高效生物合成纳米硫铁SM-FeS材料的方法及合成的纳米硫铁
SM-FeS材料与应用
技术领域
背景技术
[0002] 随着电
镀、染料、皮革和造纸行业的发展，大量的含铬物质被排入到环境中。铬元素作为一种重金属元素，在环境中主要以二价、三价、六价形式存在，在
水体中主要是三价铬和六价铬形式，三价铬以水合离子形式存在，毒性较低、在水中
溶解度低、易沉淀；六价铬极易溶于水，毒性强、大约是三价铬的100倍，六价铬对人体的毒害主要是慢性毒害，可以通过
皮肤、
呼吸道等进入人体，在体内聚集产生致癌致畸作用。六价铬传统的处理方法是将利用还原剂将六价铬还原为三价铬，以沉淀形式去除，常用的还原剂有Fe(II)，硫化物和有机质。
[0003] 其还原机理如下所示：
[0004] Fe(II)+Cr(VI)+H2O---(CrxFe1-x)(OH)3(04)；
[0005] S(-II)+Cr(VI)+H2O----Cr(OH)3+S0(pH>5)；
[0006] 有机质+Cr(VI)----Cr(III)-有机络合物；
[0007] 目前的处理方法主要包括化学还原法、物理化学法、电化学法等。化学还原法主要是投加还原剂，这种方法虽然反应快，但是消耗严重，容易产生大量有毒物质，造成水体的二次污染；相比而言，物理化学方法和电化学方法虽然不会产生大量副产物，但是运行成本高，这些限制了传统方法的应用。而通过生物合成的纳米硫化亚铁(nano-FeS)同时具备Fe(II)和S(-II)和以及超大的
比表面积，能够快速的
吸附并且将六价铬还原成三价铬。同时由于铁还原菌和
硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria,SRB)在
土壤和水体广泛的存在，nano-FeS也是广泛存在于土壤和水体
沉积物中。
[0008] 但目前利用
硫酸盐还原菌(SRB)制备纳米硫铁存在的主要问题为：制备周期较长，一般需要7天，乃至数十天(Zhou L,Liu J,Dong F.Spectroscopic study on biological mackinawite(FeS)synthesized by ferric reducing bacteria(FRB)and sulfate reducing bacteria(SRB):Implications for in-situ remediation of acid mine drainage[J].Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2017,173(Complete):544-548.)，(Veeramani H,Scheinost AC,Monsegue N,et al.Abiotic Reductive Immobilization of U(VI)by Biogenic Mackinawite[J].Environmental Science&Technology,2013,47(5):2361-2369.)。这大大提高了运输和处理的成本；大部分
硫酸盐还原菌(SRB)属于严格厌
氧菌对于pH、重金属浓度等环境条件敏感，生物合成过程不稳定。因此要维持纳米硫铁的高活性，高处理效率，必须要提高生物合成的速率和
稳定性。
发明内容
[0009] 为了克服
现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高效生物合成纳米硫铁SM-FeS材料的方法及合成的纳米硫铁SM-FeS材料与应用。
[0010] 本发明提供的高效生物合成纳米硫铁的方法，利用硫酸盐还原菌和铁还原菌的共养互作机制提高生物合成过程的速率和稳定性。
[0011] 本发明的另一目的在于提供上述高效生物合成的纳米硫铁对水体中高浓度六价铬去除的应用。
[0012] 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0013] 本发明提供的一种高效生物合成纳米硫铁SM-FeS材料的方法，包括如下步骤：
[0014] (1)将改良M641液体培养基分装到厌氧瓶中，用氮气吹脱液体中的氧气(溶解氧)，然后进行灭菌处理，得到灭菌后的M641液体培养基；将LB培养基进行灭菌处理，得到灭菌后的LB培养基；
[0015] (2)将铁盐溶液和硫盐溶液过滤除菌后，打入厌氧瓶中，加入步骤(1)所述灭菌后的改良M641液体培养基中，然后加入硫酸盐还原菌接种液，得到培养液A；用接种针接种平板奥奈达希瓦氏菌至步骤(1)所述灭菌后的LB培养基，得到培养液B；
