首页 / 专利分类库 / 固体废物的处理;被污染土壤的再生 / 一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭修复垃圾污染土壤的方法

一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭修复垃圾污染土壤的方法

申请号 CN202311743406.4 申请日 2023-12-18 公开(公告)号 CN117732838A 公开(公告)日 2024-03-22
申请人 贵州省生物研究所; 发明人 龙云川; 蒋娟;
摘要 本 发明 涉及垃圾污染 土壤 原位修复技术领域,特别是涉及一种菌酶共固定化 磁性 塑料垃圾炭修复垃圾污染土壤的方法。本发明以塑料垃圾为原材料制备磁性塑料垃圾炭,同时将从塑料垃圾表面富集驯化得到的强塑料降解能 力 的功能菌群通过 吸附 固定至塑料垃圾炭上,再通过 水 溶性高分子化合物的胶体保护作用将功能菌培养液和酶包埋固定,获得菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭颗粒,将其应用于垃圾污染土壤的原位修复,能够通过菌酶共固定化方式提高对垃圾污染土壤中塑料、塑料添加剂等有机污染物的 生物 催化降解,解决垃圾污染土壤中塑料的难降解以及污染物释放的迁移去除问题。
权利要求

1.一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将垃圾污染土壤中塑料垃圾碎片粉碎,得到塑料颗粒;
将所述塑料颗粒加入到溶液中,加热处理,之后热解,得到多孔塑料垃圾炭;
将所述多孔塑料垃圾炭与纳米磁粉混合置于吸附,得到磁性塑料垃圾炭;
利用LB液体培养基富集培养垃圾污染土壤中塑料表面的降解菌,之后转接至无机盐基础培养基中,转接驯化3‑5次,得到功能菌液;
将所述功能菌液接种于LB液体培养基中,同时加入所述磁性塑料垃圾炭进行生物的扩大培养和吸附固定,之后固液分离得到固体和培养液;所述固体经冷冻干燥得到磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒;
所述培养液中加入酶以及水溶性高分子化合物溶液混匀得到交联剂‑酶混合缓冲液;
将所述交联剂‑酶混合缓冲液与所述磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒振荡混匀,冷冻干燥,得到所述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述塑料颗粒与所述碱溶液的质量体积比为1:1.5‑4(w/v);所述碱溶液为质量浓度10%的KOH溶液;所述加热处理具体为45‑60℃超声加热1‑2h;所述热解具体为N2环境下350‑650℃热解1‑4h。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述氨水的质量浓度为5%;所述多孔塑料垃圾炭与纳米磁粉的质量比为1‑3:1;所述纳米磁粉为零价Fe、Fe2O3和Fe3O4中的至少一种;所述吸附具体为25℃、180r/min条件下吸附8‑12h。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述富集培养的条件为30℃,180r/min,24h;按体积浓度1%‑5%转接至无机盐基础培养基中;所述无机盐基础培养基中以质量浓度0.5%‑1%的塑料垃圾碎片作为唯一源;所述驯化的条件为30℃,180r/min,5‑
10d/次。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,将所述功能菌液按体积浓度5%‑10%接种于LB液体培养基中;所述磁性塑料垃圾炭在所述LB液体培养基中的质量浓度为5%‑
15%;所述微生物的扩大培养和吸附固定的条件为25‑30℃,180r/min,18‑24h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述酶在所述培养液中的浓度为0.5‑
10mg/mL;所述酶为漆酶、过化氢酶、蛋白酶、纤维素酶和木质素酶中的至少一种;所述水溶性高分子化合物溶液为1.5‑3g/L的水溶性高分子化合物PBS缓冲溶液;所述水溶性高分子化合物为聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙二醇、羧甲基纤维素和聚乙烯醇中的一种;所述培养液与所述水溶性高分子化合物溶液的体积比为1:2‑4;所述磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒在所述交联剂‑酶混合缓冲液中质量浓度为3%‑12%;所述振荡混匀前先超声分散3‑5min;所述振荡混匀的条件为25℃,180r/min振荡混匀2‑8h。
