一种利用太阳光活化高碘酸盐灭活水体中细菌的方法

1.本技术涉及水体细菌灭活技术领域，尤其涉及一种利用太阳光活化高碘酸盐灭活水体中细菌的方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，水生致病微生物污染越来越受到人们的关注。传统的水处理杀菌消毒方式包括氯化消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒，其中，氯化消毒存在微生物去除不彻底以及消毒副产品的风险；二氧化氯消毒存在成本较高且毒性不稳定的问题；臭氧消毒和紫外线消毒均持续性不强且生产成本高。
3.为了解决日益突出的能源和环境污染问题，越来越多的新型技术被应用于环境治理与新能源开发。例如，常温下以固体形式存在的高碘酸盐因其便于运输和储存而在水处理领域备受关注，但是高碘酸盐在水处理方向的研究多局限于有机污染物的降解，例如，现有技术公开了fe(ii)能够激发高碘酸盐产生fe(iv)和羟基用于降解新兴有机污染物(zong,y.；shao,y.；zeng,y.；shao,b.；xu,l.；zhao,z.；liu,w.；wu,d.,enhancedoxidationoforganiccontaminantsbyiron(ii)-activatedperiodate:thesignificanceofhigh-valentiron
–
oxospecies[j].environ.sci.technol.2021,55,(11),7634-7642.)，又例如，现有技术公开了分散在n掺杂石墨烯的co单原子能够激发高碘酸盐以非自由基途径降解包括有机染料在内的多种有机污染物((long,y.；dai,j.；zhao,s.；su,y.；wang,z.；zhang,z.,atomicallydispersedcobaltsitesongrapheneasefficientperiodateactivatorsforselectiveorganicpollutantdegradation[j].environ.sci.technol.2021,55,(8),5357-5370.)。关于高碘酸盐在水体细菌灭活方面的应用却鲜有报道，其中，现有技术公开了水溶性的羟胺能够激发高碘酸盐产生羟基、超氧自由基和单线态氧用于灭活水中细菌(sun,h.；he,f.；choi,w.,productionofreactiveoxygenspeciesbythereactionofperiodateandhydroxylamineforrapidremovaloforganicpollutantsandwaterbornebacteria[j].environ.sci.technol.2020,54,(10),6427-6437.)。
[0004]
然而，上述水体细菌灭活方法通过向水中额外加入激发剂可能会释放离子或催化剂上的其他组分从而导致二次污染。光催化技术因其在减少二次污染和节约能源方面的优势，被认为是水体细菌灭活技术中最有前景的技术之一，其中，太阳辐射(波长多大于300nm)作为一种可再生能源，其激发高碘酸盐用于灭活水体中细菌的相关研究还未被报道。


技术实现要素：

[0005]
本技术的目的是提供一种利用太阳光活化高碘酸盐灭活水体中细菌的方法，以解决现有技术中存在的上述问题，采用本技术的灭活水体中细菌的方法方法可以减少二次污染，节约能源。
[0006]
本技术的利用太阳光活化高碘酸盐灭活水体中细菌的方法，包括以下步骤：
[0007]
将高碘酸盐溶解于待处理的含细菌水体中形成混合体系；
[0008]
