活性和增殖易受外界影响、结构不稳定、传质效率低等缺陷,本发明创造性的提供了一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,以及依次包裹在内核表面的中间膜层和外膜层,其中中间膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%,外膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%。本发明中,中间膜层的作用是隔离合成过程中使用有机溶剂进入内核,以及提供营养物质和群体感应信号分子进入内核的通道,外膜层的作用是隔离外环境中的污染物进入到内核,并增强机械性能,阻止内核细菌泄漏,以及提供营养物质和群体感应信号分子进入内核的通道,因而在内核表面包裹中间膜层和外膜层,不仅提供核壳小球的机械强度,而且还能防止内核细菌泄漏,同时还能形成合适的通道,更为重要的是,通过优化中间膜层和外膜层的孔径、孔隙率,能够进一步提升核壳小球与水环境的传质效果,在有效阻止有机溶剂进入到小球内部的同时,能够为目标物质进入到载体内部提供更加合理的通道,由此获得更高的传质效率,更有利于去除群体感应信号分子并有效抑制膜污染。本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球具有细菌活性强、结构稳定、性质稳定、传质效率高等优点,可广泛用于去除群体感应信号分子和抑制膜污染,使用价值高,应用前景好。
(2)针对传统相转化交联法制备的双层水凝胶球存在外层结构封闭、孔隙率低、传质性能差等缺陷,以及由此导致的“内核菌群接受水环境中的信号分子、进行自身增殖所需营养物质的传递和代谢产物的排出受到极大阻碍,淬灭效率下降,不能持续发挥淬灭作用”等缺陷,本发明创造性的提出了一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,首次采用静电喷涂的方法在负载有群体感应淬灭菌的内核表面依次喷涂中间膜层和外膜层,不仅可以在内核表面形成“既可以防止细菌泄漏,又可以确保营养物质和群体感应信号分子进出通畅”的中间膜层,而且可在中间膜层上形成“既可承受化学和物理冲击,又能防止污染物(如悬浮性颗粒杂质)渗入且能够确保营养物质和群体感应信号分子进出通畅”的外膜层,由此制备得到细菌活性强、结构稳定、性质稳定、传质效率高的固定化群体感应淬灭菌核壳小球。相比传统制备方法,本发明制备方法能够为内核提供了抵抗外界复杂水环境物理、化学冲击的膜层,同时也为内核菌群物质与外界水环境的物质传递提供了合适的通道,因而本发明方法制得的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,具有更高的细菌活性、更稳定的结构和性质以及更好的传质效果。
(3)本发明还提供了一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球在去除群体感应信号分子中的应用,通过将具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与含群体感应信号分子的溶液混合进行反应,即可有效去除溶液中的群体感应信号分子,具有去除效率高、持续作用时间长等优点,可广泛用于去除体系中的群体感应信号分子,从而能够有效抑制生物膜的生长。
(4)本发明还提供了一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球在抑制膜污染中的应用,将具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球加入到膜生物反应器中进行培养,即可有效抑制生物膜的生长,从而能够大大延长膜生物反应器膜组件的清洗和更换频率,进而有利于提高膜生物反应器的处理效能。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中制备的负载群体感应淬灭菌的海藻酸钠凝胶小球(a)、覆盖壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球(b)、具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(c)的SEM图。
图2为本发明实施例1中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中中间膜层和外膜层的孔径分布图。
图3为本发明实施例3中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(a)、负载群体感应淬灭菌的电气石小球(b)、覆盖聚乙烯醇中间膜层的淬灭电气石小球(c)、聚丙烯腈纳米纤维(d)的SEM图。
图4为本发明实施例3中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中中间膜层和外膜层的孔径分布图。
图5为本发明实施例5中不同小球在反应结束后的抗压强度对照图。
图6为本发明实施例5中不同小球在反应结束后的群体感应淬灭菌泄漏量对照图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中,若无特别说明,所采用的原料和仪器均为市售,所采用工艺为常规工艺,所采用设备为常规设备。
实施例1:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层,其中中间膜层的平均孔径为330nm,孔隙率为87%,外膜层的平均孔径为260nm,孔隙率为85%。
本实施例中,中间膜层的厚度为150μm,外膜层的厚度为300μm。
本实施例中,中间膜层由亚微米级颗粒复合而成,其中亚微米级颗粒的粒径为200nm~1200nm;外膜层由亚微米级颗粒复合而成,其中亚微米级颗粒的粒径为100nm~1000nm。
本实施例中,中间膜层的材质为壳聚糖(天然生物聚合物),即中间膜层由粒径为200nm~1200nm的亚微米级壳聚糖颗粒紧密沉积而成,其中壳聚糖的分子量(Mw)为50000,脱乙酰度≥50%,粘度>100mPa·s。
本实施例中,外膜层的材质为聚丙烯腈,即外膜层由粒径为100nm~1000nm的亚微米级聚丙烯腈颗粒紧密沉积而成,其中聚丙烯腈的分子量(Mw)为100000。
本实施例中,内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球,其中内壳为多孔网状结构,直径为4mm,群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4。