7.一种根据权利要求1‑6任一项所述的制备方法制备得到的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭。
8.如权利要求7所述的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭在修复垃圾污染土壤中的应用。
9.一种垃圾污染土壤修复方法,其特征在于,通过权利要求7所述的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭与垃圾污染土壤混匀来实现垃圾污染土壤的修复。
10.根据权利要求9所述的垃圾污染土壤修复方法,其特征在于,所述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭的添加量为所述垃圾污染土壤质量的0.5%‑5%。

说明书全文

一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭修复垃圾污染土壤的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及垃圾污染土壤原位修复技术领域,特别是涉及一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭修复垃圾污染土壤的方法。

背景技术

[0002] 塑料及其制品的广泛使用加剧了塑料废弃物的产生,塑料垃圾非正规堆放或填埋引起的周边土壤环境污染问题也日益严峻。目前对塑料垃圾的处理大多采用填埋、焚烧、再加工等,但处理成本高,且会产生一些有毒有害气体及残渣,对环境产生二次污染。此外不当的处理方式会产生一类新兴污染物——微塑料。塑料垃圾的长期赋存会引起双酚类(BPs)、邻苯二甲酸酯类(PAEs)和苯并三唑类紫外光稳定剂(BUVSs)等塑料添加剂的释放迁移,给环境带来不可预知的生态险。此外,越来越多的新污染物逐渐在垃圾污染环境中被检出,其中多环芳、抗生素等有机污染物在垃圾污染环境中出现频次较高。关于新污染物在垃圾污染环境中的去除将成为未来垃圾污染物研究领域的一大热点。
[0003] 而目前的处理技术更多的是针对单一的塑料吸附,或者单一的有机污染物降解去除,综合性考虑的技术较少,因此,探究一种兼具塑料降解和有机污染物去除的原位土壤修复技术具有重要意义,同时找到一种可以同时实现塑料废弃物的绿色环保、高效资源化,以及污染物有效处理的技术也至关重要。

发明内容

[0004] 基于上述内容,本发明提供一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭修复垃圾污染土壤的方法。本发明以塑料垃圾为原材料制备磁性塑料垃圾炭,同时将从塑料垃圾表面富集驯化得到的强塑料降解能的功能菌群通过吸附固定至塑料垃圾炭上,再通过溶性高分子化合物的胶体保护作用将功能菌培养液和酶包埋固定,获得菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭颗粒,将其应用于垃圾污染土壤的原位修复,以解决垃圾污染土壤中塑料的难降解以及污染物释放的迁移去除问题。
[0005] 为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
[0006] 本发明技术方案之一,一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭的制备方法,包括以下步骤:
[0007] 将垃圾污染土壤中塑料垃圾碎片粉碎,得到塑料颗粒;
[0008] 将所述塑料颗粒加入到溶液中,加热处理,之后热解,得到多孔塑料垃圾炭;
[0009] 将所述多孔塑料垃圾炭与纳米磁粉混合置于水中吸附,得到磁性塑料垃圾炭;
[0010] 利用LB液体培养基富集培养垃圾污染土壤中塑料表面的降解菌,之后转接至无机盐基础培养基中,转接驯化3‑5次,得到功能菌液;
[0011] 将所述功能菌液接种于LB液体培养基中,同时加入所述磁性塑料垃圾炭进行生物的扩大培养和吸附固定,之后固液分离得到固体和培养液;所述固体经冷冻干燥得到磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒;
[0012] 所述培养液中加入酶以及水溶性高分子化合物溶液混匀得到交联剂‑酶混合缓冲液;
