一种微生物复合材料及其制备方法和应用与流程

1.本技术涉及环境应用材料技术领域，具体而言，涉及一种微生物复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.现有技术中，对于重金属的处理方法包括：电解法(处理含氰的重金属废水)、上浮法(废水中的重金属氢氧化物和硫化物可用鼓气上浮法去除，其中以加压溶气上浮法最为有效)、离子浮选法(往重金属废水中投加阴离子表面活性剂，如黄原酸钠、十二烷基苯磺酸钠、明胶等，与其中的重金属离子形成具有表面活性的络合物或螯合物)、离子交换和吸附(废水中的重金属如果以阳离子形式存在，用阳离子交换树脂或其他阳离子交换剂处理；如果以阴离子形式存在，则用阴离子交换树脂处理)以及膜法(主要有电渗析和反渗透法)。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种微生物复合材料及其制备方法和应用，提供一种新的处理重金属废水的材料-微生物复合材料，以通过微生物复合材料吸附对重金属废水进行处理。
4.第一方面，本技术提供一种微生物复合材料在吸附废水中重金属离子中的应用。该微生物复合材料是将光合细菌负载在多孔无机材料上复合而成。
5.现有技术中，由于微生物在重金属废水(寡营养)中通常不能够进行正常的生长繁殖，所以，微生物通常用来处理有机废水，现有技术中，没有用微生物来处理重金属废水。
6.本技术中，光合细菌是一种自养微生物，该菌为杆状、光能异养，革兰氏阴性，能够在寡营养的环境下生长，所以，发明人根据光合细菌的特性，将光合细菌负载在多孔无机载体上以后，通过微生物吸附法对废水中的重金属离子进行吸附。
7.在一种可能的实施方式中，重金属离子为锌离子或铜离子，重金属离子的浓度为80-150mg/l。
8.废水中重金属离子的浓度较低，一方面，微生物复合材料对其吸附效果更好，吸附率能够达到90％以上；另一方面，重金属离子不会对光合细菌的活性造成影响，可以使光合细菌能够持续对重金属离子进行吸附。
9.在一种可能的实施方式中，吸附废水中重金属离子的方法包括：将微生物复合材料置于含有重金属离子的溶液中进行缺氧吸附。其中，微生物复合材料与溶液的固液比为30-50mg/ml，吸附的温度为29-30℃，在震荡的条件下吸附20-30h。
10.相较于物理吸附法，微生物吸附法的吸附时间较长，光合细菌在废水中长时间作用进行重金属离子的吸附，对重金属离子的吸附效果较好。
11.第二方面，本技术提供一种微生物复合材料的制备方法，包括如下步骤：多孔无机载体预处理：将多孔无机载体先在酸溶液中浸泡，然后洗涤至中性以后，再在碱溶液中浸泡，洗涤至中性以后进行灭菌处理。制备微生物复合材料：将预处理后的多孔无机载体置于
12ml的生长因子以及8-12ml的微量元素溶液混合以后，调节ph值为6.8-7.2，然后进行灭菌。有利于光合细菌的分裂和增殖。
24.第三方面，本技术提供一种微生物复合材料，如上述制备方法制备得到。有利于对重金属离子进行吸附，可以对重金属污染的废水进行处理。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图也属于本技术的保护范围。
26.图1为本技术提供的微生物复合材料的制备方法流程图；
27.图2为本技术实施例1步骤(1)提供的光合细菌发酵液的显微镜图片；
28.图3为本技术实施例1步骤(2)提供的天然斜发沸石的显微镜图片；
29.图4为本技术实施例1步骤(3)提供的微生物复合材料的显微镜图片；
30.图5为本技术实施例4步骤(2)提供的天然斜发沸石的显微镜图片；
31.图6为本技术实施例4步骤(3)提供的微生物复合材料的显微镜图片。
具体实施方式
32.现有技术中，微生物通常都是对有机污染物进行处理，其原因主要是：绝大多数微生物都是异养的，有机污染物可以对微生物提供丰富的营养，使微生物能够正常繁殖，并对有机污染物进行处理。而对于重金属废水来说，其营养一般都是缺乏的，所以，现有技术中通常不使用微生物对重金属废水进行处理。