本实施例中,负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球包括凝胶小球,该凝胶小球表面及内部负载有群体感应淬灭菌。
本实施例中,具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的平均粒径为4.5mm。
一种上述本发明实施例中的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,采用静电喷涂法精准制备,包括以下步骤:
(1)将3g海藻酸钠在常温和800rpm增力搅拌条件下溶于90mL水中,得到海藻酸钠溶液。
(2)向步骤(1)中得到的海藻酸钠溶液中加入10mL、质量浓度为100mg/mL的Rhodococcus sp.BH4菌悬液,得到海藻酸钠和群体感应淬灭菌的混合液。
(3)将24g硼酸和24g氯化钙加入552mL水中,得到600mL硼酸和氯化钙的混合溶液,该混合溶液中硼酸和氯化钙的质量分数均为4%。
(4)将步骤(2)得到的海藻酸钠和群体感应淬灭菌的混合液滴加到步骤(3)得到的硼酸和氯化钙的混合溶液中,在室温(25℃)和200rpm磁力搅拌条件下进行第一次交联反应2小时,使用去离子水洗涤两次,得到负载群体感应淬灭菌的海藻酸钠凝胶小球,即本发明的负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球(内核)。
(5)使用分子量(Mw)为50000的壳聚糖,加入到质量分数为90%的乙酸溶液中,在室温(25℃)下增力搅拌,配制成质量分数为5%的壳聚糖溶液,即为中间膜层静电喷涂溶液。
(6)使用分子量(Mw)为100000的聚丙烯腈,加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,在水浴加热(60℃)和600rpm增力搅拌条件下配制成质量分数为7%的聚丙烯腈溶液,即为外膜层静电喷涂溶液。
(7)称取5g步骤(4)得到的负载群体感应淬灭菌的海藻酸钠凝胶小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(5)得到的壳聚糖溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为0.5mL/h,静电喷涂头与复合凝胶小球之间的距离为15cm,高压直流电源电压为10kV,半球形旋转收集器的转速为20r/min,在上述条件下静电喷涂2h,收集器内的小球取出,在室温(25℃)的通风环境下干燥1h,得到覆盖壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球,即为本发明表面包覆有中间膜层的群体感应淬灭小球。
(8)将步骤(7)得到的覆盖壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(6)得到的聚丙烯腈溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为0.2mL/h,静电喷涂头与群体感应淬灭小球之间的距离为10cm,高压直流电源电压为15kV,半球形旋转收集器的转速为60r/min,在上述条件下静电喷涂4h,收集器内的小球取出,在室温(25℃)的通风环境下干燥2h,得到覆盖聚丙烯腈外膜层和壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球,即为本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,记为S1。
图1为本发明实施例1中制备的负载群体感应淬灭菌的海藻酸钠凝胶小球(a)、覆盖壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球(b)、具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(c)的SEM图。图2为本发明实施例1中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中中间膜层和外膜层的孔径分布图。
如图1所示,本发明实施例1中制得的覆盖聚丙烯腈外膜层和壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球(即具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球)的平均粒径为4.5mm;同时,如图1、2所示,电镜下可见海藻酸钠内核为多孔网状结构并负载有Rhodococcus sp.BH4群体感应淬灭菌(图1a),中间膜层由200nm~1200nm亚微米级壳聚糖颗粒紧密沉积而成,沉积厚度为150μm,平均孔径为330nm(图2),孔隙率为87%(图1b),外膜层由100nm~1000nm亚微米级聚丙烯腈颗粒紧密沉积而成,沉积厚度为300μm,平均孔径为260nm(图2),孔隙率为85%(图1c)。
本发明实施例1中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中,壳聚糖中间膜层隔离了内核菌群与外膜层有机溶剂环境,聚丙烯腈外膜层的厚度和孔径增强了淬灭球整体的机械性能,阻止了尺寸在2μm~10μm的内核细菌的泄漏,同时为物质进出载体球提供了通道。
实施例2:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层,其中中间膜层的平均孔径为350nm,孔隙率为85%,外膜层的平均孔径为250nm,孔隙率为85%。
本实施例中,中间膜层的厚度为100μm,外膜层的厚度为200μm。
本实施例中,中间膜层由亚微米级颗粒复合而成,其中亚微米级颗粒的粒径为100nm~1000nm;外膜层由纳米纤维复合而成,其中纳米纤维的直径为50nm~150nm。
本实施例中,中间膜层的材质为壳聚糖,即中间膜层由粒径为100nm~1000nm的亚微米级壳聚糖颗粒紧密沉积而成,其中壳聚糖的分子量(Mw)为100000,脱乙酰度≥50%,粘度>100mPa·s。
本实施例中,外膜层的材质为聚丙烯腈,即外膜层由直径为50nm~150nm的聚丙烯腈纳米纤维覆盖而成,其中聚丙烯腈的分子量(Mw)为200000。
本实施例中,内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球,其中内壳为多孔网状结构,直径为4mm,群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4。