[0013] 将所述交联剂‑酶混合缓冲液与所述磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒振荡混匀,冷冻干燥,得到所述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭。
[0014] 本发明技术方案之二,一种根据上述的制备方法制备得到的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭。
[0015] 本发明技术方案之三,上述的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭在修复垃圾污染土壤中的应用。
[0016] 本发明技术方案之四,一种垃圾污染土壤修复方法,通过上述的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭与垃圾污染土壤混匀来实现垃圾污染土壤的修复。
[0017] 本发明公开了以下技术效果:
[0018] 从塑料表面富集驯化强塑料降解能力的微生物菌群,可最大限度地实现塑料的高效分解。但微生物和酶均存在回收难、易失活等问题,使其在实际应用中受限,而固定化技术可以将功能菌和酶固定到吸附材料上,再通过包埋交联作用有效维持微生物的数量和活性,改善增强其稳定性,同时还能实现重复性利用,从而降低使用成本。磁性炭具有良好的磁性和高比表面积,能够有效吸附和固定化酶。通过将酶固定在磁性炭材料上,不仅可以提高酶的稳定性和重复利用性,而且方便在土壤中施加和回收利用。塑料是主体骨架为的有机聚合物,具有密度低、孔隙丰富、比表面积高的特点,高碳组分含量的塑料垃圾可成为理想的炭化材料。通过将废弃塑料转化为磁性炭材料,不仅可以实现废弃物的再利用,还可以利用磁性炭的特性,如高表面积和磁性,来固定酶和微生物。
[0019] 相较于物理化学处理技术,微生物降解和酶催化生物修复技术安全友好、稳定高效,在污染物处理中最具发展前景。酶是一种对有机物具有高效催化和特异性反应能力的生物催化剂,可分解塑料、纤维素、塑化剂等难以降解的有机污染物,产生对环境更为无害的分解产物,从而降低其对环境的影响。菌酶协同修复能够将功能菌群与酶制剂的催化降解作用有机结合,提高降解效率;还可调节环境微生态平衡,增加菌酶复合物在环境中的适应性。本发明的优势在于通过菌酶共固定化方式提高对垃圾污染土壤中塑料、塑料添加剂等有机污染物的生物催化降解,同时还能吸附污染土壤中的微塑料。本技术方法简单易行,重复利用性和修复效率高,能实现废弃塑料的高效降解和资源化利用,在解决塑料污染和资源回收方面具有环保和经济效益。附图说明
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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的附图。
[0021] 图1为本发明菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭制备及利用其修复垃圾污染土壤的工艺流程图

具体实施方式

[0022] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0023] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值,以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0024] 除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
[0025] 在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
[0026] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
[0027] 本发明第一方面提供一种菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭的制备方法,包括以下步骤:
[0028] 将垃圾污染土壤中塑料垃圾碎片粉碎,得到塑料颗粒;
[0029] 将所述塑料颗粒加入到碱溶液中,加热处理,之后热解,得到多孔塑料垃圾炭;
[0030] 将所述多孔塑料垃圾炭与纳米磁粉混合置于氨水中吸附,得到磁性塑料垃圾炭;
[0031] 利用LB液体培养基富集培养垃圾污染土壤中塑料表面的降解菌,之后转接至无机盐基础培养基中,转接驯化3‑5次,得到功能菌液;