将所述混合体系于太阳光光照条件下反应，以实现细菌灭活。
[0009]
优选地，所述太阳光光照条件为自然太阳光照射或氙灯模拟太阳光照射。
[0010]
优选地，所述太阳光光照条件的光照强度为20～50毫瓦/平方厘米。
[0011]
优选地，所述太阳光光照条件的光照时间为10～40分钟。
[0012]
优选地，所述高碘酸盐为高碘酸钾或高碘酸钠中的一种或两种。
[0013]
优选地，所述混合体系的高碘酸盐浓度为0.1～0.4毫摩尔/升。
[0014]
优选地，所述含细菌水体是指含大肠杆菌或枯草芽孢杆菌的水体。
[0015]
优选地，所述含细菌水体的细菌浓度为1
×
107菌落总数/毫升。
[0016]
优选地，反应过程中温度控制在25℃。
[0017]
本技术的有益效果在于，与现有技术相比，本技术具有以下优点：
[0018]
(1)本技术首次通过太阳光激发高碘酸盐用于水体杀菌消毒；
[0019]
(2)本技术提供的方法需要用到的化学试剂和设备容易获取，操作简便，应用价值高，容易推广；
[0020]
(3)本技术提供的方法可以快速有效地灭活水体中的细菌；
[0021]
(4)本技术提供的方法安全稳定，不需要引入激发剂，无离子或者其他激发剂组分释放的风险；
[0022]
(5)本技术提供的方法能够应用于自来水、河水和海水等天然水体的消毒净化。
附图说明
[0023]
图1为不同反应体系对水体中大肠杆菌的消毒示意图；
[0024]
图2为不同反应体系对水体中枯草芽孢杆菌的消毒示意图；
[0025]
图3为模拟太阳光/高碘酸盐反应体系在不同水体中对大肠杆菌的消毒示意图；
[0026]
图4为模拟太阳光活化高碘酸盐反应过程中超氧自由基分析的电子自旋共振(esr)图谱；
[0027]
图5为在模拟太阳光活化高碘酸盐灭活大肠杆菌的过程中超氧歧化酶(sod)活性变化示意图；
[0028]
图6为自然太阳光/高碘酸盐反应体系在河水中的消毒示意图；图7为自然太阳光/高碘酸盐反应体系在海水中的消毒示意图；图8为模拟太阳光/高碘酸盐反应体系在不同浓度的高碘酸盐条件下对大肠杆菌的消毒示意图。
具体实施方式
[0029]
太阳光为连续光谱，到达地球表面的波长多大于300nm，本技术实施例采用自然太阳光和模拟太阳光两种光照条件，其中，在实验室内采用氙灯模拟太阳光，氙灯为利用高压电电离氙气产生光源，配置am1.5g滤光片，其光谱分布与自然太阳光最为接近，且具备良好的光学特性。
[0030]
以下结合实施例，对本技术进行进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用
以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0031]
实施例1
[0032]
模拟太阳光活化高碘酸盐灭活水体中的大肠杆菌
[0033]
取50ml初始菌浓度为1
×
107菌落总数/毫升(cfu/ml)的大肠杆菌(e.coli)分散液，装入100ml双层烧杯中，用1mol/l naoh溶液调配其初始ph值为 7.0，得到待处理的含大肠杆菌水体。向上述含大肠杆菌水体中加入高碘酸钠，使其浓度为0.2mmol/l，磁力搅拌器作用下充分混匀，得到混合体系。将该混合体系置于氙灯模拟太阳光照射下进行光催化反应，其中，光照强度为50毫瓦/ 平方厘米(mw/cm2)，混合体系通过循环水系统保持在25℃恒定温度。
[0034]
反应过程中，在固定的反应时间点0、10、20、30和40分钟分别取样得到菌悬液，将所得菌悬液依次稀释不同倍数，取100μl稀释液涂布到培养基上，将培养基置于恒温培养箱中37℃培养24小时，培养结束后取出计数，得到杀菌曲线，结果见图1。
