本发明属于功能材料和环境应用领域，涉及一种包埋纳米材料/群体感应淬灭酶复合小球制备方法。
背景技术：
膜生物反应器(membranebioreactor,mbr)是结合膜分离过程与生物处理的高效污水处理技术。但是在膜材料使用过程中，存在着易污染、易堵塞的等现象，影响膜材料的使用寿命。膜污染问题被认为是制约mbr广泛应用的最大障碍。在控制膜污染的方法中，包括膜材料本身的改性，物理、化学清洗等各种方法，其中膜材料本身的改性包括改善膜材料的亲水性能，在膜材质中添加抑菌纳米银颗粒、溶菌酶等。
群体感应抑制剂可以干扰信号分子系统的传导，抑制细菌某种特性和机理的表达。群体感应抑制剂包括群体感应淬灭酶和淬灭菌。基于群体感应的原理，将群体感应淬灭酶应用在膜生物反应器中，可以抑制生物膜的生长，从而达到控制膜污染的目的。但是，当游离淬灭酶单独使用时，会存在稳定性不好，易失活等缺点，一般会将酶做成负载材料进行应用。
海藻酸钠是一种天然多糖，具有负载酶载体所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性。常将其用于作为细菌、酶类的运载体、生物粘附剂和包埋剂等。但是，海藻酸钠属于天然多糖，做成海藻酸钠微球在mbr反应器内使用的时候，会存在力学强度不够，易破碎。且易被生物降解，造成纳米材料的泄露，同时小球的使用寿命短等问题。因此，研发一种耐冲刷、具备较好力学强度、较强抗污染能力且回收率高的微球，提高纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶微球在mbr中的使用寿命，对mbr中膜污染的控制具有实际的意义。
技术实现要素：
本发明提供一种包埋纳米材料/群体感应淬灭酶复合小球的制备方法。本发明的目的是将海藻酸钠微球表层包裹一层新型抗污染的高分子聚合物“外壳”，高分子聚合物中添加了氧化石墨烯，增强了聚合物“外壳”的抗污染特性。并且，利用外壳的孔径、力学强度和抗污染特性，增强小球在mbr中的耐冲刷和使用寿命，提高小球的回收率，避免造成纳米材料的环境污染。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种包埋纳米材料/群体感应淬灭酶复合小球的制备方法，包括下述步骤:
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：
按照质量比将25～50mg包括氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管的纳米材料分散在100～200ml磷酸盐缓冲溶液中，室温超声，得到纳米材料混合溶液；
按照质量比将75～150mg淬灭酶分散在上述纳米材料混合溶液中，超声搅拌，得到纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒混合溶液，真空冷冻干燥，即得纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒，冷冻保存备用；
2)水凝胶混合液的制备：
①配制纳米材料/群体感应淬灭酶-海藻酸钠溶液：
将步骤1)得到的纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入浓度为0.5～5g/l的海藻酸钠溶液中超声，得到纳米材料/群体感应淬灭酶-海藻酸钠溶液；其中，纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒占海藻酸钠质量分数为0.1～10wt％；
②配制添加剂溶液：
将占海藻酸钠质量分数为10～50wt％的添加剂溶于去离子水中，配制0.5～5g/l添加剂溶液；
③将纳米材料/群体感应淬灭酶-海藻酸钠溶液和添加剂溶液按照质量比10:1～1:10混合，搅拌溶解均匀即得水凝胶混合液，放置于4～10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶微球的制备：
将步骤2)得到的水凝胶混合液按照体积比为100～500ml滴至0.1～15wt％的金属盐水溶液中，得到水凝胶微球；将水凝胶微球用去离子水反复冲洗，保存在4～10℃的密闭容器中备用；
4)涂覆铸膜液的制备：
将质量分数为0.1～1wt％的氧化石墨烯加入70～80wt％有机溶剂中，超声；按照质量分数为1～5wt％加入高分子添加剂，高速搅拌，缓慢加入14～26wt％高分子聚合物，70℃搅拌，至高分子聚合物完全溶解，静置脱泡10～15h；
5)水凝胶复合小球的制备：
将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)的铸膜液，之后放入去离子水中浸泡至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
进一步，所述石墨烯的制备方法为机械剥离法、气相沉积法cvd、热解sic法、氧化石墨烯还原法、碳管切割法和液相直接超声剥离法制备的三层以下石墨烯。
进一步，所述碳纳米管包括单壁、双壁和多壁碳纳米管，管径为1～100nm，管长为0.5～100μm。
进一步，所述磷酸盐缓冲溶液为按质量比为0.68：0.12:1的磷酸二氢钾、氯化钠和超纯水配制的混合溶液。
进一步，所述步骤1)中，纳米材料混合溶液在0～10℃下超声搅拌30～60min。
进一步，所述添加剂为明胶、壳聚糖、木聚糖、羧基壳聚糖或羧甲基纤维素钠中的一种或两种以上混合物。