33.发明人研究发现，光合细菌是一种自养微生物，该菌为杆状、光能异养，革兰氏阴性，能够在寡营养的环境下生长，所以，发明人使用光合细菌对重金属废水进行处理，提供一种新的处理重金属废水的材料及方法。
34.本技术提供一种微生物复合材料，该材料是将光合细菌负载在多孔无机载体上，从而通过微生物吸附法对废水中的重金属离子进行吸附。
35.可选地，重金属离子为锌离子或铜离子，废水中重金属离子的浓度为80-150mg/l。废水中重金属离子的浓度较低，一方面，微生物复合材料对其吸附效果更好，吸附率能够达到90％以上；另一方面，重金属离子对光合细菌的活性造成影响很小，可以使光合细菌能够持续对重金属离子进行吸附。
36.进一步地，吸附重金属离子的方法包括：将微生物复合材料置于含有重金属离子的溶液中进行缺氧吸附。其中，微生物复合材料与溶液的固液比为30-50mg/ml，吸附的温度为29-30℃，在震荡的条件下吸附20-30h。
37.相较于物理吸附法，微生物吸附法的吸附时间较长，光合细菌在废水中长时间作用进行重金属离子的吸附，对重金属离子的吸附效果较好。
38.可选地，吸附在摇床内进行，摇床的振荡频率为120-180r/min，从而对废水中重金属离子进行吸附。
39.图1为本技术提供的微生物复合材料的制备方法流程图。请参阅图1，该微生物复
合材料的制备方法，包括如下步骤：
40.s10、制备光合细菌发酵液：
41.将光合细菌的菌种接种至第一液体培养基中，在缺氧、光照度为1000-3000lx、温度为29-30℃的条件下培养2-3天，获得种子培养液。按质量分数为5％-15％的接种量接种种子培养液在第二液体培养基内放大培养，在缺氧、光照度为1000-3000lx、温度为29-30℃的条件下培养3-4天，获得含菌量为10
×
10
8-20
×
108个/ml的光合细菌发酵液。该光合细菌发酵液为对数期的光合细菌发酵液，后续分裂和增殖较快。
42.前1-3天是活化菌种，获得活性较高种子培养液，接着培养2-3天后重新接种，用第一次的培养液作为种子培养液，重新接种到培养液中，所以是两个培养，培养周期分别是2-3天和3-4天。通过测不同培养时间光合细菌的od600来确定其是否为对数期，大概在培养40-60h左右的时候，斜率是最大的，此时光合细菌的od600的读数在0.8-1.0之间，培养96h以后，光合细菌稳定期的od600值在1.2附近。
43.第一液体培养基和第二液体培养基的制备方法均包括：将0.8-1.2g/l氯化铵、0.8-1.2g/l的碳酸氢钠、2.5-3.5g/l的醋酸钠、1.5-2.5g/l的氯化钠、0.1-0.3g/l的磷酸氢二钾、0.1-0.3g/l的七水合硫酸镁、0.05-0.15g/l的酵母膏、8-12ml的生长因子以及8-12ml的微量元素溶液混合以后，调节ph值为6.8-7.2，然后进行灭菌。有利于光合细菌的分裂和增殖。
44.例如：第一液体培养基和第二液体培养基的制备方法如下：将1g/l氯化铵、1g/l的碳酸氢钠、3g/l的醋酸钠、2g/l的氯化钠、0.2g/l的磷酸氢二钾、0.2g/l的七水合硫酸镁、0.1g/l的酵母膏、10ml的生长因子以及10ml的微量元素溶液混合以后，调节ph值为7，蒸汽灭菌锅内进行灭菌，灭菌条件为0.1mpa，温度115℃，时间20min。
45.s20、多孔无机载体预处理：将多孔无机载体先在酸溶液中浸泡，然后洗涤至中性以后，再在碱溶液中浸泡，洗涤至中性以后进行灭菌处理。
46.通过酸碱对多孔无机载体进行浸泡处理，一方面，可以对多孔无机载体进行清洗，更加有利于后续的光合细菌的负载；另一方面，可以调节多孔无机载体的孔隙结构，增加多孔无机载体的比表面积，从而可以负载更多的光合细菌。且酸处理和碱处理之间洗涤至中性，避免较强的酸碱中和反应对后续光合细菌的负载量造成影响。