本实施例中,负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球包括凝胶小球,该凝胶小球表面及内部负载有群体感应淬灭菌,同时该凝胶小球中还含有粉末活性炭。
本实施例中,具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的平均粒径为4.5mm。
一种上述本发明实施例中的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,采用静电喷涂法精准制备,包括以下步骤:
(1)将3g海藻酸钠和3g粉末活性炭在常温和800rpm增力搅拌条件下加入到90mL水中,得到海藻酸钠/粉末活性炭的混合液。
(2)向步骤(1)中得到的海藻酸钠/粉末活性炭的混合液中加入10mL、质量浓度为100mg/mL的Rhodococcus sp.BH4菌悬液,得到藻酸钠/粉末活性炭和群体感应淬灭菌的混合液。
(3)将24g硼酸和24g氯化钙加入552mL水中,得到600mL硼酸和氯化钙的混合溶液,该混合溶液中硼酸和氯化钙的质量分数均为4%。
(4)将步骤(2)得到的藻酸钠/粉末活性炭和群体感应淬灭菌的混合液滴加到步骤(3)得到的硼酸和氯化钙的混合溶液中,在室温(25℃)和200rpm磁力搅拌条件下进行第一次交联反应2小时,使用去离子水洗涤两次,得到负载群体感应淬灭菌的海藻酸钠/粉末活性炭凝胶小球,,即本发明的负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球(内核)。
(5)使用分子量(Mw)为100000的壳聚糖,加入到质量分数为90%的乙酸溶液中,在室温(25℃)下增力搅拌,配制成质量分数为3%的壳聚糖溶液,即为中间膜层静电喷涂溶液。
(6)使用分子量(Mw)为200000的聚丙烯腈,加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,在水浴加热(60℃)和600rpm增力搅拌条件下配制成质量分数为3%的聚丙烯腈溶液。
(7)称取5g步骤(4)得到的负载群体感应淬灭菌的海藻酸钠/粉末活性炭凝胶小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(5)得到的壳聚糖溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为1mL/h,静电喷涂头与复合凝胶小球之间的距离为10cm,高压直流电源电压为20kV,半球形旋转收集器的转速为60r/min,在上述条件下静电喷涂1h,收集器内的小球取出,在室温(25℃)通风环境下干燥1h,得到覆盖壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球,即为本发明表面包覆有中间膜层的群体感应淬灭小球。
(8)将步骤(7)得到的覆盖壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(6)得到的聚丙烯腈溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为1mL/h,静电喷涂头与群体感应淬灭小球之间的距离为10cm,高压直流电源电压为20kV,半球形旋转收集器的转速为60r/min,在上述条件下静电喷涂2h,收集器内的小球取出,在室温(25℃)通风环境下干燥2h,得到覆盖聚丙烯腈外膜层和壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球,即为本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,记为S2。
经测试,本发明实施例2中制得的覆盖聚丙烯腈外膜层和壳聚糖中间膜层的淬灭凝胶小球平均粒径为4.5mm,海藻酸钠/粉末活性炭内核为多孔网状结构并负载有Rhodococcus sp.BH4群体感应淬灭菌,电镜下可见中间膜层由100nm~1000nm亚微米级壳聚糖颗粒紧密沉积而成,沉积厚度为100μm,平均孔径为350nm,孔隙率为85%,外膜层由直径50nm~150nm的聚丙烯腈纳米纤维覆盖而成,沉积厚度为200μm,平均孔径为250nm,孔隙率为85%。
本发明实施例2中制得的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中,通过在内核添加粉末活性炭为群体感应淬灭菌提供更多附着位点,同时提高了内核对外界水环境物质的吸附能力,壳聚糖中间膜层隔离了内核菌群与外膜层有机溶剂环境,聚丙烯腈外膜层的厚度和孔径增强了淬灭球整体的机械性能,阻止了尺寸在2μm~10μm的内核细菌的泄漏,同时为物质进出载体球提供了通道。
实施例3:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层,其中中间膜层的平均孔径为330nm,孔隙率为85%,外膜层的平均孔径为110nm,孔隙率为90%。
本实施例中,中间膜层的厚度为150μm,外膜层的厚度为200μm。
本实施例中,中间膜层由亚微米级颗粒复合而成,其中亚微米级颗粒的粒径为100nm~1000nm;外膜层由纳米纤维复合而成,其中纳米纤维的直径为50nm~150nm。
本实施例中,中间膜层的材质为聚乙烯醇,即中间膜层由粒径为100nm~1000nm的亚微米级聚乙烯醇颗粒紧密沉积而成,其中聚乙烯醇的分子量(Mw)为88000,聚合度为2000,醇解度为99%。
本实施例中,外膜层的材质为聚偏氟乙烯,即外膜层由直径为20nm~150nm的聚偏氟乙烯纳米纤维覆盖而成,其中聚偏氟乙烯的分子量(Mw)为100000。
本实施例中,内核为负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料,直径为3mm,群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4。
本实施例中,负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料包括多孔矿质材料,该多孔矿质材料表面及内部负载有群体感应淬灭菌,同时该多孔矿质材料为电气石小球,粒径为3mm。
本实施例中,具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的平均粒径为3.5mm。
一种上述本发明实施例中的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,采用静电喷涂法精准制备,包括以下步骤:
(1)将100颗电气石小球(质量为5g)加入15mL、质量浓度为100mg/mL的Rhodococcus sp.BH4菌悬液中,在25℃恒温震荡箱中培养24h,取出,得到负载群体感应淬灭菌的电气石小球,即为本发明负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料。
(2)使用分子量(Mw)为88000的聚乙烯醇(聚合度为2000,醇解度为99%),加入到水中,在水浴加热(60℃)下增力搅拌配制成质量分数为7%的聚乙烯醇水溶液,即为中间膜层静电喷涂溶液。
(3)使用分子量(Mw)为100000的聚偏氟乙烯,加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,在水浴加热(60℃)和600rpm增力搅拌条件下配制成质量分数为12%的聚偏氟乙烯溶液,即为外膜层静电喷涂溶液。
(4)称取50颗步骤(1)得到的负载群体感应淬灭菌的电气石小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(2)得到的聚乙烯醇溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为1mL/h,静电喷涂头与半球形旋转收集器间的距离为10cm,高压直流电源电压为15kV,半球形旋转收集器的转速为40r/min,在上述条件下静电喷涂2h,收集器内的小球取出,在室温(25℃)的通风环境下干燥1h,得到覆盖聚乙烯醇中间膜层的淬灭电气石小球,即为表面包覆有中间膜层的群体感应淬灭小球。
(5)将步骤(4)得到的覆盖聚乙烯醇中间膜层的淬灭电气石小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(3)得到的聚偏氟乙烯溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为1mL/h,静电喷涂头与半球形旋转收集器间的距离为10cm,高压直流电源电压为25kV,半球形旋转收集器的转速为40r/min,在上述条件下静电喷涂2h,收集器内的小球取出,在室温(25℃)的通风环境下干燥2h,得到覆盖聚偏氟乙烯外膜层和聚乙烯醇中间膜层的淬灭电气石小球,即为本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,记为S3。
图3为本发明实施例3中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(a)、负载群体感应淬灭菌的电气石小球(b)、覆盖聚乙烯醇中间膜层的淬灭电气石小球(c)、聚丙烯腈纳米纤维(d)的SEM图。图4为本发明实施例3中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中中间膜层和外膜层的孔径分布图。
如图3所示,本实例制得的覆盖聚偏氟乙烯外膜层和聚乙烯醇中间膜层的淬灭电气石小球,平均粒径为3.5mm(图3a),同时如图3、4所示,电镜下可见电气石小球内核为多孔片状结构并负载有Rhodococcus sp.BH4群体感应淬灭菌(图3b),中间膜层由100nm~1000nm亚微米级聚乙烯醇颗粒紧密沉积而成,沉积厚度为150μm,平均孔径为330nm(图4),孔隙率为85%(图3c),外膜层由直径20nm~150nm的聚偏氟乙烯纳米纤维覆盖而成,沉积厚度为200μm,平均孔径为110nm(图4),孔隙率为90%(图3d)。
本发明实施例3中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中,聚乙烯醇中间膜层隔离了内核菌群与外膜层有机溶剂环境,聚偏氟乙烯外膜层的厚度和孔径增强了淬灭球整体的机械性能,阻止了尺寸在2μm~10μm的内核细菌的泄漏,同时为物质进出载体球提供了通道。
实施例4:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层,其中中间膜层的平均孔径为720nm,孔隙率为80%,外膜层的平均孔径为400nm,孔隙率为83%。
本实施例中,中间膜层的厚度为150μm,外膜层的厚度为300μm。
本实施例中,中间膜层由亚微米级颗粒复合而成,其中亚微米级颗粒的粒径为200nm~1200nm;外膜层由纳米纤维复合而成,其中纳米纤维的直径为50nm~150nm。
本实施例中,中间膜层的材质为聚氧化乙烯,即中间膜层由粒径为100nm~1000nm的亚微米级聚氧化乙烯颗粒紧密沉积而成,其中聚氧化乙烯的分子量(Mw)为200000。
本实施例中,外膜层的材质为聚偏氟乙烯,即外膜层由直径为50nm~150nm的聚偏氟乙烯纳米纤维覆盖而成,其中聚偏氟乙烯的分子量(Mw)为200000。
本实施例中,内核为负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料,直径为4mm,群体感应淬灭菌为Paenibacillus sp.SYP2。
本实施例中,负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料包括多孔矿质材料,该多孔矿质材料表面及内部负载有群体感应淬灭菌,同时该多孔矿质材料为石英小球,粒径为4mm。
本实施例中,具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的平均粒径为4.5mm。
一种上述本发明实施例中的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,采用静电喷涂法精准制备,包括以下步骤:
(1)将100颗石英小球加入15mL、质量浓度为100mg/mL的Paenibacillus sp.SYP2菌悬液中,在25℃恒温震荡箱中培养24h,取出,得到负载群体感应淬灭菌的石英小球,即为本发明负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料。
(2)使用分子量(Mw)为200000的聚氧化乙烯(PEO),加入到水中,在水浴加热(60℃)下增力搅拌配制成质量分数为5%的聚氧化乙烯水溶液,即为中间膜层静电喷涂溶液。
(3)使用分子量(Mw)为200000的聚偏氟乙烯(PVDF),加入到N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中,在水浴加热(60℃)和600rpm增力搅拌条件下配制成质量分数为8%的聚偏氟乙烯溶液,即为外膜层静电喷涂溶液。
