聚胺酸化學修飾菌、其製備方法及應用的製作方法
2023-12-07 04:19:06 2
專利名稱：聚胺酸化學修飾菌、其製備方法及應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及微生物科學、固相有機合成及環境科學等學科的交叉領域，更具體地說涉及聚胺酸化學修飾菌、其製備方法及應用。
背景技術：
自從上世紀70年代以來，人們對生物吸附進行了大量的研究。微生物對金屬離子的吸附機理非常複雜，其表面的官能團如巰基、羧基、羥基、氨基等，可與金屬離子結合，通過離子交換、絡合、協同、螯合、物理吸附等方式富集溶液中的金屬。微生物來源廣泛，價格低廉，與其他非生物吸附劑相比較，具有吸附快速、pH和溫度範圍寬、易於再生等優點。在實際應用過程中，既可以從廢水中回收金屬資源，也可以從自然水體中提鍊金屬，具有良好的應用前景。
然而，在實際過程中，微生物吸附劑往往由於其表面結構鬆散，機械強度差，吸附能力弱等原因，限制了其具體的應用。
發明內容
本發明的目的針對微生物直接吸附重金屬的上述缺陷，提供一種聚胺酸化學修飾菌、其製備方法及應用，該方法製備聚胺酸化學修飾菌的原料易得，價格低廉，操作快速簡便，不需要苛刻的實驗條件。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術措施一種聚胺酸化學修飾菌，其特徵在於所述的聚胺酸化學修飾菌由下述方法製備(a)將滅活幹菌加入到質量比為1～10％的交聯劑的水溶液中，振蕩10-20小時後，洗滌，乾燥，得交聯菌；(b)將二酐及二胺類物質溶於N，N-二烷基醯胺中，室溫攪拌反應1-2小時，再將前述的交聯菌加入到上述N，N-二烷基醯胺溶液中，在40-50℃攪拌反應2-4小時；(c)將上述合成的菌體加入到鹼溶液中，鹼化0.5-1小時後，離心、洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸化學修飾菌。
聚胺酸化學修飾菌的製備方法，其特徵在於該方法包括如下步驟(a)將滅活幹菌加入到質量比為1～10％的交聯劑的水溶液中，振蕩10-20小時後，洗滌，乾燥，得交聯菌；(b)將二酐及二胺類物質溶於N，N-二烷基醯胺中，室溫攪拌反應1-2小時，再將前述的交聯菌加入到上述N，N-二烷基醯胺溶液中，在40-50℃攪拌反應2-4小時；(c)將上述合成的菌體加入到鹼溶液中，鹼化0.5-1小時後，離心、洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸化學修飾菌。
本發明的幹菌所用單位g，交聯劑水溶液所用單位為mL，幹菌與交聯劑水溶液的用量比是1∶5～10，二酐與二胺的用量摩爾比是3～8∶1。
所述幹菌沒有特別限制，本領域技術人員可以根據所吸附金屬離子進行選擇，如針對Pb2+和Cd2+，其可以是酵母菌、大腸桿菌、金球菌、綠膿菌、麴黴菌或青黴菌等。
二胺類物質為分子中含兩個氨基的胺基酸類或脲類物質，如精氨酸、賴氨酸、胱氨酸、硫脲、氨基硫脲或尿素等。
交聯劑為戊二醛、甲醛或乙醛。
出於環保的考慮，所述二酐為均苯四甲酸二酐、乙二胺四乙酸二酐、二苯酮四羧酸二酐、聯苯四甲酸二酐或單醚四甲酸二酐。
合成時所用N，N-二烷基醯胺為N，N-二甲基甲醯胺。
聚胺酸化學修飾菌應用於吸附重金屬離子中。
本發明所得修飾菌是針對自然的生物體機械強度差、吸附效率低、回收困難等問題，用聚胺酸修飾細胞壁合成了一類新型生物吸附劑。本發明具有原料品種豐富，製備成本低廉，製作方法簡便，吸附效率高，再生性能好等優點，在處理重金屬廢水方面有著廣闊的發展前景。以聚胺酸也就是由均苯四甲酸酐和硫脲為原料製得修飾酵母菌為例，進行相關說明。顯微鏡圖片圖1表明，修飾後，細胞壁完好，並且出現了明顯的聚集現象，表明細胞壁表面發生了化學反應。相對於未修飾菌圖2a，鹼化前修飾菌的紅外圖譜圖2b中在1721.4cm-1出現新的峰，此峰為羧基中C＝O的伸縮振動峰。經鹼化後，羧酸轉化為羧酸根離子，在修飾菌的紅外譜圖中出現了1583和1382cm-1兩個新峰圖2b，這兩個峰應為羧酸根離子中C＝O的不對稱和對稱伸縮振動峰。