[0016] (3)在厌氧瓶内对步骤(2)所述培养液A进行第一恒温摇床培养，得到SRB菌液，将步骤(2)所述培养液B进行第二恒温摇床培养，得到MR-1菌液；将所述SRB菌液和MR-1菌液混合均匀，得到混合菌液；
[0017] (4)将铁盐和硫盐加入步骤(1)所述灭菌后的M641液体培养基中，然后混合均匀，得到复合培养基，将步骤(3)所述混合菌液接种至所述复合培养基上，在厌氧瓶内进行第三恒温摇床培养，得到摇床培养的产物；
[0018] (5)将步骤(4)所述摇床培养的产物离心，取沉淀，洗涤，
冷冻干燥，得到所述纳米硫铁SM-FeS材料。
[0019] 进一步地，步骤(1)所述改良M641液体培养基，当按照体积为1L来计，所述改良M641液体培养基包括：0.1±0.002g的NaHCO3、0.1±0.002g的KH2PO4、0.05±0.002g的CaCl2·H2O、1±0.002g的NH4Cl、0.1±0.002g的NaCl、0.1±0.002g的MgCl2·6H2O、
酵母提取物1±0.002g、乳酸钠5.4±0.002g及100±0.5mL HEPES缓冲液，余者为水；所述改良M641液体培养基的pH值为7.0±0.2。
[0020] 优选地，步骤(1)所述改良M641液体培养基的pH值为7.0。
[0021] 优选地，步骤(1)中，氮气吹脱的时间为15-30min，确保无氧环境。
[0022] 进一步地，步骤(1)所述LB培养基，当按照体积为1L来计时，所述LB培养基包括：10±0.02g的胰蛋白胨、5±0.02g的酵母提物、5±0.02g的
氯化钠，余者为水；所述LB培养基的pH为7.0；所述灭菌处理的
温度为121±5℃，灭菌处理的时间为30±2min。
[0023] 优选地，步骤(1)所述灭菌处理的温度为121℃，灭菌处理的时间为30min。
[0024] 进一步地，步骤(2)所述铁盐为FeCl3、Fe2(SO4)3及FeSO4中的一种以上，所述硫盐为Na2S2O3、Fe2(SO4)3及FeSO4中的一种以上；在步骤(2)所述培养液A中，铁盐的浓度为8±0.02mM；在步骤(2)所述培养液A中，硫盐的浓度为12±0.02mM；所述硫酸盐还原菌接种液与灭菌后的M641液体培养基的体积比为1±0.2：50±1，所述硫酸盐还原菌接种液的浓度为
4.5±0.5*107CFU/mL。
[0025] 优选地，步骤(2)所述过滤除菌是使用0.22μm滤
膜过滤的。
[0026] 优选地，在步骤(2)所述培养液A中，铁盐的浓度为8.00mM。
[0027] 优选地，步骤(2)所述铁盐为FeSO4。
[0028] 优选地，步骤(2)所述硫盐为Na2S2O3。当选用Na2S2O3作为硫盐时，在培养液A中，硫盐的浓度为4.00mM。
[0029] 步骤(2)中，使用的奥奈达希瓦氏菌为铁还原菌MR-1，学名为Shewanella oneidensis MR-1，购自美国模式菌种保藏中心(保藏编号为ATCC700550)。
[0030] 步骤(2)中，硫酸盐还原菌(SRB)为Desulfosporosinus meridiei，购于德国菌种保藏中心(DSMZ)，保藏编号为13257。
[0031] 在培养SRB体系(即培养液A)时，必须保证无氧操作，其中FeSO4(无氧储备液)需保存在厌氧操作台中且加入FeSO4与Na2S2O3需在无氧条件下操作。
[0032] 进一步地，在步骤(3)所述第一恒温摇床培养的温度为30±0.1℃，第一恒温摇床培养的时间为3-7天，第一恒温摇床培养的转速为150±1rpm；所述第二恒温摇床培养的温度为30±0.1℃，第二恒温摇床培养的时间为12-16h，第二恒温摇床培养的转速为150±1rpm。
[0033] 进一步地，在步骤(3)中，所述SRB菌液和MR-1菌液混合前，先将SRB菌液和MR-1菌液的OD600调节为0.5±0.01，然后再进行混合；所述SRB菌液和MR-1菌液的体积比为1±0.01：1±0.01。
[0034] 优选地，步骤(3)中，SRB菌液和MR-1菌液的OD600调节为0.5。
[0035] 步骤(3)得到的SRB菌液和MR-1菌液都呈现较大程度的浑浊，OD600是在转速为3500-4000rpm的离心状态下离心3分钟后进行测定的。
