一種吸附鉈離子的生物吸附劑及其製備方法與應用與流程

2024-02-26 13:41:15 3

本發明屬於汙水處理技術領域，涉及生物法處理汙水，具體涉及一種耐鉈真菌菌株，由該菌株製備的生物吸附劑，以及其在鉈汙染生物修復工程中的應用。

背景技術：

近年來，重金屬的汙染日益加重，鉈(tl)作為一種有毒有害重金屬，其對生態環境的影響日益彰顯。鉈在自然界土壤中分布不均勻，但是由於人類的工業活動和開採礦山作業，造成了鉈的富集過程中含鉈廢水進入自然界，鉈對人類生活、生產及自然環境都造成了極大的危害。

水體鉈汙染對生態環境和人民群眾健康已經產生影響。含鉈廢水流經到自然環境中，由於水體動物無法將將其降解便經過食物鏈不斷的在體內積累，一旦超過生物體承受的限度，會造成一系列嚴重的生態健康問題。根據鉈的攝入量不同，鉈可造成人體的急性鉈中毒和慢性鉈中毒。急性鉈中毒的主要症狀為脫髮和神經系統症狀、並造成肝、腎、心臟等器官的嚴重損傷。慢性鉈中毒會造成神經系統損害、毛髮脫落、視力下降，並可能導致畸形和突變性。據研究，人食用含鉈量超過0.3×10-6(μg/ml)的植物可引發人體慢性鉈中毒。此外，鉈汙染的水體或土壤，還會導致農作物減產。因此，鉈汙染的防治和治理已經成為當下迫切需要解決的問題。

目前，去除水體中鉈的常用方法有物理與化學去除法。利用物理作用，使水體中的懸浮的汙染物分離，而且在處理過程中物質的化學性質不發生改變，此方法則是物理方式。物理法主要分為蒸發濃縮法、晶析法、膜分離法。將化學藥劑投加到含鉈廢水中，廢水中的汙染物通過化學反應將其改變成無毒無害的物質，使其易於從廢水中分離的處理工藝屬於化學法。化學法除鉈主要包括化學沉澱法和氧化還原法。這些物理化學方法雖然能在某種程度上能去除一定量的重金屬，但普遍有成本高、處理效果不夠理想，甚至造成二次汙染等問題。

生物吸附是利用微生物從水體中富集、分離重金屬離子方法。凡具有從水體中富集重金屬能力的生物及其衍生物均稱為生物吸附劑。生物法處理環境中的重金屬汙染，主要是利用微生物的生長活動過程來完成的。許多生物質是可以用作生物劑吸附材料的，如藻類、酵母、真菌、細菌等。生物法處理環境中的重金屬汙染主要是通過吸收、絡合可以將重金屬沉澱成汙泥，再經固液分離，使含重金屬的廢水達到排放標準。隨著現代生物工程學科的迅速發展，使用生物法處理廢水具較好的前景。生物吸附法克服了傳統物理化學方法的不足，並在回收珍貴稀有金屬方面顯示了巨大的應用潛力，逐漸成為近年來研究及應用的熱點。

微生物修複方法，作為生物法處理廢水的一種，是利用微生物吸附富集重金屬，具有高效、經濟、環保等特點，是重金屬汙染治理中最具前景的修複方法。因此，從自然界中分離耐鉈菌株，並將其作為生物劑吸附材料，用於鉈汙染生物修復工程具有重要的現實意義。

技術實現要素：

本發明從礦區附近植物中分離耐鉈真菌，並用這些真菌在實驗室條件下研究其吸附鉈的影響因素、並對其吸附特性和機理進行了初步分析。基於此，本發明篩選出了一種耐鉈真菌菌株，經預處理獲得真菌環境功能材料，並以其製備生物吸附劑，對其吸附重金屬鎳鉈的效應進行探討，揭示該生物吸附劑對鉈的吸附特性及其機制，為鉈汙染生物修復工程的實際應用提供了理論依據，為耐鉈真菌生物吸附劑作為環境功能材料的開發利用奠定了良好的基礎。