未修飾菌和修飾菌的N(1s)和O(1s)的XPS譜圖見圖3a、圖3b、圖3c和圖3d，未修飾菌的O(1s)XPS譜圖如圖3a中534.3，532.5，531.0eV出現的三個峰，分別對應於C-O，O＝C-O和O＝C-NH2中的氧。在修飾菌的O(1s)XPS譜圖如圖3c中出現了兩個新峰(535.9，529.0eV)，535.9eV對應於酯基(O＝C-OR)中的氧，529.0eV對應峰的可能是硫脲中的C＝S鍵被氧化成C＝O所致。從O(1s)模擬峰的峰面積之比如表1，從表1上看，修飾菌中羧基氧的含量明顯提高，羥基含量明顯下降。O(1s)的XPS譜圖表明，聚胺酸中的酐與菌體表面的羥基發生了醇解反應，反應方程式1-3如下。另外，從N(1s)譜圖中也可以看出，在修表1為表1為本發明未修飾酵母菌和修飾酵母菌的O(1s)XPS譜圖中各模擬峰的峰面積之比。
反應方程式1-3
飾菌的N(1s)XPS譜圖中也出現了新峰，此峰對應於聚胺酸中的氮。以上紅外，顯微鏡，XPS結果表明聚胺酸成功地接枝在了菌體的表面。修飾菌的電位滴定曲線如圖4顯示修飾菌表面有兩個突躍，對應的官能團分別為氨基和羧基，含量分別為1.36和0.7mmol g-1。Pb2+和Cd2+的吸附動力學曲線如圖5a、圖5b和圖6a、圖6b所示，圖5a、圖5b和圖6a、圖6b表明，修飾菌對Pb2+和Cd2+的吸附在50min就可達到平衡。吸附反應為準二級反應如表2，從表2中吸附速率常數V0表2為本發明修飾酵母菌吸附Pb2+和Cd2+的動力學曲線模擬參數表；
可以看出修飾菌的吸附速度遠遠大於未修飾菌。Pb2+和Cd2+的吸附等溫線如圖5a和圖6a表明，修飾菌對Pb2+和Cd2+的最大吸附量分別為214.1，96.0mg g-1，遠遠高於相關文獻報導的數值(100，50mg g-1)。用單分子層吸附模式(Langmuir)和多分子層吸附模式(Freundlich)吸附等溫式對吸附過程進行模擬，其模擬曲線見圖7b、圖7c，相關參數列於表3。從表3中表3為本發明修飾酵母菌吸附Pb2+和Cd2+的Langmuir和Freundlich吸附等溫線模擬參數表。
可以看出，用Langmuir吸附等溫式進行模擬所得的相關係數(R2＝0.999)遠遠大於用Freundlich吸附等溫式模擬的(R2＜0.990)，說明修飾菌對Pb2+的吸附模式為Langmuir單分子層吸附模式。菌體對Pb2+的pH實驗(圖8)表明，吸附量隨著溶液的pH的增加而增大，最佳pH範圍是4.0～6.0，適合於弱酸性或中性水體的處理，具有很強的實際意義。
圖1a為本發明未修飾酵母菌的顯微鏡圖片；圖1b為本發明以均苯四甲酸酐和硫脲製備得聚胺酸修飾酵母菌的顯微鏡圖片；圖2為本發明未修飾酵母菌、鹼化前修飾酵母菌及修飾酵母菌的紅外圖譜；圖3a為本發明未修飾酵母菌O(1s)的XPS圖譜；圖3b為本發明未修飾酵母菌N(1s)的XPS圖譜；圖3c為本發明修飾酵母菌的O(1s)的XPS圖譜；圖3d為本發明修飾酵母菌N1s)的XPS圖譜；圖4為本發明修飾酵母菌的滴定曲線；向0.0500g修飾酵母菌加入20.00mL水，然後用0.1mol L-1的HCl滴定，記錄pH值隨加入的HCl的體積的變化；圖5a為本發明修飾酵母菌吸附Pb2+的動力學曲線；圖5b及吸附動力學曲線的準二級模擬方程；準二級模擬方程為，t/qt＝1/v0+t/qe，v0為吸附速率，qe為吸附反應達平衡時的吸附量，t為吸附時間，qt為t時間的吸附量；圖6a為本發明修飾酵母菌Cd2+的動力學曲線；圖6b為本發明修飾酵母菌吸附吸附動力學曲線的準二級模擬方程；圖7a為本發明修飾酵母菌吸附Pb2+和Cd2+的吸附等溫線；圖7b、圖7c為本發明修飾酵母菌吸附Pb2+和Cd2+用Langmuir和Freundlich吸附等溫線模擬曲線；(Langmuir和Freundlich吸附等溫線式分別為qe/qm＝Ce/(1/b+Ce)，log qe＝log a+1/n log Ce，qm為最大吸附量，qe為吸附反應達平衡時的吸附量，b為常數，a，n為Freundlich吸附等溫式中吸附常數)；圖8為本發明修飾酵母菌吸附Pb2+的酸度曲線圖。