[0032] 将所述功能菌液接种于LB液体培养基中,同时加入所述磁性塑料垃圾炭进行微生物的扩大培养和吸附固定,之后固液分离得到固体和培养液;所述固体经冷冻干燥得到磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒;
[0033] 所述培养液中加入酶以及水溶性高分子化合物溶液混匀得到交联剂‑酶混合缓冲液;
[0034] 将所述交联剂‑酶混合缓冲液与所述磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒振荡混匀,冷冻干燥,得到所述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭。
[0035] 在本发明优选的实施方式中,所述LB液体培养基的组成为:胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L和水1000mL,pH为7.2‑7.4。
[0036] 在本发明优选的实施方式中,所述无机盐基础培养基的组成为:塑料垃圾碎片5‑10g/L、硝酸铵1.0g/L、磷酸二氢0.4g/L、氯化钠1.2g/L、碳酸0.2g/L、七水硫酸镁0.2g/L、复合维生素0.1g/L和水1000mL,pH7.2‑7.4。
[0037] 在本发明优选的实施方式中,将垃圾污染土壤中塑料垃圾碎片粉碎过50‑200目筛,得到塑料颗粒。
[0038] 在本发明优选的实施方式中,所述塑料颗粒与所述碱溶液的质量体积比为1:1.5‑4(w/v);所述碱溶液为质量浓度10%的KOH溶液;所述加热处理具体为45‑60℃超声加热1‑
2h;所述加热处理后、热解前还包括过滤水洗、干燥的步骤;所述热解具体为N2环境350‑650℃热解1‑4h;所述热解后还包括冷却研磨过50‑200目筛的步骤。
[0039] 碱溶液的作用主要是,去除塑料颗粒表面杂质、促进颗粒表面不规则轻度腐蚀(提高颗粒比表面积)、增强塑料颗粒的结构稳定性;碱溶液添加量超出上述记载范围,碱溶液对塑料表面形貌、化学特性有较大损害,造成部分塑料降解或严重脆化;或塑料颗粒表面改性效果不理想。
[0040] 超声加热的目的是加快反应,促进塑料颗粒表面均匀腐蚀。
[0041] 热解的目的是促进塑料颗粒的碳化,增加材料孔隙结构,并进一步提高材料结构的稳定性。
[0042] 在本发明优选的实施方式中,所述氨水的质量浓度为5%;
[0043] 氨水,作为弱碱性溶液,起催化作用。氨水浓度过高会破坏磁性结构;过低的话催化作用不强、得到的磁性产物磁性不足。本领域常用的其他碱性物质比如氢化钠等其催化效果较差,不适用于本发明。
[0044] 在本发明优选的实施方式中,所述多孔塑料垃圾炭与纳米磁粉的质量比为1‑3:1;;所述纳米磁粉为零价Fe、Fe2O3和Fe3O4中的至少一种;所述吸附具体为25℃、180r/min条件下吸附8‑12h;所述吸附前还包括超声分散1‑5min的步骤。
[0045] 多孔塑料垃圾炭与纳米磁粉的质量比限定为1‑3:1的原因为:纳米磁粉添加量过少,会导致合成材料的磁性不足,影响后期修复回收利用;纳米磁粉过多,会导致合成材料吸附性能及催化降解性能显著下降。
[0046] 在本发明优选的实施方式中,所述富集培养的条件为30℃,180r/min,24h;利用LB液体培养基富集培养垃圾污染土壤中塑料表面的降解菌得到的菌液按体积浓度1%‑5%转接至无机盐基础培养基中;所述无机盐基础培养基中以质量浓度0.5%‑1%的塑料垃圾碎片作为唯一碳源;该塑料垃圾碎片与富集培养垃圾污染土壤中塑料表面的降解菌所用的塑料为同一来源;所述驯化的条件为30℃,180r/min,5‑10d/次。
[0047] 在本发明优选的实施方式中,将所述功能菌液按体积浓度5%‑10%接种于LB液体培养基中;所述磁性塑料垃圾炭在所述LB液体培养基中的质量浓度为5%‑15%;所述微生物的扩大培养和吸附固定的条件为25‑30℃,180r/min,18‑24h;
[0048] 微生物的扩大培养和吸附固定的条件限定为上述参数范围的原因为:超出上述范围将导致磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒结构不稳定或吸附‑降解效果不理想。