47.多孔无机载体的粒径为4-10mm。多孔无机载体为颗粒结构，一方面，对数期的光合细菌在增殖的过程中负载在颗粒状的多孔无机载体上以后，利于对重金属离子进行有效吸附(对于颗粒状的多孔无机载体上负载光合细菌，采用的是吸附法；如果是粉末状的多孔无机载体上负载光合细菌，则采用的是包埋法，包埋法不利于重金属离子的吸附)；另一方面，微生物复合材料在吸附了重金属离子以后，有利于进行回收，避免二次污染。
48.可选地，上述的酸溶液和碱溶液均为稀溶液，例如：酸溶液的质量浓度为2％-10％，碱溶液的质量浓度也为2％-10％，能够对多孔无机载体进行处理，但不会对其整体结构造成破坏。
49.示例性地，酸溶液的质量浓度为2％、5％或10％；碱溶液的质量浓度为2％、5％或10％。
50.在一种实施例中，多孔无机载体为天然沸石，天然沸石的粒径为6-9mm。天然沸石是一种天然的矿物质材料，其成分较为复杂，在进行酸处理和碱处理的过程中，会与天然沸
石之间发生化学反应，从而使天然沸石表面的部分成分被腐蚀，表面产生微观的小孔，从而增加天然沸石的比表面积；同时，天然沸石中的某些成分会与羟基和氢离子结合，从而形成带电的电荷，利于光合细菌的负载，从而有助于重金属离子的吸附。
51.进一步地，将粒径为6-9mm的天然斜发沸石用去离子水洗净，再用5％的盐酸溶液浸泡2h，水洗至中性后用5％的氢氧化钠溶液浸泡2h，再次水洗至中性，最后用高压蒸汽灭菌30min，取出晾干备用。
52.在另一实施例中，多孔无机载体为火山岩陶粒，火山岩陶粒的粒径为4-6mm。火山岩陶粒也是一种矿物质材料，其成分较为复杂，在进行酸处理和碱处理的过程中，会与火山岩陶粒之间发生化学反应，从而使火山岩陶粒表面的部分成分被腐蚀，表面产生微观的小孔，从而增加火山岩陶粒的比表面积；同时，火山岩陶粒中的某些成分会与羟基和氢离子结合，从而形成带电的电荷，利于光合细菌的负载，从而有助于重金属离子的吸附。
53.进一步地，将粒径为4-6mm的火山岩陶粒用去离子水洗净，再用5％的盐酸溶液浸泡2h，水洗至中性后用5％的氢氧化钠溶液浸泡2h，再次水洗至中性，最后用高压蒸汽灭菌30min，取出晾干备用。
54.s30、制备微生物复合材料：将预处理后的多孔无机载体置于对数期的光合细菌发酵液中，在缺氧条件下光照培养，使光合细菌负载在多孔无机载体上。
55.微生物生长曲线包括四个时期：调整期、对数期、稳定期、衰亡期，将对数期的光合细菌发酵液和预处理后的多孔无机载体混合进行光照培养，一方面，对数时期的光合细菌生长速率最快、代谢旺盛、酶系活跃、活细菌数和总细菌数大致接近、细胞的化学组成形态理化性质基本一致，所以，对数期的光合细菌更加容易负载在多孔无机载体上，光合细菌的负载量更高，且缩短制备时间，降低制备成本；另一方面，负载了光合细菌以后，光合细菌与多孔无机载体具有一定的协同作用，能够对重金属离子具有更好的吸附效果。
56.本技术实施例中，光合细菌发酵液的含菌量为10
×
10
8-20
×
108个/ml，多孔无机载体与光合细菌发酵液的固液比为0.05-0.1g/ml。可以在多孔无机载体上负载更多的光合细菌，以便后续对重金属离子进行吸附。
57.在一些可能的实施方式中，光合细菌发酵液的含菌量为10
×
108个/ml、12
×
108个/ml、16
×
108个/ml或20
×
108个/ml；多孔无机载体与光合细菌发酵液的固液比为0.05g/ml、0.08g/ml或0.1g/ml。
58.可选地，在对光合细菌进行负载的时候，培养的时间为20-30h，培养的光照度为1000-3000lx，培养的温度为29-30℃。有利于对数期的光合细菌的分裂和增殖。在一些可能的实施方式中，培养的时间为20h、24h、28h或30h，培养的光照度为1000lx、1500lx、2000lx、2500lx或3000lx，培养的温度为29℃、29.5℃或30℃。
59.进一步地，光照培养是在光照摇床中进行挂膜培养，挂膜培养在水流下进行，且摇床的转速为120-180r/min。可选地，摇床的转速为120r/min、140r/min、160r/min或180r/min。
60.在光照摇床内进行培养，培养较为简单，且在水流下进行挂膜培养的方式，可以使光合细菌与多孔无机载体之间的负载更加牢固，在吸附重金属离子时，光合细菌不易从载体上脱落，有利于在吸附重金属离子的过程中，光合细菌与载体的协同配合，后续的吸附效果更好。
