一种降解污染物的白腐真菌复合材料及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN202311866156.3 | 申请日 | 2023-12-28 | 公开(公告)号 | CN117821440A | 公开(公告)日 | 2024-04-05 |
| 申请人 | 成都理工大学; | 发明人 | 刘世宾; 向春雨; 田琳; 黄文斌; 李博文; 王朋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于降解材料制备技术领域，具体涉及一种降解污染物的白腐 真菌 复合材料 及其制备方法和应用。该复合材料的原料包括 磁性 生物 炭 、白腐真菌、包被剂和交联剂。该复合材料具有微球结构，通过 生物降解 可以将污染物，如苯胺、多环芳 烃 等转化为无害的代谢产物，将真菌固定在该微球结构，增强了真菌的 稳定性 和降解能 力 ，减少了对环境和 生物多样性 的不良影响，生存周期长，该复合材料不易受到环境 波动 的影响，易于回收，能够耐受较高的毒性物质浓度和 温度 变化，在废 水 处理 、生物降解、药物生产、 土壤 修复、 生物反应器 设计等生态 环境工程 领域应用广泛。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种降解污染物的白腐真菌复合材料，其特征在于，其原料包括磁性生物炭、白腐真菌、包被剂和交联剂。 |
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| 说明书全文 | 一种降解污染物的白腐真菌复合材料及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于降解材料制备技术领域，具体涉及一种降解污染物的白腐真菌复合材料及其制备方法和应用。 背景技术[0003] 对于水环境中苯胺的处理方法一般有物理法和化学法，如萃取、化学氧化等。然而这些方法会形成有害副产物，也不具有成本效益。微生物降解法具有成本低、操作简便、处理效果好、无二次污染等特点，逐渐成为优选方案。然而，在实际污染修复过程中，微生物的活性通常受外界环境，如pH、重金属、温度、其他生物(如致病菌、病毒、有害物质等)的影响，使得其污染物降解性能变差。微生物固定化技术对微生物进行了强化，可以固定特征降解微生物，提高微生物的数量，增强微生物的活性，加快污染物降解的反应速度，从而提高污染物的降解效率，提高其在实际应用过程中的稳定性和环境耐受性。 发明内容[0005] 因此，本发明要解决的技术问题在于如何绿色无害化地降解水体和土壤环境中的污染物，如苯胺、多环芳烃等，提高降解效率，从而提供了一种降解污染物的白腐真菌复合材料及其制备方法和应用。 [0006] 为此，本发明提供了以下技术方案。 [0008] 所述白腐真菌为黄孢原毛平革菌。 [0009] 所述包被剂为海藻酸钠、明胶或壳聚糖； [0011] 所述污染物为苯胺、多环芳烃、重金属或合成染料； [0012] 优选地，所述污染物为苯胺。 [0013] 本发明第二方面提供了一种降解污染物的白腐真菌复合材料的制备方法，包括以下步骤： [0014] (1)磁性生物炭和含白腐真菌的菌液混合，得到混合液； [0015] (2)将步骤(1)得到的混合液与包被剂溶液混合，然后再与交联剂溶液混合进行交联反应。 [0016] 优选地，交联反应的时间为6‑18h。 [0017] 所述含白腐真菌的菌液的OD600＝1.0； [0018] 优选地，所述磁性生物炭的质量(g)与所述含白腐真菌的菌液的体积(ml)的比值为(0.2‑0.6):(20‑40)。 [0019] 所述步骤(2)，所述混合液、所述包被剂溶液和所述交联剂溶液的体积比为(20‑50):(50‑80):(100‑1000)； [0020] 优选地，所述包被剂溶液中包被剂的浓度为3‑5g/100ml； [0021] 优选地，所述交联剂溶液中交联剂的浓度为2‑7g/100ml。 [0022] 所述磁性生物炭的制备步骤包括： [0024] 对所述沉淀物进行烧结。 [0025] 所述烧结具体包括：以5‑20℃/min的速率升温至300‑700℃后保温2‑4h；可选的，在进行烧结时，初始温度为室温。 [0026] 优选地，所述亚铁盐和铁盐的摩尔比为(1‑3):1； [0027] 优选地，所述沉淀反应是在pH为11‑12的条件下进行的。 [0028] 所述磁性生物炭的制备步骤具体包括：生物质、亚铁盐与铁盐混合，在室温条件下加入碱液调节pH至11‑12，搅拌2h，进行沉淀反应得到沉淀物，过滤，干燥，研磨，烧结，洗涤至中性后，再次干燥，得到磁性生物炭。 [0029] 其中，亚铁盐与铁盐的总质量和生物质的质量的比值为(0.48‑0.96):(0.5‑1)。 [0031] 可选的，干燥的温度可以为50‑70℃间的任意数值，例如60℃；干燥的时间可以为12h等，对此不作具体限定，只要完成干燥即可。 [0032] 铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁等；亚铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸亚铁等。生物质可以为林业废弃物、农业副产品、动物废弃物、城市有机废弃物、水生植物、能源作物等，如木屑、秸秆、树枝、稻壳、玉米芯、花生壳、椰壳、咖啡渣、橄榄渣、葡萄渣、家禽粪便、牛粪、厨余垃圾、水葫芦、藻类、甘蔗渣、能源草等。 [0033] 本发明第三方面提供了一种上述降解污染物的白腐真菌复合材料或上述制备方法制得的降解污染物的白腐真菌复合材料在水体污染或土壤污染中的应用。 [0034] 本发明技术方案，具有如下优点： [0035] 1.本发明提供的降解污染物的白腐真菌复合材料，其原料包括磁性生物炭、白腐真菌、包被剂和交联剂。该复合材料具有微球结构，通过生物降解可以将污染物，如苯胺、多环芳烃等转化为无害的代谢产物，将真菌固定在该微球结构，增强了真菌的稳定性和降解能力，减少了对环境和生物多样性的不良影响，生存周期长，可回收利用，该复合材料不易受环境波动的影响，能够耐受较高的毒性物质浓度和温度变化，在废水处理、生物降解、药物生产、土壤修复、生物反应器设计等生态环境工程领域应用广泛。磁性生物炭和白腐真菌，尤其是黄孢原毛平革菌，可以发挥各自的优点，实现协同效应，磁性生物炭提供了大量的吸附和催化降解位点，具有较大的接触面积，可以有效地吸附污染物，尤其是苯胺；白腐真菌通过其复杂的酶系统和产生的自由基，能有效地降解污染物，该过程包括了多种酶催化的氧化反应和自由基介导的非特异性反应，可以无害化破坏污染物的结构，具有高效降解废物和污染物的能力，将其固定在复合材料的球结构上，可以增强其在环境中的存活和降解能力，具有较长的生存周期，不易受到环境波动的影响，能够耐受较高的毒性物质浓度和温度变化，实现更高效的治理效果，磁性生物炭和白腐真菌配合作用可以增强真菌降解污染物的效果。 [0036] 进一步地，该复合材料还具有较好的可控性和可回收性，磁性生物炭具有磁性特性，可通过外加磁场进行控制，使真菌复合材料在污染源处定向固定，提高白腐真菌小球对污染物的降解效率，减少白腐真菌在环境中的扩散风险，提高降解效率；本发明通过利用复合材料微球的独特结构，可以调控微球的物理和化学性质，从而有效控制真菌菌丝的生长及其代谢产物的释放。该发明赋予了微球可调节释放特性，使得代谢产物的释放速率和量可以根据需要进行调整，以满足特定的应用要求。磁性生物炭的磁性还可以实现对复合材料的快速回收和再利用，降低处理成本。 [0037] 本发明提供的降解污染物的白腐真菌复合材料可以用于液相或固相中的污染物，如苯胺、多环芳烃、重金属和合成染料等的处理，例如废水、土壤修复等。对于不同类型的污染物具有较好的降解效率。 [0038] 2.本发明提供的降解污染物的白腐真菌复合材料，白腐真菌优选黄孢原毛平革菌，能够有效地分解木质素和纤维素。以氯化钙、硫酸铵、硝酸钙或磷酸钙作为交联剂，可以增加生物炭的比表面积和孔隙体积，从而提高吸附能力，增强生物炭的物理强度，使其更加稳定和耐用；这些交联剂还可以增强生物炭的化学稳定性，使其在不同的化学环境中更加稳定，减少化学腐蚀或者分解，优化磁性生物炭的磁性，使生物炭可以通过外部磁场更容易地分离和回收。 [0039] 3.本发明提供的降解污染物的白腐真菌复合材料的制备方法，该方法制得的复合材料具有微球结构，通过固定化技术将真菌固定在微球结构中，使真菌与磁性生物炭能够协同作用，发挥各自的优点，并提高真菌的稳定性，使其更好的发挥降解能力，该复合材料可以用于液相或固相苯胺的污染处理，不会产生有害副产物，对环境产生不利影响。附图说明 [0040] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。 [0041] 图1是本发明试验例中苯胺浓度和峰面积的线性关系图； [0042] 图2是本发明实施例1复合材料在不同时间下的降解效率； [0043] 图3是本发明实施例1进行多次重复实验后的降解效率。 具体实施方式[0044] 提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。 [0045] 实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。 [0046] 实施例1 [0047] 本实施例提供了降解污染物的白腐真菌复合材料的制备方法，包括以下步骤： [0048] (1)磁性生物炭的制备 [0049] 秸秆风干并研磨至＜2mm，备用。FeSO4和FeCl3按照摩尔比2:1的比例混合，将其制2+ 成Fe 摩尔浓度为0.1mol/L混合液，在室温条件下取400ml混合液，使其与10g秸秆充分混合，进行磁力搅拌，使其充分混匀，然后逐滴滴加5mol/LNaOH溶液，调pH至11‑12，然后持续搅拌2h，得到沉淀物，过滤，放到60℃的干燥箱中干燥12h，然后研磨至＜2mm，再以10℃/min的速率将温度从20℃(室温)升温至700℃后保温2h，进行烧制，冷却至室温后取出，研磨过 100目筛，按固液比1:200(g/mL)，用蒸馏水洗至中性，再在60℃烘箱中干燥12h，取出，得到磁性生物炭。 [0050] (2)含黄孢原毛平革菌的菌液(OD600＝1.0)的制备 [0051] 将4℃斜面保存的Phanerochaete chrysosporium(黄孢原毛平革菌)接种在PDA平板培养基上，转至37℃恒温箱培养，3天后平板上生长出牢固的菌丝层，培养7天菌丝层表面出现大量的孢子，加入无菌磷酸盐缓冲溶液(PBS)轻轻洗刮平板，将洗下的菌液经过8层纱布过滤后就可以得到孢子液，通过4000r/min高速离心10min后取沉淀菌体，加入适量无机盐液体培养基制备成一定浓度的菌悬液，利用酶标仪测定菌悬液于600nm处的吸光值调节至吸光度为1.0，即为接种用菌悬液，4℃保存备用，得到含黄孢原毛平革菌的菌液，备用。 [0052] 其中，PDA平板培养基：200g土豆浸出液、20g葡萄糖、20g琼脂、1.5gMgSO4·7H2O、3g KH2PO4溶于超纯水定容至总体积为1L，pH值为6.0‑6.2。磷酸盐缓冲溶液：8g NaCl、0.2g KCl、1.15g Na2HPO4、0.24g KH2PO4溶于1L超纯水中制得，pH值为7.0～7.2。无机盐液体培养基：3g K2HPO4、1.5g KH2PO4、1g(NH4)2SO4以及2mL微量元素溶液溶于超纯水中使得总体积为1L，pH值为6.0～6.2；微量元素溶液：4g MgSO4、1g CuSO4、1g MnSO4、1g FeSO4·7H2O以及g CaCl2溶于1L超纯水中制得。 [0053] (3)取5g海藻酸钠置于100ml超纯水中，在85℃水浴中加热，以180r/min的速度搅拌2h，直至溶解均匀，得到包被剂溶液。称取0.4g上述制得的磁性生物炭，备用。在121℃下对包被剂溶液、磁性生物炭以及所需的仪器进行高温灭菌30min，然后冷却至室温。 [0054] 将0.4g磁性生物炭与30ml上述含黄孢原毛平革菌的菌液混合2h，得到混合液。 [0055] 然后将该混合液与海藻酸钠溶液按照体积比1:1进行充分混合，通过蠕动泵将其滴入交联剂溶液中进行交联反应，反应时间为12h，交联剂为500mL质量浓度为50g/L的氯化钙溶液，反应结束后取出磁性生物炭‑黄孢原毛平革菌小球，用灭菌后的超纯水清洗，得到粒径为2mm左右的复合微球材料。 [0056] 实施例2 [0057] 本实施例提供了降解污染物的白腐真菌复合材料的制备方法，包括以下步骤： [0058] (1)磁性生物炭的制备 [0059] 选取咖啡渣进行磁性生物炭的制备，首先风干并研磨至＜2mm，备用。FeSO4和FeCl32+ 按照摩尔比2:1的比例混合，将其制成Fe 摩尔浓度为0.1mol/L混合液，在室温条件下取 400ml混合液，使其与10g咖啡渣充分混合，进行磁力搅拌，使其充分混匀，然后逐滴滴加 5mol/L NaOH溶液，调pH至11‑12，然后持续搅拌2h，得到沉淀物，过滤，放到60℃的干燥箱中干燥12h，然后研磨至＜2mm，再以10℃/min的速率将温度从20℃升温至500℃后保温2h，进行烧制，冷却至室温后取出，研磨过100目筛，按固液比1:200(g/mL)比例，用蒸馏水洗至中性，再在60℃烘箱中干燥12h，取出，得到磁性生物炭。 [0060] (2)含黄孢原毛平革菌的菌液(OD600＝1.0)的制备 [0061] 将4℃斜面保存的Phanerochaete chrysosporium(黄孢原毛平革菌)接种在PDA平板培养基上，转至37℃恒温箱培养，3天后平板上生长出牢固的菌丝层，培养7天菌丝层表面出现大量的孢子，加入无菌磷酸盐缓冲溶液(PBS)轻轻洗刮平板，将洗下的菌液经过8层纱布过滤后就可以得到孢子液，通过4000r/min高速离心10min后取沉淀菌体，加入适量无机盐液体培养基制备成一定浓度的菌悬液，利用酶标仪测定菌悬液于600nm处的吸光值调节至吸光度为1.0，即为接种用菌悬液，4℃保存备用，得到含黄孢原毛平革菌的菌液，备用。 [0062] 其中，PDA平板培养基、磷酸盐缓冲溶液、无机盐液体培养基、微量元素溶液同实施例1。 [0063] (3)取4g壳聚糖置于100ml超纯水中，在85℃水浴中加热，以180r/min的速度搅拌2h，直至溶解均匀，得到包被剂溶液。称取0.4g上述制得的磁性生物炭，备用。在121℃下对包被剂溶液、磁性生物炭以及所需的仪器进行高温灭菌30min，然后冷却至室温。 [0064] 将0.4g磁性生物炭与20ml上述含黄孢原毛平革菌的菌液混合2h，得到混合液。 [0065] 然后将该混合液与壳聚糖溶液按照体积比1:2进行充分混合，通过蠕动泵将其滴入交联剂溶液中进行交联反应，反应时间为12h，交联剂为500mL质量浓度为30g/L的硝酸钙溶液，反应结束后取出磁性生物炭‑黄孢原毛平革菌小球，用灭菌后的超纯水清洗，得到粒径为2mm左右的复合微球材料。 [0066] 对比例1 [0067] 本对比例提供了一种复合材料的制备方法，与实施例1的区别在于：用铜绿假单胞菌代替黄孢原毛平革菌。 [0068] 对比例2 [0069] 本对比例提供了一种复合材料的制备方法，与实施例1的区别在于，在制备生物炭时不加入FeSO4和FeCl3，其它同实施例1。 [0070] 试验例 [0071] 本试验例提供了上述实施例和对比例复合材料的性能测试，具体如下： [0072] (1)复合材料降解效率的测试方法：取1g复合材料，将其加入苯胺浓度为50mg/L的无机盐培养溶液中，然后再30℃、160r/min恒温水浴箱中进行为期7天的振荡培养，培养结束后测定培养基中苯胺的残留浓度，降解效率见表1。含苯胺的无机盐培养基溶液：49μL苯胺、3gK2HPO4、1.5gKH2PO4、1g(NH4)2SO4以及2mL微量元素溶液溶于超纯水中使得总体积为1L，pH值为6.0～6.2；微量元素溶液：4g MgSO4、1g CuSO4、1g MnSO4、1g FeSO4·7H2O以及g CaCl2溶于1L超纯水中制得。其中，降解效率通过如下方法得到： [0073] [0074] 其中，C0为苯胺的初始浓度，单位为mg/L；Ct为测试结束后苯胺的残留浓度，单位为mg/L。 [0075] Ct的具体测试方法：配置浓度为0mg/L，6.25mg/L，12.5mg/L，25mg/L，50mg/L，100mg/L的苯胺标准溶液，测定峰面积，以峰面积和浓度作图，得到标准曲线：Y＝67.118X‑ 2 125.08，X为苯胺浓度，Y为色谱峰面积，R＝0.999，如图1所示，苯胺浓度为0‑100mg/L，其浓度和峰面积具有很好的线性关系。峰面积的测试方法：取2ml样品，用正己烷定容至4ml，使用旋转振荡器振荡10min，通过4000r/min高速离心10min，用孔径为0.45μm有机相滤膜过滤，采用HP‑5色谱柱，在初始温度80℃下保持2min后，以10℃/min的速率升温至150℃保持 1min进行滤液的气相色谱测试，得到样品的峰面积。 [0076] 表1实施例和对比例复合材料的性能测试结果 [0077] 降解效率 实施例1 96.27％±0.02％ 实施例2 93.56％±2.03％ 对比例1 62.15％±1.42％ 对比例2 78.59％±1.73％ [0078] 上述结果表明：本发明提供的复合材料对于苯胺等污染物具有较好的降解效率。 [0079] (2)复合材料重复利用的测试方法：称取1.0g实施例1提供的降解污染物的白腐真菌复合材料，将其加入苯胺浓度为50mg/L的无机盐培养溶液中，然后再30℃、160r/min恒温水浴箱中进行为期7天的振荡培养。培养结束后取出复合材料，用无机培养基溶液洗涤三次去除表面残留的苯胺，然后将洗涤后的复合材料重新加入配制的苯胺浓度为50mg/L的无机盐培养溶液，在相同条件下培养7天，测试复合材料在不同时间下的降解效率，见图2，重复上述实验5次，每次结束后按照上述方法测定溶液中苯胺的残留浓度，每次苯胺的残留浓度见图3，具体降解效率分别为96.27％、87.88％、87.42％、86.30％、85.03％，说明本发明复合材料可以实现多次的循环利用，重复性好。 [0080] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 |
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