[0049] 在本发明优选的实施方式中,所述酶为漆酶、过氧化氢酶、蛋白酶、纤维素酶和木质素酶中的至少一种;所述酶在所述培养液中的浓度为0.5‑10mg/mL;向所述培养液中加入酶之前先将所述培养液在水浴超声破碎3‑5min;所述水溶性高分子化合物溶液为1.5‑3g/L的水溶性高分子化合物PBS缓冲溶液;所述水溶性高分子化合物为聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙二醇、羧甲基纤维素和聚乙烯醇中的一种;所述培养液与所述水溶性高分子化合物溶液的体积比为1:2‑4;所述磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒在所述交联剂‑酶混合缓冲液中质量浓度为3%‑12%;所述振荡混匀前先超声分散3‑5min;所述振荡混匀的条件为
25℃,180r/min振荡混匀2‑8h;所述振荡混匀后、冷冻干燥前还包括过滤水洗的步骤。
[0050] 酶的用量、磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒的用量限定为上述参数的原因为:超出上述范围将导致菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭的结构不稳定或吸附‑降解效果不理想。
[0051] 本发明第二方面提供一种根据上述的制备方法制备得到的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭。
[0052] 本发明第三方面提供上述的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭在修复垃圾污染土壤中的应用。
[0053] 本发明第四方面提供一种垃圾污染土壤修复方法,通过上述的菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭与垃圾污染土壤混匀来实现垃圾污染土壤的修复。
[0054] 在本发明优选的实施方式中,所述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭的添加量为所述垃圾污染土壤质量的0.5%‑5%;修复的周期为2‑6个月。
[0055] 本发明中所述的“%”,如无特殊说明,均表示质量百分数。
[0056] 本发明实施例以及对比例中所用原材料,如无特殊说明,均可通过市售途径获得。
[0057] 本发明实施例中所用LB液体培养基的组成为:胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L和水1000mL,pH为7.2‑7.4。
[0058] 本发明实施例中所用无机盐基础培养基的组成为:塑料垃圾碎片5‑10g/L、硝酸铵1.0g/L、磷酸二氢钾0.4g/L、氯化钠1.2g/L、碳酸钙0.2g/L、七水硫酸镁0.2g/L、复合维生素
0.1g/L和水1000mL,pH7.2‑7.4。
[0059] 本发明实施例中所用纳米Fe3O4磁粉的粒径为20‑50nm。
[0060] 本发明实施例中所用纳米Fe2O3磁粉的粒径为20‑50nm。
[0061] 本发明实施例中所用纳米零价的粒径为20‑30nm。
[0062] 本发明实施例以及对比例中所述的垃圾污染表层土、垃圾污染土壤均为同一来源的垃圾污染土壤。
[0063] 本发明菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭制备及利用其修复垃圾污染土壤的工艺流程图如图1所示。
[0064] 实施例1
[0065] (1)采集垃圾污染表层土壤(厚度≤30cm),收集污染土中的较大塑料垃圾碎片,洗净烘干后进行粉碎,过100目筛,得到塑料颗粒。
[0066] 另外挑选垃圾污染土壤中老化破损严重的塑料垃圾,用LB液体培养基进行塑料降解菌的富集培养(30℃,180r/min,24h),再将其按5%(v/v)转接至添加1%(w/v)的洗净干燥的塑料垃圾碎片作为唯一碳源的无机盐基础培养基中,驯化得到含有强塑料降解能力的功能菌液(30℃,180r/min,7d/次,转接驯化5次)。
[0067] (2)将上述塑料颗粒,按1:3(w/v)比例加入到10%KOH溶液中,45℃超声加热2h后,过滤水洗再60℃干燥。然后将干燥后的塑料颗粒在N2环境下400℃高温热解2.5h,冷却研磨过筛(100目),制备得到多孔塑料垃圾炭。
[0068] (3)将上述所得多孔塑料垃圾炭与纳米Fe3O4磁粉按质量比混合(质量比1:1),置于5%氨水溶液中超声分散5min后,25℃,180r/min混合吸附8h,磁力回收得到磁性塑料垃圾炭。
[0069] (4)将步骤(1)中驯化所得功能菌液按10%(v/v)接种于LB液体培养基中,同时加入10%(w/v)的磁性塑料垃圾炭进行微生物的扩大培养和吸附固定(30℃,180r/min,24h),固液分离得到固体和培养液,固体经冷冻干燥得到磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒。