[0035]
作为实施例1的一个对比例，重复实施例1的过程，只是不添加高碘酸钠，仅采用模拟太阳光处理含大肠杆菌水体，结果见图1。
[0036]
作为实施例1的另一个对比例，重复实施例1的过程，只是用相同物质的量浓度的过氧化氢(h2o2)代替高碘酸钠，结果见图1。
[0037]
作为实施例1的另一个对比例，重复实施例1的过程，只是用相同物质的量浓度的过二硫酸钾(pds)代替高碘酸钠，结果见图1。
[0038]
作为实施例1的另一个对比例，重复实施例1的过程，只是用相同物质的量浓度的碘酸钠代替高碘酸钠，结果见图1。
[0039]
作为实施例1的另一个对比例，重复实施例1的过程，只是将该混合体系置于黑暗中代替置于氙灯模拟太阳光照射下进行反应，结果参见图1。
[0040]
图1表明在反应开始40分钟后，含大肠杆菌水体中的大肠杆菌完全被模拟太阳光/高碘酸盐反应体系有效灭活。在模拟太阳光照射下，相同物质的量浓度的过氧化氢(h2o2)、过二硫酸钾(pds)和碘酸钠则不能有效灭活大肠杆菌。在没有太阳光照射的黑暗条件下，高碘酸盐反应体系也不能有效灭活大肠杆菌。
[0041]
实施例2
[0042]
模拟太阳光活化高碘酸盐灭活水体中的枯草芽孢杆菌
[0043]
重复实施例1，有以下不同点：用枯草芽孢杆菌(b.subtilis)分散液代替大肠杆菌(e.coli)分散液，在反应过程中，取样的固定反应时间点改为0、30、 60、90和120分钟，结果见图2。
[0044]
作为实施例2的一个对比例，重复实施例2的过程，只是不添加高碘酸钠，仅采用模拟太阳光处理含大肠杆菌水体，结果见图2。
[0045]
作为实施例2的另一个对比例，重复实施例2的过程，只是用相同物质的量浓度的过氧化氢(h2o2)代替高碘酸钠，结果见图2。
[0046]
作为实施例2的另一个对比例，重复实施例2的过程，只是用相同物质的量浓度的过二硫酸钾(pds)代替高碘酸钠，结果见图2。
[0047]
作为实施例2的另一个对比例，重复实施例2的过程，只是用相同物质的量浓度的碘酸钠代替高碘酸钠，结果见图2。
[0048]
作为实施例2的另一个对比例，重复实施例2的过程，只是将该混合体系置于黑暗中代替置于氙灯模拟太阳光照射下进行反应，结果见图2。
[0049]
图2表明在反应开始120分钟后，含枯草芽孢杆菌水体中的枯草芽孢杆菌完全被模拟太阳光/高碘酸盐反应体系有效灭活。在模拟太阳光照射下，相同物质的量浓度的过氧化氢(h2o2)、过二硫酸钾(pds)和碘酸钠则不能有效灭活枯草芽孢杆菌。在没有太阳光照射的黑暗条件下，高碘酸盐反应体系也不能有效灭活枯草芽孢杆菌。
[0050]
实施例3
[0051]
模拟太阳光活化高碘酸盐灭活自来水中的大肠杆菌
[0052]
取50ml自来水，加入大肠杆菌储备液，使其初始菌浓度为1
×
107cfu/ml，装入100ml双层烧杯中，得到待处理的含大肠杆菌自然水体。向上述含大肠杆菌自然水体中加入高碘酸钠，使其浓度为0.2mmol/l，磁力搅拌器作用下充分混匀，得到混合体系。将该混合体系置于氙灯模拟太阳光照射下进行光催化反应，其中，光照强度为50毫瓦/平方厘米(mw/cm2)，混合体系通过循环水系统保持在25℃恒定温度。
[0053]
反应过程中，在固定的反应时间点0、20、40、60、80、100、120和140 分钟分别取样得到菌悬液，将所得菌悬液依次稀释不同倍数，取100μl稀释液涂布到培养基上，将培养基置于恒温培养箱中37℃培养24小时，培养结束后取出计数，得到杀菌曲线，结果见图3。
[0054]
实施例4