(4)称取50颗步骤(1)得到的负载群体感应淬灭菌的石英小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(2)得到的聚氧化乙烯溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为1.5mL/h,静电喷涂头与半球形旋转收集器间的距离为10cm,高压直流电源电压为15kV,半球形旋转收集器的转速为40r/min,在上述条件下静电喷涂1h,收集器内的小球,取出,在室温(25℃)的通风环境下干燥1h,得到覆盖聚氧化乙烯中间膜层的淬灭石英小球,即为表面包覆有中间膜层的群体感应淬灭小球。
(5)将步骤(4)得到的覆盖聚氧化乙烯中间膜层的淬灭石英小球置于静电喷涂半球形旋转收集器内,将步骤(3)得到的8%聚偏氟乙烯溶液注入静电喷涂系统的注射器中,设定静电喷涂条件为推注流速为1.5mL/h,静电喷涂头与半球形旋转收集器间的距离为10cm,高压直流电源电压为25kV,半球形旋转收集器的转速为40r/min,在上述条件下静电喷涂2h后将收集器内的小球取出,在室温(25℃)的通风环境下干燥2h,得到覆盖聚偏氟乙烯外膜层和聚氧化乙烯中间膜层的淬灭石英小球,即为本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,记为S4。
经测试,本发明实施例4中制得的覆盖聚偏氟乙烯外膜层和聚氧化乙烯中间膜层的淬灭石英小球的平均粒径为4.5mm,石英小球内核为分层多孔结构并负载有Paenibacillus sp.SYP2群体感应淬灭菌,中间膜层由200nm~1200nm亚微米级聚氧化乙烯颗粒紧密沉积而成,沉积厚度为150μm,平均孔径为720nm,孔隙率为80%,外膜层由直径50nm~150nm的聚偏氟乙烯纳米纤维覆盖而成,沉积厚度为300μm,平均孔径为400nm,孔隙率为83%。本发明实施例4中制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球中,聚氧化乙烯中间膜层隔离了内核菌群与外膜层有机溶剂环境,聚偏氟乙烯外膜层的厚度和孔径增强了淬灭球整体的机械性能,阻止了尺寸在2μm~10μm的内核细菌的泄漏,同时为物质进出载体球提供了通道。
本实施例中,还考察了不同喷涂参数对喷涂状态或膜层形貌的影响,其他条件与实施例4相同,如表1-6所示。
表1不同喷涂电压对中间膜层平均孔径的影响
PEO静电喷涂样本 静电电压(kV) PEO膜层平均孔径(nm)
A 10 1020
B 15 720
C 20 500
D 25 410
由表1可知,在其他制备参数相同的条件下,本发明中通过优化静电喷涂过程中的电压为10kV~25kV,更有利于获得孔径合适的中间膜层,从而更有利于提高传质效果,以及有效防止细菌泄漏以及抵抗外界复杂水环境物理、化学冲击,这是因为若静电喷涂过程中的电压较低时,所制得的膜层中孔径较大,而过大孔径容易增加内核菌群泄漏的风险;而在较高的静电电压条件下所制得的膜层的孔径偏小,而过小孔径则容易对物质的跨膜转运造成阻碍。
表2不同喷涂电压对外膜层平均孔径的影响
由表2可知,在其他制备参数相同的条件下,本发明中通过优化静电喷涂过程中的电压为15kV~30kV,更有利于获得孔径合适的外膜层,从而更有利于提高传质效果,以及有效阻拦外界环境中的污染物(如污泥和杂质)以及抵抗外界复杂水环境物理、化学冲击,这是因为在较低的静电电压下制备的膜层的孔径较大,而过大的孔径难以阻挡外界水环境中的污泥和杂质进入到内核中;而在较高的静电电压条件下制备的膜层孔径较小,此时膜层会对物质的跨膜转运造成阻碍。
表3不同喷涂时间对中间膜层厚度的影响
PEO静电喷涂样本 喷涂时间(h) PEO膜层厚度(μm)
A 0.5 60
B 1 150
C 2 320
D 3 440
由表3可知,在其他制备参数相同的条件下,本发明中通过优化静电喷涂时间为0.5h~2h,更有利于获得厚度合适的中间膜层,由此不仅能够更好的隔离和吸收外膜层制备过程中的有机溶剂,同时还能进一步促进传质效果的提高,这是因为较短的喷涂时间条件下制备的膜层厚度较小,而较小的厚度难以阻挡有机溶剂进入到内核中,不能起到对外膜层有机溶剂的隔离和吸收作用;而较长的喷涂时间条件下容易形成较厚的膜层,此时厚度较大的膜层由于纤维或亚微米颗粒堆积密度过大则易造成物质跨膜转运受阻。
表4不同喷涂时间对外膜层厚度的影响
PVDF静电喷涂样本 喷涂时间(h) PVDF膜层厚度(μm)
A 0.5 75
B 1 120
C 2 300
D 4 620
由表4可知,在其他制备参数相同的条件下,本发明中通过优化静电喷涂时间为1h~4h,更有利于获得厚度合适的中间膜层,由此不仅能够得到结构稳定性更好的膜层,同时还能进一步促进传质效果的提高,这是因为较短的喷涂时间条件下制备的膜层厚度较小,而厚度较小的膜层对抗外界水环境物理冲击的能力较弱;同时较长的喷涂时间条件下容易形成较厚的膜层,而厚度较大的膜层由于纤维或亚微米颗粒堆积密度过大则易造成物质跨膜转运受阻。
表5不同质量分数的PEO溶液对喷涂状态的影响
PEO静电喷涂样本 溶液质量分数 溶液喷涂状态
A 2 细微液滴喷雾
B 5 粗微液滴喷雾
C 8 细微纤维喷丝
D 12 粗微纤维喷丝
由表5可知,在其他制备参数相同的条件下,本发明中通过优化聚氧化乙烯溶液的质量分数为2%~10%,更有利于制备孔径、孔隙合适的中间膜层,这是因为采用较低质量分数的溶液进行喷涂时,喷涂状态为尺寸非常细小的雾滴,该形态的雾滴不易在内核表面形成孔径适合的均质膜层且沉积速度较慢;若采用较高质量分数的溶液进行喷涂,则喷涂状态为丝状纤维,该形态的纤维在含水率较高的凝胶核心表面沉积时易造成凝胶团聚,致使喷涂过程无法继续进行。
表6不同质量分数的PVDF溶液质量分数对喷涂状态的影响
PVDF静电喷涂样本 溶液质量分数 溶液喷涂状态
A 2 细微液滴喷雾
B 4 粗微液滴喷雾
C 8 细微纤维喷丝
D 16 粗微纤维喷丝
由表6可知,在其他制备参数相同的条件下,本发明中通过优化聚偏氟乙烯溶液的质量分数为2%~13%,更有利于制备孔径、孔隙合适的外膜层,这是因为若采用较低质量分数的溶液进行喷涂,则喷涂状态为微雾滴,而采用较高质量分数的溶液进行喷涂时,喷涂状态为较粗的丝状纤维,直径合适的纤维相比微雾滴形成的膜层孔径更加均匀,但是过粗的纤维喷涂速度较慢且沉积形成的孔径过大。
对比例1:
一种固定化群体感应淬灭菌复合凝胶小球,包括由聚乙烯醇和海藻酸钠组成的凝胶小球,其中该凝胶小球的表面及内部负载有粉末活性炭和Rhodococcus sp.BH4淬灭菌。外层无膜层结构。
对比例2:
一种固定化群体感应淬灭菌复合淬灭小球的制备方法,内核将海藻酸钠和Rhodococcus sp.BH4菌悬液混合,通过凝胶交联法制备得到固定化群体感应淬灭菌复合凝胶,外膜层通过相转化法包裹N-甲基吡咯烷酮(NMP)。外层为厚度不均的致密封闭膜层结构,无固定厚度,无分布均匀的孔道结构。
实施例5:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球在去除群体感应信号分子中的应用,具体为利用具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球去除群体感应信号分子C6-HSL,包括以下步骤:
称取实施例1、2、3、4制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(S1、S2、S3、S4),各取2g,分别添加到50mL、200ng/mL C6-HSL的Tris-HCl缓冲液中,调整溶液pH为7,在恒温震荡箱中恒温30℃和150rpm的震荡强度下反应120min,完成对群体感应信号分子的去除。
对照组,以对比例1制备的固定化群体感应淬灭菌复合凝胶小球代替具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,作为对照,在相同条件下对群体感应信号分子C6-HSL进行去除反应。
反应结束后,用液相色谱-质谱联用法(LC-MS)测定C6-HSL的浓度,计算各组材料对C6-HSL的去除率,如下表7所示。
表7不同小球对C6-HSL的去除率数据
样品 S1 S2 S3 S4 对照组
C6-HSL去除率 83.2% 85.3% 90.4% 89.2% 78.3%
由表7可知,与常规固定化群体感应淬灭菌复合凝胶小球对比,本发明中通过静电喷涂技术制备的包覆有中间膜层和外膜层的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,在中间膜层和外膜层的协同作用下,可以实现保护内核菌群活性、抑制内核菌群泄漏和控制信号分子缓释,因而具有更高的C6-HSL去除率。
另外,本实施例中,还考察了不同小球在反应结束后的抗压强度,具体为使用万能试验机对反应结束后的各组样品进行抗压强度测试,对比各组样品的抗物理冲击性能,结果如图5所示。图5为本发明实施例5中不同小球在反应结束后的抗压强度对照图。
由图5可知,本发明中,在内核表面依次包覆有中间膜层和外膜层,由此获得的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(S1和S2)的抗压强度,分别为57N和66N,而对比例1中涉及常规的固定化群体感应淬灭菌复合凝胶小球仅表现出26N的抗压强度。另外,本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(S3和S4)的抗压强度更是在仅0.1mm左右的应变下达到了92N和104N,是常规固定化群体感应淬灭菌复合凝胶小球的3.5倍以上,这说明证明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球具有更强的抗物理冲击性能。
在抗化学冲击实验中,将各组样品投加到EDTA冲击溶液中,由于在600nm波长处只有细菌会对吸光值产生影响,因此测定投加后不同时间内溶液的OD600值即可判断样品在冲击溶液中的细菌泄漏量,进而评估小球的化学稳定性,结果如图6所示。图6为本发明实施例5中不同小球在反应结束后的群体感应淬灭菌泄漏量对照图。
由图6可知,现有常规固定化群体感应淬灭菌复合凝胶小球(对照组),由于菌群在冲击溶液中大量溢出,OD600在前10min快速增长到最大值,随后细菌吸光度值基本维持不变,而本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(S1、S2、S3、S4)的冲击溶液吸光值基本为0维持不变,细菌泄漏量可以忽略不计。由此说明,使用本方法制备的群体感应淬灭菌核壳结构小球由于中间膜层和外膜层的包覆,可以实现保持内核菌群活性和抑制内核菌群泄漏的技术特点。
实施例6:
一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球在抑制膜污染中的应用,具体为利用具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球抑制膜生物反应器中生物膜(活性污泥)的污染,包括以下步骤:
称取实施例1、2、3、4制备的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(S1、S2、S3、S4),各取10g,分别添加到工作体积为4.5L的MBR反应器中,该MBR反应器内活性污泥MLSS为5000±200mg/L,曝气强度为1.8L/min,MBR恒流过滤通量为15L/m2h,水力停留时间为15h,实验过程没有排泥。人工废水的组成为:50L水含5g葡萄糖、1.25g蛋白胨、1.25g酵母粉、12.5g硫酸铵、7.5g磷酸二氢钾、0.1g氯化钙、0.225g硫酸镁、1.75g氯化钠、25g碳酸氢钠、1mg六水合氯化铁和1mg六水合氯化钴。MBR运行过程中的跨膜压差(TMP)由在线压力表监测。
对照组:以对比例2中制备的固定化群体感应淬灭菌复合淬灭小球,代替具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,作为对照,投加到相同条件的MBR反应器中。
调整各组MBR的初始TMP为同一数值后开始运行MBR系统,记录各组TMP达到40kPa即判断达到膜堵塞的时间,如表8所示。
表8不同小球对膜堵塞时间的影响
样品 S1 S2 S3 S4 对照组
膜堵塞时间 7d 7d 8d 8d 3d
由表8可知,加入常规固定化群体感应淬灭菌复合淬灭小球后,MBR反应器中达到40kPa的时间为3天,而加入本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球(S1、S2、S3、S4),形成膜堵塞的时间延长至7到8天,是常规固定化群体感应淬灭菌复合淬灭小球的两倍以上,由此可见,本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球可以明显缓解膜材料在MBR活性污泥中的污染问题,大大延长了MBR膜组件的清洗和更换频率。因此,相比常规相转化法构建的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,本发明在内核表面依次包覆有中间膜层和外膜层所构建的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球膜具有更好的传质性能和菌群保护能力,具有更好的抑制膜污染的能力。