[0070] (5)步骤(4)所得培养液在冰水浴超声破碎3min后添加8mg/mL漆酶,再与含2g/L的聚丙烯酰胺PBS缓冲溶液(0.1M,pH7)按体积比1:3混合均匀,得到交联剂‑酶混合缓冲液。向上述交联剂‑酶混合缓冲液中加入10%(w/v)的磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒,超声分散5min后,25℃,180r/min,振荡混匀8h,过滤水洗,冷冻干燥得到菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0071] (6)将上述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭按施加比例为3.5%(w/w)与垃圾污染表层土混合,利用翻土设备充分混匀,以3个月为周期进行垃圾污染土壤修复。从微塑料大小、添加剂浓度、土壤改良等方面评估污染土壤处理效果。结果见表1。
[0072] 实施例2
[0073] (1)同实施例1的(1)。
[0074] (2)将上述塑料颗粒,按1:4(w/v)比例加入10%KOH溶液,50℃超声加热1.5h后,过滤水洗再60℃干燥。然后将干燥后的塑料颗粒在N2环境下600℃高温热解1.5h,冷却研磨过筛(100目),制备得到多孔塑料垃圾炭。
[0075] (3)将上述所得多孔塑料垃圾炭与纳米零价铁粉按质量比混合(质量比2:1),置于5%氨水溶液中超声分散5min后,25℃,180r/min混合吸附8h,磁力回收得到磁性塑料垃圾炭。
[0076] (4)后续步骤同实施例1。
[0077] 实施例3
[0078] (1)‑(2)同实施例1的(1)‑(2)。
[0079] (3)将上述所得多孔塑料垃圾炭与纳米Fe2O3磁粉按质量比混合(质量比2:1),置于5%氨水溶液中超声分散5min后,25℃,180r/min混合吸附10h,磁力回收得到磁性塑料垃圾炭。
[0080] (4)将步骤(1)中驯化所得功能菌液按10%(v/v)接种于LB液体培养基中,同时加入10%(w/v)的磁性塑料垃圾炭进行微生物的扩大培养和吸附固定(30℃,180r/min,24h),固液分离得到固体和培养液,固体经冷冻干燥得到磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒。
[0081] (5)步骤(4)所得培养液在冰水浴超声破碎3min后添加10mg/mL纤维素酶,再与含2g/L的聚乙烯醇PBS缓冲溶液(0.1M,pH7)按体积比1:4混合均匀,加入10%(w/v)的磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒,超声分散5min后,25℃,180r/min,振荡混匀8h,过滤水洗,冷冻干燥得到菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0082] (6)步骤同实施例1的(6)。
[0083] 实施例4
[0084] (1)‑(3)同实施例1的(1)‑(3)。
[0085] (4)将步骤(1)中驯化所得功能菌液按7%(v/v)接种于LB液体培养基中,同时加入14%(w/v)的磁性塑料垃圾炭进行微生物的扩大培养和吸附固定(30℃,180r/min,24h),固液分离得到固体和培养液,固体经冷冻干燥得到磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒。
[0086] (5)步骤(4)所得培养液在冰水浴超声破碎3min后添加5mg/mL漆酶,再与含2g/L的聚丙烯酰胺PBS缓冲溶液(0.1M,pH7)按体积比1:2混合均匀,得到交联剂‑酶混合缓冲液。向上述交联剂‑酶混合缓冲液中加入10%(w/v)的磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒,超声分散5min后,25℃,180r/min,振荡混匀6h,过滤水洗,冷冻干燥得到菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0087] (6)将上述菌酶共固定化磁性塑料垃圾炭按施加比例为1.5%(w/w)与垃圾污染表层土混合,利用翻土设备充分混匀,以5个月为周期进行垃圾污染土壤修复。
[0088] 结果见表1。
[0089] 对比例1(不添加漆酶)