[0055]
模拟太阳光活化高碘酸盐灭活河水中的大肠杆菌
[0056]
重复实施例3，有以下不同点：用取50ml河水代替50ml自来水，结果见图3。
[0057]
实施例5
[0058]
模拟太阳光活化高碘酸盐灭活海水中的大肠杆菌
[0059]
重复实施例3，有以下不同点：用取50ml海水代替50ml自来水，结果见图3。
[0060]
图3表明，在自来水、河水和海水中，1
×
107cfu/ml的大肠杆菌分别能够在80分钟、100分钟和140分钟内被模拟太阳光/高碘酸盐体系完全灭活。
[0061]
实施例6
[0062]
模拟太阳光活化高碘酸盐反应过程中超氧自由基的检测
[0063]
取5μl 5，5-二甲基-1-吡咯烷-n-氧化物(dmpo)和0.5ml高碘酸盐浓度为1mm的二甲基亚砜溶液形成混合物，吸入到毛细管后，放入电子自旋共振谱仪(esr；bruker emx/plus，germany)，在模拟太阳光下进行测试，测试结果见图4，图4表明信号强度随时间增加而增强。
[0064]
在模拟太阳光活化高碘酸盐灭活自来水中的大肠杆菌过程中，在固定的反应时间点0、20、40、60、80和100分钟分别取样2ml，通过细菌蛋白质提取试剂盒(c600596，sangon生物化工公司)进行提取，并用总超氧歧化酶(sod)试剂盒(s0101，碧云天)进行测试，结果见图5。
[0065]
图5表明，在反应过程中，高碘酸盐/黑暗组和模拟太阳光组两个对照组的超氧岐化酶活性变化不大。高碘酸盐/模拟太阳光组的超氧岐化酶活性在20分钟内先急剧增加，用于抵抗外部自由基，而后随着自由基攻击和细菌凋亡，超氧岐化酶活性下降。
[0066]
实施例7
[0067]
自然太阳光活化高碘酸盐灭活河水中的大肠杆菌
[0068]
取1l河水，加入大肠杆菌储备液，使其初始菌浓度为1
×
107cfu/ml，装入体积约为1.6l的有机玻璃水槽中，得到待处理的含大肠杆菌自然水体。向上述含大肠杆菌自然水体中加入高碘酸钠，使其浓度为0.2mmol/l，在磁力搅拌器作用下充分混匀，得到混合体系。将该混合体系置于室外，即在自然太阳光照射下进行光催化反应，实验地点为东经e116
°
18’，北纬n39
°
59’，实验反应开始时间为上午10点，经测量反应过程中自然光光照强度为45～51mw/cm2。
[0069]
反应过程中，在固定的反应时间点0、10、20、30和40分钟分别取样得到菌悬液，将所得菌悬液依次稀释不同倍数，取100μl稀释液涂布到培养基上，将培养基置于恒温培养箱中37℃培养24小时，培养结束后取出计数，得到杀菌曲线，结果见图6。
[0070]
实施例8
[0071]
自然太阳光活化高碘酸盐灭活河水中的大肠杆菌
[0072]
重复实施例7，有以下不同点：实验反应开始时间为下午3点，经测量反应过程中自然光光照强度为29～35mw/cm2，结果见图6。
[0073]
作为实施例7和实施例8的一个对比例，重复实施例7的过程，只是将该混合体系置于黑暗中代替置于自然太阳光照射下进行反应，结果见图6。
[0074]
作为实施例7和实施例8的另一个对比例，重复实施例7的过程，只是不添加高碘酸钠，仅采用自然太阳光处理含大肠杆菌水体，结果见图6。
[0075]
参见图6，在自然太阳光照射条件下，河水中1
×
107cfu/ml的大肠杆菌在 40分钟内被自然太阳光/高碘酸盐体系完全灭活，可见高碘酸盐能够被自然太阳光有效激发，从而应用于实际水体的消毒。
[0076]
实施例9
[0077]
自然太阳光活化高碘酸盐灭活海水中的大肠杆菌
[0078]
取1l海水，加入大肠杆菌储备液，使其初始菌浓度为1