综合上述结果可知,本发明中,中间膜层的作用是隔离合成过程中使用有机溶剂进入内核,以及提供营养物质和群体感应信号分子进入内核的通道,外膜层的作用是隔离外环境中的污染物进入到内核,并增强机械性能,阻止内核细菌泄漏,以及提供营养物质和群体感应信号分子进入内核的通道,因而在内核表面包裹中间膜层和外膜层,不仅提供核壳小球的机械强度,而且还能防止内核细菌泄漏,同时还能形成合适的通道,更为重要的是,通过优化中间膜层和外膜层的孔径、孔隙率,能够进一步提升核壳小球与水环境的传质效果,在有效阻止有机溶剂进入到小球内部的同时,能够为目标物质进入到载体内部提供更加合理的通道,由此获得更高的传质效率,更有利于去除群体感应信号分子并有效抑制膜污染。因此,本发明具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球具有细菌活性强、结构稳定、性质稳定、传质效率高等优点,可广泛用于去除群体感应信号分子和抑制膜污染,使用价值高,应用前景好。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出,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的改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,其特征在于,包括负载有群体感应淬灭菌的内核,所述内核的表面依次包覆有中间膜层和外膜层;所述中间膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%;所述外膜层的平均孔径为20nm~800nm,孔隙率为70%~90%。
2.根据权利要求1所述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,其特征在于,所述中间膜层的厚度为50μm~200μm;所述外膜层的厚度为50μm~500μm。
3.根据权利要求2所述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,其特征在于,所述中间膜层由亚微米级颗粒复合而成;所述外膜层由亚微米级颗粒复合而成或由纳米纤维复合而成;所述亚微米级颗粒的粒径为100nm~1500nm;所述纳米纤维的直径为10nm~500nm。
4.根据权利要求3所述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,其特征在于,所述中间膜层的材质为兼具水溶性和生物相容性的合成聚合物和/或天然生物聚合物;所述兼具水溶性和生物相容性的合成聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇中的至少一种;所述天然生物聚合物为壳聚糖、普鲁兰多糖中的至少一种;所述聚乙烯醇的重均分子量为40000~210000;所述壳聚糖的重均分子量为30000~500000,脱乙酰度≥50%,粘度>100mPa·s;所述聚氧化乙烯的重均分子量为100000~7000000;所述聚乙二醇的重均分子量为10000~7000000;所述普鲁兰多糖的纯度为95%~98%;所述外膜层的材质为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚氯乙烯中的至少一种;所述聚偏二氟乙烯的重均分子量为150000~600000;所述聚偏二氟乙烯共六氟丙烯的重均分子量为200000~500000;所述聚丙烯腈的重均分子量为50000~250000;所述聚醚砜的重均分子量为20000~100000;所述聚氯乙烯的重均分子量为50000~150000。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球,其特征在于,所述内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球或负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料;所述内核的直径为3mm~6mm;所述群体感应淬灭菌为Rhodococcussp.BH4、Paenibacillus sp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcus sp.SHMC中的至少一种。
6.一种具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将中间膜层原料、外膜层原料分别制成中间膜层静电喷涂溶液、外膜层静电喷涂溶液;
S2、将中间膜层静电喷涂溶液电喷涂到负载有群体感应淬灭菌的内核表面,干燥,得到表面包覆有中间膜层的群体感应淬灭小球;
S3、将外膜层静电喷涂溶液电喷涂到群体感应淬灭小球表面的中间膜层上,干燥,得到具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述中间膜层原料为聚乙烯醇、壳聚糖、聚氧化乙烯、聚乙二醇、普鲁兰多糖中的至少一种;所述中间膜层原料为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇、普鲁兰多糖中的至少一种时,所述中间膜层静电喷涂溶液由中间膜层原料溶解到水中制得;所述水的温度为50℃~90℃;所述中间膜层原料为壳聚糖时,所述中间膜层静电喷涂溶液由中间膜层原料溶解到乙酸溶液中制得;所述乙酸溶液的温度为15℃~45℃;所述乙酸溶液的质量分数为10%~90%;所述中间膜层静电喷涂溶液为聚乙烯醇溶液时,质量分数为2%~12%;所述中间膜层静电喷涂溶液为壳聚糖溶液时,质量分数为1%~8%;所述中间膜层静电喷涂溶液为聚氧化乙烯溶液时,质量分数为2%~10%;所述中间膜层静电喷涂溶液为聚乙二醇溶液时,质量分数为3%~10%;所述中间膜层静电喷涂溶液为普鲁兰多糖溶液时,质量分数为2%~13%;所述外膜层原料为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈、聚醚砜、聚氯乙烯中的至少一种;所述外膜层静电喷涂溶液由外膜层原料溶解到有机溶剂中制得;所述有机溶剂的温度为40℃~90℃;所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃中的至少一种;所述外膜层静电喷涂溶液为聚偏二氟乙烯溶液时,质量分数为1%~13%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚偏二氟乙烯共六氟丙烯溶液时,质量分数为1%~13%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚丙烯腈溶液时,质量分数为2%~15%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚醚砜溶液时,质量分数为1%~15%;所述外膜层静电喷涂溶液为聚氯乙烯溶液时,质量分数为1%~15%;