[0090] 与实施例1不同之处仅在于:步骤(5)将以上磁性塑料垃圾炭固定化微生物颗粒按10%(w/v)添加至含2g/L的聚丙烯酰胺PBS缓冲溶液(0.1M,pH7)混合,超声分散5min后,25℃,180r/min,振荡混匀8h,过滤水洗,冷冻干燥得到菌固定化磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0091] 其余步骤均与实施例1相同。结果见表1。
[0092] 对比例2(不添加菌)
[0093] (1)采集垃圾污染表层土壤(厚度≤30cm),收集污染土中的较大塑料垃圾碎片,洗净烘干后进行粉碎,过100目筛,得到塑料颗粒。
[0094] (2)将上述塑料颗粒,按1:3(w/v)比例加入10%KOH溶液,45℃超声加热2h后,过滤水洗再60℃干燥。然后将干燥后的塑料颗粒在N2环境下400℃高温热解2.5h,冷却研磨过筛(100目),制备得到多孔塑料垃圾炭。
[0095] (3)将上述所得塑料垃圾炭与纳米Fe3O4磁粉按质量比混合(质量比1:1),置于5%氨水溶液中超声分散5min后,25℃,180r/min混合吸附8h,磁力回收得到磁性塑料垃圾炭。
[0096] (4)将以上磁性塑料垃圾炭颗粒按10%(w/v)与添加了8mg/mL漆酶的含2g/L的聚丙烯酰胺PBS缓冲溶液(0.1M,pH7)混合,超声分散5min后,25℃,180r/min,振荡混匀8h,过滤水洗,冷冻干燥得到固定化酶磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0097] (5)将上述固定化酶磁性塑料垃圾炭按施加比例为3.5%(w/w)与垃圾污染表层土混合,其余步骤同实施例1的(6)。结果见表1。
[0098] 对比例3(不添加菌酶)
[0099] (1)采集垃圾污染表层土壤(厚度≤30cm),收集污染土中的较大塑料垃圾碎片,洗净烘干后进行粉碎,过100目筛,得到塑料颗粒。
[0100] (2)将上述塑料颗粒,按1:3(w/v)比例加入10%KOH溶液,45℃超声加热2h后,过滤水洗再60℃干燥。然后将干燥后的塑料颗粒在N2环境下400℃高温热解2.5h,冷却研磨过筛(100目),制备得到多孔塑料垃圾炭。
[0101] (3)将上述所得塑料垃圾炭与纳米Fe3O4磁粉按质量比混合(质量比1:1),置于5%氨水溶液中超声分散5min后,25℃,180r/min混合吸附8h,磁力回收得到磁性塑料垃圾炭。
[0102] (4)将以上磁性塑料垃圾炭颗粒按10%(w/v)与含2g/L的聚丙烯酰胺PBS缓冲溶液(0.1M,pH7)混合,超声分散5min后,25℃,180r/min,振荡混匀8h,过滤水洗,冷冻干燥,得到冷冻干燥后的磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0103] (5)将上述冷冻干燥后的磁性塑料垃圾炭按施加比例为3.5%(w/w)与垃圾污染表层土混合,其余步骤同实施例1的(6)。结果见表1。
[0104] 对比例4
[0105] 与实施例1不同之处仅在于,省略磁性塑料垃圾炭的制备,将磁性塑料垃圾炭替换为生物质炭,该生物质炭的制备方法如下:将废弃生物质木屑粉碎后,在氮气环境下500℃高温煅烧2h,研磨过筛得到粒径<100μ0的木屑生物质炭。
[0106] 对比例5(添加菌酶,但不固定化)
[0107] 与实施例1不同之处仅在于:
[0108] (4)将步骤(1)中驯化所得功能菌液按10%(v/v)接种于LB液体培养基中,30℃,180r/min,24h扩大培养后经冷冻干燥,与10%(w/v)的磁性塑料垃圾炭混合,得到菌‑磁性塑料垃圾炭混合物。
[0109] (5)步骤(4)所得菌‑磁性塑料垃圾炭混合物中加入8mg/mL漆酶,25℃,180r/min,振荡混匀8h,过滤水洗,冷冻干燥得到菌酶‑磁性塑料垃圾炭,4℃保存备用。
[0110] 其余步骤均与实施例1相同。
[0111] 对比例6
[0112] (1)采集PE、PP、PVC等材质的塑料垃圾若干,富集塑料表面的微生物;以PE、PP和PVC中至少一种为唯一碳源的选择性无机盐培养基中富集得到具有塑料降解能力的功能菌群,降解塑料重量减少10%以上。将上述微生物菌液沉淀5000rpm离心10min后,用无菌去离子水重悬菌体,得到菌悬液(OD600为0.8)。
[0113] (2)将废弃生物质木屑粉碎后,在氮气环境下500℃高温煅烧2h,研磨过筛得到粒径<100μ0的木屑生物质炭。