[0036] 进一步地，在步骤(4)所述铁盐为FeSO4、FeCl3及Fe2(SO4)3中的一种以上；所述硫盐为Na2S2O3、FeSO4及Fe2(SO4)3中的一种以上；在复合培养基中，铁盐的浓度为8±0.02mM；在步骤(2)所述培养液A中，硫盐的浓度为12±0.02mM。
[0037] 进一步地，在步骤(4)所述第三恒温摇床培养的温度为30±0.1℃，第三恒温摇床培养的时间为24±4h，第三恒温摇床培养的转速为150±1rpm。
[0038] 优选地，步骤(4)所述第三恒温摇床培养的温度为30℃，第三恒温摇床培养的时间为24h，第三恒温摇床培养的转速为150rpm。
[0039] 优选地，步骤(5)所述离心的转速为10000rpm，离心的时间为5分钟。所述洗涤包括：用无氧水冲洗2-3次。所述干燥为冷冻干燥，冷冻干燥的时间为24小时。
[0040] 本发明提供一种由上述的制备方法制得的纳米硫铁SM-FeS材料。
[0041] 本发明提供的纳米硫铁SM-FeS材料能够应用在处理含六价铬Cr(VI)污水中。
[0042] 本发明高效生物制备的纳米硫铁(SM-FeS)应用于高六价铬含量的废
水处理中。将SM-FeS称量一定量固体后投加入高浓度Cr(VI)溶液中，磁
力搅拌器250rpm下定时取样，测定2h内溶液中的六价铬浓度计算去除速率，测定24h的溶液中最终六价铬浓度计算吸附容量。
[0043] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0044] (1)本发明将SRB和MR-1混合后高效生物合成纳米硫铁，大大缩短了合成周期，降低了SRB对于严格厌氧环境以及pH等低耐受的要求，提高了合成的稳定性；混合体系消耗的乳酸钠量是单一体系的三分之一，能够减少
碳源的投加从而降低成本；
[0045] (2)本发明所使用的硫酸盐还原菌和铁还原菌在自然条件下广泛共存，能从一定
角度解释其中发生的共养互作机制；
[0046] (3)本发明高效生物合成的纳米硫铁的吸附容量能达到117.5mg/g；
[0047] (4)本发明提供的高效生物合成的纳米硫铁在pH 3～11之间对Cr(VI)都有去除效果，在pH＝3时最好，且能提高体系pH值，降低高
碱度体系pH值。
附图说明
[0048] 图1为实例1中SRB与MR-1混合高效生物合成的纳米硫铁SM-FeS的扫描电镜图；
[0049] 图2为实例1中SRB与MR-1混合高效生物合成的纳米硫铁SM-FeS的XRD谱图；
[0050] 图3为实例2中SRB与MR-1混合体系与单一SRB体系对唯一
电子供体乳酸钠的利用量折线图；
[0051] 图4为实例3中SM-FeS去除水中高浓度Cr(VI)的速率图。
具体实施方式
[0052] 以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用
试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
[0054] 一种高效生物合成纳米硫铁SM-FeS材料的方法，包括如下步骤：
[0055] (1)0.1g/L NaHCO3，0.1g/L KH2PO4,，0.05g/L CaCl2·H2O，1g/L NH4Cl，0.1g/L NaCl，0.1g/L MgCl2·6H2O，酵母提取物1g/L，乳酸钠5.4g/L，100mM HEPES用950ml去离子水溶解，得到改良M641液体培养基，用1M NaOH调节改良M641液体培养基的pH至7.0。将50ml改良M641液体培养基分装到100ml厌氧瓶中。用氮气吹脱30min以去除液体中的溶解氧，之后用丁基胶塞塞好并加盖
铝盖，在121℃灭菌30min。冷却至室温后，取FeSO4·7H2O溶液和Na2S2O3溶液经0.22μm的滤膜打入厌氧瓶中，在厌氧瓶的
混合液中，FeSO4·7H2O的浓度为8mM，Na2S2O3的浓度为12mM，得到复合培养基，之后再往所述复合培养基中加入1ml SRB接种液(浓度为4.5*107CFU/mL)。随后培养5天，培养的温度为30℃，培养的转速为150rpm，得到SRB培养液。
[0056] (2)配制LB培养基，当体积为1L时，LB培养基包括胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠5g/L，余者为水，pH为7.0，将平板上的MR-1用接种针接种入所述LB培养基中，然后进行摇床培养，摇床培养的温度为30℃，摇床培养的时间为12小时，摇床培养的转速为150rpm，得到MR-1培养液。