步骤S2中,采用静电喷涂的方式将中间膜层静电喷涂溶液电喷涂到负载有群体感应淬灭菌的内核表面;所述电喷涂过程中,中间膜层静电喷涂溶液的推注流速为0.1mL/h~2mL/h,喷头与内核之间的距离为5cm~25cm,直流电源电压为8kV~35kV,时间为0.5h~2h;所述电喷涂过程中,所述负载有群体感应淬灭菌的内核置于半球形旋转收集器中,所述半球形旋转收集器的转速为5r/min~100r/min;所述干燥在温度为15℃~40℃下进行;所述干燥的时间为0.5h~4h;
步骤S3中,采用静电喷涂的方式将外膜层静电喷涂溶液电喷涂到群体感应淬灭小球表面;所述电喷涂过程中,外膜层静电喷涂溶液的推注流速为0.1mL/h~2mL/h,喷头与群体感应淬灭小球之间的距离为5cm~25cm,直流电源电压为8kV~35kV,时间为1h~4h;所述电喷涂过程中,所述群体感应淬灭小球置于半球形旋转收集器中,所述半球形旋转收集器的转速为5r/min~100r/min;所述干燥在温度为15℃~40℃下进行;所述干燥的时间为0.5h~4h。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于,步骤S2中,所述负载有群体感应淬灭菌的内核为负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球或负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料;
所述负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球由以下方法制备得到:
(1)将群体感应淬灭菌菌悬液和海藻酸钠溶液混合,得到混合液;所述群体感应淬灭菌悬浮液的质量浓度为40mg/mL~500mg/mL;所述群体感应淬灭菌菌悬液中群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4、Paenibacillus sp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcussp.SHMC中的至少一种;所述混合液中海藻酸钠的质量分数为1%~10%;所述混合液中还包括有微生物载体材料;所述混合液中微生物载体材料的质量分数为4%~12%;所述微生物载体材料包括粉末活性炭、二氧化硅粉末中的至少一种;
(2)将步骤(1)中得到的混合液滴入到硼酸和氯化钙的混合水溶液中进行交联反应,得到负载有群体感应淬灭菌的复合凝胶小球;所述硼酸和氯化钙的混合水溶液中,硼酸的质量分数为1%~5%,氯化钙的质量分数为1%~5%;所述交联反应在转速为60r/min~600r/min下进行;所述交联反应的时间为30min~240min;
所述负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料由以下方法制备得到:将多孔矿质材料与群体感应淬灭菌菌悬液混合进行培养,得到负载群体感应淬灭菌的多孔矿质材料;所述多孔矿质材料与群体感应淬灭菌菌悬液的比例为20颗~150颗∶15mL;所述群体感应淬灭菌菌悬液的质量浓度为40mg/mL~500mg/mL;所述群体感应淬灭菌菌悬液中群体感应淬灭菌为Rhodococcus sp.BH4、Paenibacillus sp.SYP2、Enterobacter sp.SHEB1和Micrococcussp.SHMC中的至少一种;所述多孔矿质材料为二氧化硅、电气石、麦饭石、陶瓷中的至少一种;所述多孔矿质材料的粒径为3mm~6mm;所述培养在恒温摇床中进行;所述培养的时间为2h~24h。
9.一种如权利要求1~5中任一项所述的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球或权利要求6~8中任一项所述的制备方法制得的具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球在去除群体感应信号分子或抑制膜污染中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,利用具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球去除群体感应信号分子时,包括以下步骤:将具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与含群体感应信号分子的溶液混合进行反应,完成对群体感应信号分子的去除;所述具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与含群体感应信号分子的溶液的质量体积比为1g∶5mL~1g∶50mL;所述含群体感应信号分子的溶液中群体感应信号分子的初始浓度为10ng/mL~1000ng/mL;所述含群体感应信号分子的溶液中群体感应信号分子为C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL、C12-HSL、C14-HSL中的至少一种;所述反应在初始pH值为6~8的条件下进行;所述反应过程中控制温度为15℃~35℃、搅拌转速为20rpm~300rpm;所述反应的时间为30min~240min;
利用具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球抑制膜污染时,包括以下步骤:将具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球加入到膜生物反应器中进行培养,完成对膜反应器中生物膜的处理;所述具有双壳结构的固定化群体感应淬灭菌核壳小球与膜生物反应器中活性污泥的质量体积比为10g∶1L~10g∶5L;所述活性污泥中MLSS为2000mg/L~8000mg/L;所述培养过程中还包括对膜生物反应器中的活性污泥进行曝气处理,所述曝气处理过程中的曝气量为0.5L/min~4L/min;所述膜生物反应器中水力停留时间为10h~20h。
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