本發明提供一種吸附鉈離子的生物吸附劑，其至少含有耐鉈真菌菌株fp-jccw或是所述菌株fp-jccw的處理品。菌株fp-jccw是發明人從廣東韶關大寶山礦場採集的植物中篩選、分離純化得到一株對鉈具有較強抗性的真菌。

菌株fp-jccw是一種新菌株，其保藏信息為：

名稱：arthriniumpseudospegazziniifp-jccw，以下簡稱為fp-jccw；

保藏編號：cctccno：m2017249；

保藏單位：中國典型培養物保藏中心(cctcc)；

保藏地址：中國武漢市武漢大學，郵編430072；

保藏時間：2017年05月09日。

進一步地，所述菌株fp-jccw屬於假單胞菌，與arthriniumpseudospegazzinii隸屬同一分支，在genbank資料庫中的基因序列登錄號為kx349439。

另一方面，本發明給出一種吸附鉈離子的生物吸附劑的製備方法，所述生物吸附劑含有所述菌株fp-jccw的處理品，所述處理品的製備方法為：收集所述菌株fp-jccw；乾燥所述菌株fp-jccw；將乾燥後的菌株fp-jccw研磨成細粉。

所述菌株fp-jccw的處理品的製備方法進一步優選為：用去離子水洗滌收集的所述菌株fp-jccw的菌絲體，自然晾乾後，置於烘箱中烘至恆重，冷卻後將所述菌絲體研磨成細粉，篩分，備用。

作為本發明技術方案的優選實施方式之一，所述菌絲體在烘箱中的烘乾溫度設置為60℃。

此外，本發明還給出了所述的生物吸附劑在鉈汙染生物修復中的應用。

作為所述應用的優選條件之一，所述的生物吸附劑用於吸附水體中的鉈。

作為所述應用的優選條件之一，所述的生物吸附劑吸附鉈的水體ph範圍為5.0～8.0。

本發明所述生物吸附劑至少具有下述的有益效果或優點：

本發明所述生物吸附劑，其至少含有耐鉈真菌菌株fp-jccw或是所述菌株fp-jccw的處理品。發明人在廣東韶關大寶山礦場採集的植物中篩選、分離純化得到一株對鉈具有較強抗性的真菌(編號：fp-jccw)。對分離得到的抗鉈較強的fp-jccw菌株，進行its基因序列分析，鑑定為該菌株分屬於假單胞菌，與arthriniumpseudospegazzinii隸屬同一分支，命名為pseudomonassp.(登錄號kx349439)。通過對tl+吸附的影響因素和初步吸附機理研究得出，fp-jccw菌株吸附tl的效果受條件影響大，環境條件合適時能有顯著的吸附效果。

本發明優化了菌株fp-jccw對tl的吸附條件，在ph為7、接觸時間為90min、tl初始濃度為80mg/l、生物量為1g/l、搖床轉速為90r/min、溫度為25℃時進行tl的吸附將會有最大吸附率和最大吸附量。紅外光譜和能譜分析表明：fp-jccw菌株吸附tl主要是細胞表面吸附，tl+與細胞表面的官能團反應結合，完成吸附過程，羥基和醛基在吸附時起主要貢獻作用。