[0057] (3)将上述SRB培养液和MR-1培养液分别在3500-4000rpm，离心3min后测定OD600保证其值都等于0.5后分别取1ml，然后两者混合均匀，得到混合菌液，将所述混合菌液接入新的步骤(1)所述复合培养基中。
[0058] (4)在30℃，150rpm的恒温震荡摇床培养24h体系就会变成黑色即产生大量的纳米硫铁，离心取沉淀，洗涤，冷冻干燥，得到所述纳米硫铁SM-FeS材料。
[0059] 本实施例利用SRB与MR-1混合高效生物合成的纳米硫铁SM-FeS的扫描电镜图和XRD谱图分别如图1和图2所示。24h后产生了大量的片状针状结构的铁矿物，结合文献(L.Zhou,J.Liu,F.Dong,Spectroscopic study on biological mackinawite(FeS)synthesized by ferric reducing bacteria(FRB)and sulfate reducing bacteria(SRB):Implications for in-situ remediation of acid mine drainage,Spectrochim.Acta,Pt.A:Mol.Biomol.Spectrosc.173(2017)544–548.)可知，其形貌与无定型的铁硫矿物
马基诺矿(Mackinawite)一致，且能在XRD谱图中找到相应特征峰。
[0060] 对比例1
[0061] 对比例1与实施例1基本相同，唯一不同之处在于步骤(3)中仅取1mL的SRB培养液接入新的步骤(1)所述复合培养基进行恒温震荡摇床培养。
[0062] 对比例2
[0063] 对比例2与实施例1基本相同，唯一不同之处在于步骤(3)中仅取1mL的MR-1培养液接入新的步骤(1)所述复合培养基进行恒温震荡摇床培养。
[0064] 在24h后相同培养条件下，混合菌组(实施例1)全部变成黑色，说明此时已经合成了大量的纳米硫铁，而单菌组(对比例1和对比例2)呈现黄色，说明其S2-的产生速率明显慢与混菌组并且体系中的二价铁还是存在被氧化的
风险，更不稳定。
[0065] 实施例2
[0066] 设置混菌组SM和单菌组DM各自三个平行一个空白，所使用的培养基为步骤(1)所述步骤(1)所述复合培养基，接种条件与实施例1完全一致，空白没有接种菌液。
[0067] 所述混菌组SM与实施例1基本相同，唯一不同之处在于步骤(4)所述恒温震荡摇床培养的时间为0、1、2、3、5、7天。
[0068] 所述单菌组DM与对比例1基本相同，唯一不同之处在于步骤(4)所述恒温震荡摇床培养的时间为0、1、2、3、5、7天。
[0069] 在第0、1、2、3、5、7天取样，过0.22μm滤膜后稀释10倍，高效液相测定乳酸根的含量。
[0070] 本实施例由图3可以得知，混菌组最终对于唯一电子供体乳酸钠的消耗量为5mM左右只为单菌组消耗量15mM的三分之一，说明混菌组对于碳源的利用更加彻底，因此成本更低廉。
[0071] 实施例3
[0072] (1)分别配制六价铬浓度为50ppm和100ppm的溶液，pH＝5.0；其中，用50mM的邻苯二
甲酸缓冲液进行pH调节，调节pH值为5.0；背景离子浓度为0.1M NaCl；
[0073] (2)分别取2份六价铬浓度为50ppm的溶液和2份六价铬浓度为100ppm的溶液；2份六价铬浓度为50ppm的溶液中，一份将投加实施例1制得的纳米硫铁SM-FeS材料，作为实验组；另一份不投加，作为空白对照组；2份六价铬浓度为100ppm的溶液中，一份将投加实施例1制得的纳米硫铁SM-FeS材料，作为实验组，另一份不投加，作为空白对照组；
[0074] (3)往步骤(2)所述六价铬浓度为50ppm的溶液和六价铬浓度为100ppm的溶液中分别投入实施例1制得的纳米硫铁SM-FeS材料，投加量均为0.6g/L；然后分别在0、1、3、5、7、10、15、20、25、30、60、120min时取样，样品过完0.22μm滤膜后，使用《水质六价铬的测定二苯碳酰二肼分光光度法》对所取样品进行六价铬浓度的检测。
[0075] 实施例1制得的纳米硫铁SM-FeS材料对六价铬的去除效果如图4所示；结果表明SM-FeS材料对50ppm的六价铬能达到接近100％的去除效果，对100ppm的六价铬也有74.4％的去除效果。
[0076] 以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