61.取步骤s10培养的含菌量为10
×
10
8-20
×
108个/ml的光合细菌发酵液200ml于三角瓶中，放入20g步骤s20处理后的天然斜发沸石载体，在缺氧条件下放入光照摇床中进行挂膜培养，挂膜条件为光照度1000-3000lx，温度29-30℃，转速150r/min，24h后，倒去剩余的光合细菌菌液，用生理盐水轻轻淋洗天然斜发沸石，晾干备用。
62.上述方法制备得到的微生物复合材料，是在多孔无机载体上负载有光合细菌，多孔无机载体和光合细菌能够协同配合，有效吸附废水中的重金属离子，可以对重金属污染的废水进行处理。
63.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
64.实施例1
65.一种微生物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
66.(1)、制备光合细菌发酵液：
67.将1g/l氯化铵、1g/l的碳酸氢钠、3g/l的醋酸钠、2g/l的氯化钠、0.2g/l的磷酸氢二钾、0.2g/l的七水合硫酸镁、0.1g/l的酵母膏、10ml的生长因子以及10ml的微量元素溶液混合以后，调节ph值为7，蒸汽灭菌锅内进行灭菌(灭菌条件为0.1mpa，温度115℃，时间20min)，灭菌后备用。
68.选用光合细菌菌种(北京东方昊天生物技术研究所有限公司)，将菌种接入上述液体培养基，缺氧条件下，光照度2000lx光照培养，温度29.5℃左右，培养时间2.5天，获得种子培养液；再按质量分数10％的接种量接入另一上述液体培养基放大培养，在缺氧条件下，光照度2000lx光照培养，温度29.5℃左右，培养时间3.5天，获得对数期的光合细菌发酵液。
69.(2)、天然斜发沸石预处理：
70.将粒径为8mm左右的天然斜发沸石用去离子水洗净，再用5％的盐酸溶液浸泡2h，水洗至中性后用5％的氢氧化钠溶液浸泡2h，再次水洗至中性，最后用高压蒸汽灭菌30min，取出晾干备用。
71.(3)、制备微生物复合材料：
72.取步骤(1)培养的光合细菌发酵液200ml于三角瓶中，放入20g步骤(2)处理后的天然斜发沸石载体，在缺氧条件下放入光照摇床中在水流下进行挂膜培养，挂膜条件为光照度2000lx，温度29.5℃左右，转速150r/min，24h后，倒去剩余的光合细菌菌液，用生理盐水轻轻淋洗天然斜发沸石，晾干备用。
73.实施例2
74.实施例2提供的制备方法与实施例1提供的制备方法基本一致，其不同在于，天然斜发沸石的粒径为1mm。
75.实施例3
76.实施例3提供的制备方法与实施例1提供的制备方法基本一致，其不同在于，没有通过挂膜培养的方式进行培养，即摇床转速为0，在缺氧条件下放入光照摇床中进行培养，培养条件为光照度2000lx，温度29.5℃左右，24h后，倒去剩余的光合细菌菌液，用生理盐水轻轻淋洗天然斜发沸石，晾干备用。
77.实施例4
78.实施例4提供的制备方法与实施例1提供的制备方法基本一致，其不同在于，粒径为8mm左右的天然斜发沸石调整为粒径为5mm左右的火山岩陶粒。
79.对比例1
80.对比例1提供的制备方法与实施例1提供的制备方法基本一致，其不同在于，天然斜发沸石不经过酸处理和碱处理。
81.对比例2
82.对比例2提供的制备方法与实施例1提供的制备方法基本一致，其不同在于，天然斜发沸石经过酸处理和碱处理，但是，酸处理和碱处理之间未进行洗涤至中性这一步骤。
83.对比例3
84.对比例3提供的制备方法与实施例1提供的制备方法基本一致，其不同在于，放大培养的时间是在6天，使光合细菌发酵液位于稳定期。
85.对比例4
86.取实施例1中步骤(1)得到的光合细菌发酵液200ml，少量多次常温离心，离心转速为8000rpm，去上清留沉淀，加入去离子水后用移液枪吹打混匀，重复3次，得光合细菌沉淀备用。
87.对比例5