具體實施例方式
聚胺酸化學修飾菌的合成方法。
實施例1聚胺酸修飾酵母菌合成1.先將15g乾酵母菌加入75mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液中，振蕩反應14小時後，離心，水洗，乾燥，得戊二醛交聯菌；2.將0.078mol的均苯四甲酸二酐及0.026mol精氨酸溶於100mL的N，N-二甲基甲醯胺中，室溫攪拌1～2小時後加入6.0g戊二醛交聯菌，40～50℃繼續反應2小時後，離心，用N，N-二甲基甲醯胺洗滌產物4次；3.將上述所得得酵母菌加入到50mL 0.1mol L-1NaOH溶液中，鹼化0.5小時後，離心，洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸修飾酵母菌。
實施例2聚胺酸修飾酵母菌合成1.先將15g乾酵母菌加入100mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液，振蕩反應15小時後，離心，水洗，乾燥，得戊二醛交聯菌；2.將0.208mol的均苯四甲酸二酐及0.026mol硫脲溶於100mL的N，N-二甲基甲醯胺中，室溫攪拌2小時後加入6.0g戊二醛交聯菌，40-50℃繼續反應3小時後，離心，用N，N-二甲基甲醯胺洗滌產物4次；3.將上述所得酵母菌加入到50mL 0.1mol L-1NaOH溶液中，鹼化1小時後，離心，洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸修飾酵母菌。
實施例3聚胺酸修飾酵母菌合成1.先將15.0g乾酵母菌加入150mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液中，振蕩反應16小時後，離心，水洗，乾燥；2.將0.14mol的均苯四甲酸二酐及0.026mol賴氨酸溶於100mL的N，N-二甲基甲醯胺中，室溫攪拌2小時後加入6.0g戊二醛交聯菌，40-50℃繼續反應4小時後，離心，用N，N-二甲基甲醯胺洗滌產物4次；3.將上述所得酵母菌加入到50mL 0.1mol L-1NaOH溶液中，鹼化0.75小時後，離心，洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸修飾酵母菌。
實施例4聚胺酸修飾大腸桿菌合成1.先將15.0g幹大腸桿菌加入100mL 1.0％(w/w)戊二醛水溶液中，振蕩反應15小時後，離心，水洗，乾燥；2.將0.14mol的乙二氨四乙酸二酐及0.026mol硫脲溶於100mL的N，N-二甲基甲醯胺中，室溫攪拌2小時後加入6.0g戊二醛交聯菌，40-50℃繼續反應3小時後，離心，用N，N-二甲基甲醯胺洗滌產物4次；3.將上述所得大腸桿菌加入到50mL 0.1mol L-1NaOH溶液中，鹼化1小時後，離心，洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸修飾大腸桿菌。
實施例5實施例2所述的修飾酵母菌對Pb2+和Cd2+的吸附1.稱取0.1000g修飾酵母菌於250.0mL錐形瓶中，加入100.00mL 250μg mL-1Pb標液，室溫條件下於170rpm下搖床吸附，定期取樣，測定Pb的濃度，計算修飾菌對Pb的吸附量，繪製其吸附時間曲線如圖5a吸附量q對吸附時間t作圖；2.稱取0.1000g修飾酵母菌於250.0mL錐形瓶中，加入100.00mL100.00μg mL-1Cd標液，室溫條件下於170rpm下搖床吸附，定期取樣，測定Cd的濃度，計算修飾菌對Cd的吸附量，繪製其吸附時間曲線如圖6a吸附量q對吸附時間t作圖；3.取7份0.1000g修飾酵母菌中分別加入100.00mL的150，200，220，250，300，350，400μg mL-1Pb標準溶液，室溫條件下搖床170rpm反應50min後，測定Pb的濃度，計算修飾菌對Pb的吸附量，繪製其吸附等溫線如圖7a平衡吸附量qe對平衡濃度Ce作圖；4.