耐鉈真菌菌株fp-jccw或是所述菌株fp-jccw的處理品可以作為真菌生物劑吸附材料，並應用在鉈汙染生物修復。

附圖說明

圖1是菌株fp-jccw與相關16srdna序列的系統發育樹。

圖2是ph對菌株fp-jccw吸附tl的影響曲線。

圖3是接觸時間對菌株fp-jccw吸附tl的影響曲線。

圖4是初始濃度對菌株fp-jccw吸附tl的影響曲線。

圖5是生物量對菌株fp-jccw吸附tl的影響曲線。

圖6是搖床轉速對菌株fp-jccw吸附tl的影響曲線。

圖7是溫度對菌株fp-jccw吸附tl的影響曲線。

圖8是菌株fp-jccw吸附tl前後的紅外光譜圖。

圖9是菌株fp-jccw吸附tl前的eds分析譜圖。

圖10是菌株fp-jccw吸附tl前的sem譜圖。

圖11是菌株fp-jccw吸附tl後的eds分析譜圖。

圖12是菌株fp-jccw吸附tl後的sem譜圖。

圖13是菌株fp-jccw吸附tl前後的xrd圖譜

具體實施方式

以下將結合實施例對本發明做進一步詳細闡述。

實施例1：菌株fp-jccw的分離和鑑定

(1)菌株fp-jccw的分離純化

菌株fp-jccw是從廣東韶關大寶山礦區的植物中分離篩選得到。分離菌株fp-jccw的培養基選用察氏培養基。

所述察氏培養基的成分為：nano33g、k2hpo4·3h2o1g、mgso4·7h2o0.5g、kcl0.5g、feso4·7h2o0.01g、蔗糖30g、瓊脂20g、蒸餾水1000ml。這種察氏培養基的配製過程可參考現有技術，在此不作詳述。

將新鮮培養至對數期的菌株fp-jccw製成孢子懸浮液，取1ml孢子懸浮液塗布到一定濃度含鉈的培養基中，置於28℃恆溫培養箱中培養48h，觀察是否有菌落長出，如有菌落生長，則再吸取1ml孢子懸浮液接種到更高鉈濃度的新鮮培養基中，繼續培養，觀察菌落生長情況。

準確吸取1ml水樣加入到裝有99ml無菌水的三角瓶中，即成濃度為0.1mg/l的水樣稀釋液，另用1ml無菌吸管吸取上述水樣稀釋液1ml移入到裝有9ml的無菌試管中，充分搖勻，讓菌液濃度為0.01mg/l的稀釋液，依次類推，採取逐步稀釋法獲得1×10-2，1×10-3和1×10-4三個稀釋濃度。然後將溶化好的培養基倒入平板並冷卻到45-50℃，輕輕轉動平板，使菌液與培養基混合均勻，冷凝後倒置於28℃的恆溫培養箱中培養，並觀察菌落的生長情況。

(2)菌株fp-jccw的鑑定

16srdna基因pcr擴增引物為：its1(5『-gcggatccggtgaagccta-3』)和its4(5『-tccgatggactccaggcatc-3』)。

擴增程序為：95℃預變性120s，95℃變性30s，55℃退火60s，72℃延伸60s，進行34個循環，72℃延伸5min。

基因擴增產物純化後經上海生工測序，將所得序列與genbank中已有的its序列進行blast對比分析，用mega5.2進行多重序列比對，採用kimura-2模型建nj(neighbor-joining)系統進化樹。

通過對該菌株的its基因序列進行pcr擴增，將菌株的基因序列與ncbi資料庫中的相關菌株基因序列進行blast比對。結果如圖1所示，菌株fp-jccw與arthriniumpseudospegazzinii隸屬同一分支，因而將菌株fp-jccw命名為arthriniumpseudospegazziniifp-jccw。用mega軟體繪製系統發育樹，序列已提交genbank資料庫，菌株基因序列登錄號為kx349439。

實施例2：生物吸附劑的製備及其對鉈的吸附性能

(1)生物吸附劑的製備

用8層紗布過濾收集培養好的菌株fp-jccw，把收集的菌絲體用去離子水洗滌3次，自然晾乾，置於60℃烘箱中烘至恆重，冷卻後將菌體研磨成細粉，篩分，備用。

(2)吸附試驗方法

取50ml不同濃度的tl溶液於100ml錐形瓶中，用0.1mol/lhno3或naoh將tl+溶液的ph值調至一系列值(3～9)，tl+初始濃度變量分別為20～100mg/l，接觸時間變量為10～120min，搖床轉速變量分別為30～180r/min，溫度變量分別為20～40℃，菌株生物量變量分別為加入0.5～5g/l，每種變量設一組實驗，每組試驗設3次重複，分別測試菌株粉末在各種不同環境條件下的吸附率和吸附量。