[0114] (3)将上述木屑生物质炭与上述菌悬液按质量比1:10混合,于15℃,150r/min振荡8h进行混合吸附,再经冷冻、干燥,研磨得到微生物固定化生物质炭(粒径<100μ0)。将上述微生物固定化生物质炭(1%,w/w)添加至含1.5%(w/w)羧甲基纤维素和1.5%(w/w)海藻酸钠的混合溶液中,搅拌均匀,将其缓慢滴加至2%氯化钙溶液中,交联16h,得到固定化颗粒。
将上述固定化颗粒用去离子水冲洗3次后,低温干燥,得到生物质炭基微生物固定化颗粒。
[0115] (4)垃圾污染土壤修复效果实验:将上述生物质炭基微生物固定化颗粒按1.5%(w/w)均匀添加至垃圾污染土壤中,利用翻土设备充分混匀,静置处理3个月。通过密度浮选法和显微观察分析检测土壤中不同粒径微塑料的丰度占比来评判处理效果。结果见表1。
[0116] 表1不同实施例处理垃圾污染土壤的修复效果
[0117]
[0118] 从表1可知,基于废弃塑料制备得到的菌酶共固定化塑料垃圾炭材料能有效实现塑料残片的降解,减少土壤中微塑料的数量。从表1检测结果可以看出,不同实施例对塑料2
的降解效果明显,塑料碎片(<1cm)占比由30.26%增加至38.85%‑40.45%,较大塑料碎
2 2
片(1‑5cm 和5‑10cm)占比也明显减少,分别由处理前的24.20%和15.62%降至20.52%‑
21.35%和12.98%‑13.25%。这说明了本发明的菌酶共固定化塑料垃圾炭能实现垃圾污染土壤中残留塑料碎片的降解。此外,污染土壤中的微塑料数量也发生了减少,由处理前(空白对照)的3645个/kg减少至2641‑2794个/kg,说明本发明菌酶共固定化塑料垃圾炭还能实现对污染土壤中微塑料的吸附。
[0119] 此外,本发明还能有效处理垃圾污染土壤中的有机污染物。实施例的处理结果表明:菌酶共固定化塑料垃圾炭的施用对塑料添加剂的降解率在3个月时可达到82.32%‑89.46%,较未处理污染土壤(空白对照(3个月))提高了80%以上。同时还能有效降解抗生素类和多环芳烃类污染物,对二者的降解率也在71.52%‑75.64%,较未处理污染土壤(空白对照(3个月))也提高了65%以上。
[0120] 与对比例3(不添加菌酶)相比,无论是单一添加酶(对比例2)和单一添加菌(对比例1),甚至于添加菌酶、但不固定化(对比例5),本发明得到的固定化塑料垃圾炭材料均能提升对塑料碎片的降解和对微塑料的吸附,同时对有机污染物的降解率也较对比例3最高提高了60%以上。菌酶共固定化塑料垃圾炭的施用(实施例1‑4)与对比例3相比,在塑料降解吸附、有机污染物降解上均有明显效果,尤其是有机污染物降解率,最高提升了70%。说明本发明能同时有效地实现垃圾污染土壤中的塑料降解和有机污染物去除。
[0121] 对于有机物的降解,对比例1(单一添加菌)与对比例2(单一添加酶)的降解率之和,小于了实施例1中的降解率;这表明本发明的效果并非是菌+漆酶单纯的叠加作用,还起到协同增强作用。
[0122] 与对比例6相比,本发明实施例对塑料的降解效果基本相当,但对塑料添加剂降解、抗生素降解、多环芳烃降解效率上均得到极大提升。
[0123] 实施例5
[0124] 与实施例1不同之处在于:步骤(6)中,进行3个月污染土壤修复后,回收固定化塑料垃圾炭:取垃圾污染土壤加水(土的1.5倍),磁棒搅拌回收多次直至无吸附。将回收后的固定化塑料垃圾炭颗粒再按同样的施用比例和步骤用于同一来源的垃圾污染土壤修复。重复修复步骤5次。对比修复效果,结果见表2。
[0125] 表2菌酶共固定化塑料垃圾炭多次修复垃圾污染土壤指标检测结果
[0126]
[0127]
[0128] 从表2处理效果来看,随着回收利用的次数增加,处理效果也有所降低,但是该菌酶共固定化塑料垃圾炭在回收利用5次后,仍然能实现一定程度的塑料降解和吸附,且有机污染物降解率达到50%以上。另外固体颗粒的回收率首次能达到95.15%,使用5次后也能达到78.94%。说明本发明所制备的菌酶共固定化塑料垃圾炭能实现多次回收再利用。
[0129] 磁性颗粒回收率=回收后的菌酶共固定化塑料垃圾炭颗粒质量/使用前的菌酶共固定化塑料垃圾炭颗粒质量×100%;
[0130] 塑料残片大小占比=塑料残片数量/总塑料残片数量×100%;
[0131] 塑料添加剂降解率=(处理前塑料添加剂浓度‑处理后塑料添加剂浓度)/处理前塑料添加剂浓度×100%;
[0132] 抗生素降解率=(处理前抗生素浓度‑处理后抗生素浓度)/处理前抗生素浓度×100%;
[0133] 多环芳烃降解率=(处理前多环芳烃浓度‑处理后多环芳烃浓度)/处理前多环芳烃浓度×100%。
[0134] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
QQ群二维码
意见反馈