取7份0.1000g修飾酵母菌中分別加入100.00mL的50，80，100，150，200，250，300μg mL-1Cd標準溶液，室溫條件下搖床170rpm反應50min後，測定Cd的濃度，計算修飾菌對Cd的吸附量，繪製其吸附等溫線如圖7a平衡吸附量qe對平衡濃度Ce作圖；5.在0.1000g修飾酵母菌中加入不同酸度的100.00mL 250μg mL-1Pb溶液，於250.0mL錐形瓶中室溫條件下搖床170rpm反應50min後，測定Pb的濃度，計算修飾菌對Pb的吸附量，繪製其酸度曲線如圖8吸附量q對pH作圖。
權利要求
1.一種聚胺酸化學修飾菌，其特徵在於所述的聚胺酸化學修飾菌由下述方法製備(a)將滅活幹菌加入到質量比為1～10％的交聯劑的水溶液中，振蕩10-20小時後，洗滌，乾燥，得交聯菌；(b)將二酐及二胺類物質溶於N，N-二烷基醯胺中，室溫攪拌反應1-2小時，再將前述的交聯菌加入到上述N，N-二烷基醯胺溶液中，在40-50℃攪拌反應2-4小時；(c)將上述合成的菌體加入到鹼溶液中，鹼化0.5-1小時後，離心、洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸化學修飾菌。
2.聚胺酸化學修飾菌的製備方法，其特徵在於該方法包括如下步驟(a)將滅活幹菌加入到質量比為1～10％的交聯劑的水溶液中，振蕩10-20小時後，洗滌，乾燥，得交聯菌；(b)將二酐及二胺類物質溶於N，N-二烷基醯胺中，室溫攪拌反應1-2小時，再將前述的交聯菌加入到上述N，N-二烷基醯胺溶液中，在40-50℃攪拌反應2-4小時；(c)將上述合成的菌體加入到鹼溶液中，鹼化0.5-1小時後，離心、洗滌至中性，冷凍乾燥，得聚胺酸化學修飾菌。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述幹菌為酵母菌、大腸桿菌、金球菌、綠膿菌、麴黴菌或青黴菌。
4.根據權利要求2所述的的方法，其特徵在於交聯劑為戊二醛、甲醛或乙醛。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於二酐為均苯四甲酸二酐、乙二胺四乙酸二酐、二苯酮四羧酸二酐、聯苯四甲酸二酐或單醚四甲酸二酐。
6.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於二胺類物質為分子中含兩個氨基的精氨酸、賴氨酸、胱氨酸、硫脲、氨基硫脲或尿素。
7.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於合成時所用N，N-二烷基醯胺為N，N-二甲基甲醯胺。
8.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於幹菌所用單位g，交聯劑水溶液所用單位為mL，幹菌與交聯劑水溶液的用量比是1∶5～10。
9.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所用二酐與二胺的用量摩爾比是3～8∶1。
10.聚胺酸化學修飾菌應用於吸附重金屬離子中。
全文摘要
本發明涉及一種聚胺酸化學修飾菌，所述的聚胺酸化學修飾菌由下述方法製備(a)將滅活幹菌加入到質量比為1～10％的交聯劑的水溶液中，振蕩10－20小時後，洗滌，乾燥，得交聯菌；(b)將二酐及二胺類物質溶於N，N－二烷基醯胺中，室溫攪拌反應1－2小時，再將前述的交聯菌加入到上述N，N－二烷基醯胺溶液中，在40－50℃攪拌反應2－4小時；(c)將上述合成的菌體加入到鹼溶液中，鹼化0.5－1小時後，離心、洗滌至中性，冷凍乾燥，得菌。對聚胺酸化學修飾酵母菌的實施結果表明其對Pb
文檔編號C02F1/62GK1970728SQ200610019648
公開日2007年5月30日 申請日期2006年7月18日 優先權日2006年7月18日
發明者李步海, 孫小梅, 餘軍霞, 佟蜜, 雷超 申請人:中南民族大學