(3)ph值對鉈吸附的影響

圖2給出了ph對菌株fp-jccw吸附tl的影響。從圖2可以看出，在接觸時間為60min、tl初始濃度為20mg/l、生物量為2g/l、搖床轉速為150r/min、室溫(25℃)下，ph對菌株fp-jccw吸附tl有比較大的影響，在偏酸或偏鹼的環境，吸附率和吸附量都會下降。其原因可能是，在偏酸環境中存在過多的h3o+與tl+在細胞表面的帶負電的官能團競爭結合，使吸附率降低；在偏鹼環境中，tl+又與oh-結合形成沉澱無法再與細胞表面帶負電的官能團結合，致使吸附率降低。在ph為7的時候，菌株fp-jccw的吸附率和吸附量都為最高，分別達到了32.35％和3.23mg/g。

(4)接觸時間對鉈吸附的影響

圖3給出了接觸時間對菌株fp-jccw吸附tl的影響。從圖3可以看出，菌體與tl溶液的接觸時間對吸附率和吸附量也有影響。在ph為3、初始濃度為20mg/l、生物量為2g/l、搖床轉速為150r/min、室溫(25℃)下，隨著接觸時間的增加，吸附率和吸附量也不斷增長，達到90min後，增長變緩，達到吸附平衡，吸附率在21％左右。菌體細胞表面的吸附官能團吸附tl+達到飽和平衡，此後吸附率和吸附量增長非常緩慢，幾乎停滯。

(5)初始濃度對鉈吸附的影響

菌株fp-jccw在ph為3、生物量為2g/l、搖床轉速為150r/min、接觸時間為60min、室溫(25℃)的條件下，tl初始濃度對菌株吸附tl的影響參見圖4。菌株fp-jccw的吸附率和吸附量在20mg/l～80mg/l的tl濃度下不斷增長；超過80mg/l後，吸附率和吸附量下降。其原因可能是，低濃度下tl+與菌株表面細胞接觸不夠充分；達到100mg/l後，過高的劇毒金屬離子對細胞造成了破壞，影響細胞吸附。

(6)生物量對鉈吸附的影響

菌株fp-jccw在ph為3、tl初始濃度為20mg/l、搖床轉速為150r/min、接觸時間為60min、室溫(25℃)的條件下，生物量對菌株吸附tl的影響參見圖5。由圖5看出，生物量在1g/l和2g/l時有較高的吸附率，為31％左右；吸附量隨投加的生物量的增加而減少。這是由於tl的總量為定值的情況下，生物量增加會使吸附量減少。考慮經濟因素，在實際應用中，菌株fp-jccw採取1g/l的生物量進行吸附時會有較高的吸附量和吸附率。

(7)搖床轉速對鉈吸附的影響

菌株fp-jccw在ph為3、tl初始濃度為20mg/l、生物量為2g/l、接觸時間為60min、室溫(25℃)的條件下，搖床轉速對菌株吸附tl的影響參見圖6。由圖6看出，吸附率和吸附量在90r/min時都達到最大值，分別為40％和4mg/g。在轉速低於90r/min時，轉速太小導致tl+與菌株細胞接觸不充分，存在結合阻力，使吸附效果低下。轉速大於90r/min時，細胞承受不住過大的離心力遭到破壞，也影響了細胞吸附tl的過程。

(8)溫度對鉈吸附的影響

菌株fp-jccw在ph為3、tl初始濃度為20mg/l、生物量為2g/l、接觸時間為60min、搖床轉速為150r/min的條件下，溫度對菌株吸附tl的影響參見圖7。由圖7看出，在20℃～35℃，吸附率都在20％左右，吸附量都在2mg/g左右。溫度過低，不利於tl+與細胞壁官能團結合這一化學反應的進行；溫度過高則會使細胞遭到破壞使吸附不能正常進行。