×
107cfu/ml，装入体积约为1.6l的有机玻璃水槽中，得到待处理的含大肠杆菌自然水体。向上述含大肠杆菌自然水体中加入高碘酸钠，使其浓度为0.2mmol/l，在磁力搅拌器作用下充分混匀，得到混合体系。将该混合体系置于室外，即在自然太阳光照射下进行光催化反应，实验地点为东经e116
°
18’，北纬n39
°
59’，实验反应开始时间为上午11点，经测量反应过程中自然光光照强度为44～47mw/cm2。
[0079]
反应过程中，在固定的反应时间点0、10、20、30、40和50分钟分别取样得到菌悬液，将所得菌悬液依次稀释不同倍数，取100μl稀释液涂布到培养基上，将培养基置于恒温培养箱中37℃培养24小时，培养结束后取出计数，得到杀菌曲线，结果见图7。
[0080]
实施例10
[0081]
自然太阳光活化高碘酸盐灭活海水中的大肠杆菌
[0082]
重复实施例9，有以下不同点：实验反应开始时间为下午2点，经测量反应过程中自然光光照强度为31～37mw/cm2，结果见图7。
[0083]
作为实施例9和实施例10的一个对比例，重复实施例9的过程，只是将该混合体系置于黑暗中代替置于自然太阳光照射下进行反应，结果见图7。
[0084]
作为实施例9和实施例10的另一个对比例，重复实施例9的过程，只是不添加高碘酸钠，仅采用自然太阳光处理含大肠杆菌水体，结果见图7。
[0085]
参见图7，在自然太阳光照射条件下，海水中1
×
107cfu/ml的大肠杆菌在 50分钟内被自然太阳光/高碘酸盐体系完全灭活，可见高碘酸盐能够被自然太阳光有效激发，从而应用于实际水体的消毒。
[0086]
实施例11
[0087]
重复实施例1，有以下不同点：向含大肠杆菌水体中加入高碘酸钠时，使高碘酸钠浓度降至0.1mmol/l，结果见图8。
[0088]
实施例12
[0089]
重复实施例1，有以下不同点：向含大肠杆菌水体中加入高碘酸钠时，使高碘酸钠浓度升至0.3mmol/l，结果见图8。
[0090]
实施例13
[0091]
重复实施例1，有以下不同点：向含大肠杆菌水体中加入高碘酸钠时，使高碘酸钠浓度升至0.4mmol/l，结果见图8。
[0092]
参见图8，高碘酸盐浓度越高，模拟太阳光/高碘酸盐体系的杀菌效果越好，其中，0.1mmol/l在50分钟内不能完全灭活细菌，0.2mmol/l高碘酸盐能够在 40分钟内完全灭活细菌。
[0093]
本技术实施例提供的一种利用太阳光活化高碘酸盐灭活水体中细菌的方法，通过将高碘酸盐溶解于待处理的含细菌水体中形成混合体系，将该混合体系于太阳光光照条件下反应，以实现细菌灭活。本技术实施例首次通过太阳光激发高碘酸盐用于水体杀菌消毒，在使用0.2mmol/l的高碘酸盐投量下，经太阳光照射 40分钟可完全灭活1
×
107cfu/ml的大肠杆菌，可见，利用太阳光可以激发高碘酸盐产生强氧化性自由基，例如超氧自由基，攻击细胞膜，引起细菌内超氧歧化酶先增加，随着继续氧化应激，超氧歧化酶活性下降，细菌胞内物质被破坏，从而灭活水体中的细菌。本技术实施例提供的方法，一方面需要用到的化学试剂和设备容易获取，操作简便，应用价值高，容易推广，另一方面安全稳定，不需要引入激发剂，无离子或者其他激发剂组分释放的风险。此外，该方法能够应用于自来水、河水和海水等天然水体的消毒净化。
[0094]
以上所述的具体实施例，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施例而已，并不用于限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。