88.取实施例1中步骤(2)得到的天然斜发沸石进行空白挂膜培养。
89.对比例6
90.取实施例4中步骤(2)得到的火山岩陶粒进行空白挂膜培养。
91.实验例1
92.废水处理剂的制备条件如表1：
93.表1废水处理剂的制备条件
94.[0095][0096]
取0.2085g氯化锌于烧杯中，加入适量去离子水搅拌溶解，移入1000ml容量瓶，去离子水定容后，转移至1000ml试剂瓶中备用，得到zn
2
浓度为100mg/l氯化锌溶液备用。
[0097]
取0.3929g五水硫酸铜于烧杯中，加入适量去离子水搅拌溶解，移入1000ml容量瓶，去离子水定容后，转移至1000ml试剂瓶中备用，得到cu
2
浓度为100mg/l硫酸铜溶液备用。
[0098]
取50ml上述重金属离子溶液于150ml锥形瓶中，加入2g表1中的处理剂，置于光照摇床中，光照度2000lx，温度29.5℃左右，转速150r/min，吸附24h后，用配备了过滤膜(0.45μm)的针管抽取溶液大于0.3ml，将吸取溶液稀释到一定倍数，利用紫外分光光度计在重金属离子的最大吸收波长处测得吸光度，对比标准曲线，确定吸附前后溶液的重金属离子浓度，得到表2。
[0099]
表2重金属离子的吸附结果
[0100] 氯化锌溶液硫酸铜溶液实施例195.7％98.34％实施例294.21％96.8％实施例393.2％95.5％实施例459.83％98.2％对比例194.2％96.1％对比例293.3％96.4％对比例392.5％93.8％对比例447.4％45.59％对比例541.4％51.3％对比例67.2％10.2％
[0101]
从表1和表2对应可以看出，本技术实施例提供的微生物复合材料能够有效吸附低浓度废水中的重金属离子。
[0102]
从实施例1、对比例4和对比例5(实施例4、对比例4和对比例6)可以看出，本技术提供的微生物复合材料对于重金属离子的吸附效果比单独的载体和单独的光合细菌的吸附效果之和还要高，说明本技术提供的微生物复合材料对重金属离子的吸附效果具有很好的协同作用。
[0103]
从实施例1和实施例2对比可以看出，天然斜发沸石的粒径较大，有利于微生物复合材料对重金属离子的吸附。
[0104]
从实施例1和实施例3对比可以看出，在培养微生物复合材料时，不在水流下进行培养，培养微生物复合材料对重金属离子的吸附效果稍差，原因可能是有的光合细菌与载体的结合牢固性稍差，从而降低了吸附效果。
[0105]
从实施例1和对比例1对比可以看出，载体不进行预处理，光合细菌的负载效果会下降，从而降低对重金属离子的吸附效果。其原因可能是：由于未进行预处理，会影响光合细菌的活性，以及比表面积稍小，从而使光合细菌的负载效果不好。
[0106]
从实施例1和对比例2对比可以看出，在预处理的时候，先酸浸泡，再碱浸泡，酸浸泡与碱浸泡之间不进行洗涤至中性，得到的载体对光合细菌的负载效果不好，从而降低对重金属离子的吸附效果。其原因可能是：由于酸碱中和反应是较强的反应，对载体的结构造成了一定的破坏。
[0107]
从实施例1和对比例3对比可以看出，在制备微生物复合材料的时候，光合细菌处理稳定期，光合细菌在载体上的负载效果不好。其原因可能是：光合细菌的分裂和增殖的速度减缓，从而减少了光合细菌的负载数量。
[0108]
实验例2
[0109]
图2为本技术实施例1步骤(1)提供的光合细菌发酵液的显微镜图片，图3为本技术实施例1步骤(2)提供的天然斜发沸石的显微镜图片，图4为本技术实施例1步骤(3)提供的微生物复合材料的显微镜图片。从图2-图4可以看出，本技术实施例1提供的微生物复合材料中，天然斜发沸石上负载有光合细菌。
[0110]
图5为本技术实施例4步骤(2)提供的天然斜发沸石的显微镜图片，图6为本技术实
施例4步骤(3)提供的微生物复合材料的显微镜图片。从图2、图5和图6可以看出，本技术实施例4提供的微生物复合材料中，火山岩陶粒上负载有光合细菌。
[0111]
以上所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。