實施例3：菌株fp-jccw的表徵分析

(1)ft-ir表徵分析

取適量乾燥的菌株粉末與kbr一起研磨、壓片，然後在tensor27型傅立葉變換紅外光譜儀(德國bruker公司)上在400～4000cm－1範圍內掃描。

圖8為菌株fp-jccw吸附tl前後的ft-ir圖。從圖8中可以看出，菌株fp-jccw吸附tl前在3390cm-1處有1座吸收峰，是o-h鍵伸縮所致；在2925cm-1和2856cm-1處各有1座吸收峰，是c-h鍵伸縮所致；在1743cm-1處有1座吸收峰，可能是醛基-cho伸縮所致；在1635cm-1處的吸收峰，是蛋白質醯胺中c＝o鍵伸縮振動和n-h鍵的彎曲振動產生；在1406cm-1處有1座吸收峰，可能是因為脂基-coo-伸縮震動所致；在1029cm-1處有1座吸收峰，可能是磷酸基團p＝o、p-oh、po43-等伸縮振動導致。吸附後圖譜與吸附前圖譜大體上一樣，有幾處譜峰發生變化：原來3390cm-1處的吸收峰發生小幅位移，強度減弱，這可能是-oh與tl+發生了反應；2925cm-1處、2856cm-1處、1743cm-1處、1635cm-1處、1406cm-1處和1029cm-1處的吸收峰均發生小幅位移和明顯的強度減弱，可能是細胞的蛋白質、聚多糖和脂肪酸中包含的這些官能團化學鍵與tl+發生了反應，參與了tl的吸附這一過程。這些現象均表明菌株fp-jccw細胞與tl+發生了物理吸附和化學吸附作用。

(2)eds能譜和sem表徵分析

sem表徵：將菌絲體研磨成粉末置於烘箱中充分烘乾，然後將其置於feiquanta400feg型環境掃描電子顯微鏡(捷克fei公司)下室溫掃描，觀察樣品形貌。

從圖9和圖11的sem譜圖可以看出，吸附後的菌株fp-jccw出現明顯變化，菌體膨脹變大，表面變的光滑。該變化的原因可能是tl+使細胞表面結構變化，細胞易粘連。

sem-eds表徵：將菌絲體研磨成粉末超臨界乾燥，噴金鍍膜，置於jsm-7001f掃描電子顯微鏡下觀察拍照並作能譜分析。

圖10和圖12的eds分析圖對比得出，吸附後的菌株樣品中少了p和k元素，增加了s元素，tl含量增加。推測菌株fp-jccw主要是通過分泌大量含有不同的陰離子配基如co32-、po43-、oh-、so42-等的多聚物與tl螯合吸附tl；在溶液中，tl+與k+發生離子交換，與多聚物的陰離子配基結合完成吸附過程。

(3)xrd表徵分析

xrd表徵：將菌絲體烘乾後研成粉末，採用panalyticalpw3040型x-射線粉末衍射儀，分析條件如下：cu靶ka能級，掃描範圍2θ＝100-800，溫度室溫(25℃)，電流100ma，加速電壓50kv，採用連續掃描，掃描速度為50/min。

從圖13可看出，菌株fp-jccw在吸附前後的圖譜趨勢大致一樣，吸附前2θ在17.11°、17.69°、19.95°、28.17°出現了特徵峰。吸附後，特徵峰出現了變化，17.11°和17.69°處的特徵峰分別左移到了15.20°和15.78°處，19.95°的特徵峰左移到了19.47°處，並且峰值增大。說明菌株表面晶體結構發生了變化，這可能是菌株細胞壁吸收了tl+，使原本的晶體結構與tl+表面絡合，形成新的晶體結構。

上面結合實施例對本發明做了進一步的敘述，但本發明並不限於上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。

ggggtttttcgggggggggggctgcggagggatcattacagagttatacaactcccacaccatttgtcaacttaccagttatgcctcggcgtgaactgcgtacggaggcaggtcgggtgttaccctgtagcctaccctgtaggttacccggtagctaccctgtaggttaccctgtaggttaccctgtagctaccctgtggctaccctgtagcttaccctgtagcttaccctgcaccactcccgcgcagcccgccggtggacacgaaactcttgttttattgtatcgtctgagcgtattattttaataattaaaactttcaacaacggatctcttggttctggcatcgatgaagaacgcagcgaaatgcgataagtaatgtgaattgcagaattcagtgaatcatcgaatctttgaacgcacattgcgcccatcagtattctggtgggcatgcctgttcgagcgtcatttcaacccttaagcctagcttagtgttgggaatctactgtactgtagttccttaaagacagtggcggagcggcagttgtcctctgagcgtagtaaatttatttctcgcttctgcaaggctctgtcctcccgccataaaacccccaattttttagtggttgacctcggatcaggtaggaatacccgctgaacttaagcatatcaaagccgggaagaaaa