进一步，所述金属盐水溶液为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙或乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物。
进一步，所述有机溶剂包括n-n二甲基乙酰胺、n-n二甲基甲酰胺、二甲亚砜或n-甲基吡咯烷酮的一种或几种。
进一步，所述高分子添加剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和聚乙二醇、氯化锂、丙烯酸或β-环糊精中的一种或多种。
进一步，所述高分子聚合物包括聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氨酯或醋酸纤维素中的一种。
本发明的有益效果在于：
(1)海藻酸钠微球表层包裹一层高分子聚合物“外壳”，利用外壳的孔径、力学强度，改善传统海藻酸钠微球在mbr使用过程中出现的易碎、不耐冲刷的特点。
(2)在涂覆铸膜液中添加了氧化石墨烯，增强了高分子聚合物的抗污染特性。
(3)利用高分子聚合物“外壳”的保护，提高了小球的回收率，避免造成纳米材料的泄露，造成环境污染。
该复合小球能利用淬灭酶降解细菌信号分子的功能，抑制膜面生物膜的生长，同时该复合小球利用聚合物外壳的孔径、力学强度和抗污染特性，增强小球在mbr中的耐冲刷和使用寿命，提高小球的回收率，避免造成纳米材料的环境污染。包埋纳米材料/群体感应淬灭酶复合小球可以广泛应用在生物、水处理等各个领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
一种纳米材料/群体感应淬灭酶复合小球的制备方法，包括下述步骤:
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：按照质量比将25-50mg包括氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管的纳米材料分散在100-200ml磷酸盐缓冲溶液中，室温超声30～60min，得到纳米材料混合溶液；按照质量比将75-150mg淬灭酶分散在纳米材料混合溶液中，在0～10℃下超声搅拌30～60min，得到纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒混合溶液，真空冷冻干燥，即得纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒，冷冻保存备用；
上述石墨烯的制备方法为机械剥离法、气相沉积法(cvd)、热解sic法、氧化石墨烯还原法、碳管切割法和液相直接超声剥离法制备的三层以下石墨烯。碳纳米管包括单壁，双壁和多壁碳纳米管，管径为1～100nm，管长为0.5～100μm。
磷酸盐缓冲溶液为按质量比0.68：0.12:1配制的磷酸二氢钾、氯化钠和超纯水配制的混合溶液。淬灭酶为包括氨基酰化酶、内酯酶或脱羧酶在内的所有对细菌信号分子具有降解作用的淬灭酶。
2)水凝胶混合液的制备：
将适量海藻酸钠溶于20～100ml去离子水中，配制0.5～5g/l海藻酸钠溶液；将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为0.1～10wt％的纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声15～30min；将占海藻酸钠质量分数为10～50wt％的添加剂(明胶、壳聚糖、木聚糖、羧基壳聚糖、羧甲基纤维素钠中的一种或两种以上混合物)溶于20～100ml去离子水中，配制0.5～5g/l添加剂溶液；将混有纳米材料/群体感应淬灭酶的海藻酸钠溶液和添加剂溶液按10:1～1:10不同比例混合，搅拌溶解均匀，放置于4～10℃的密闭容器中备用。
3)水凝胶微球的制备：配制金属离子质量百分比为0.1～15wt％的金属盐水溶液(硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙、乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物)，作为离子交联剂；将步骤2)得到的水凝胶混合溶液用一次性注射器滴100～500ml金属盐水溶液中，得到水凝胶微球。将水凝胶用去离子水反复冲洗，保存在4～10℃的密闭容器中备用。
4)涂覆铸膜液的制备：将质量分数为0.1～1wt％的氧化石墨烯加入70～80wt％有机溶剂(n-n二甲基乙酰胺、n-n二甲基甲酰胺、二甲亚砜或n-甲基吡咯烷酮的一种或几种)中，超声；按照质量分数为1～5wt％加入高分子添加剂(聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和聚乙二醇、氯化锂、丙烯酸或β-环糊精中的一种或多种)，高速搅拌，缓慢加入14～26wt％高分子聚合物(聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氨酯和醋酸纤维素中的一种)，70℃搅拌，至高分子聚合物完全溶解，静置脱泡10～15h；
5)水凝胶复合小球的制备：将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)铸膜液，之后放入去离子水中至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
下面通过具体实施例对本发明做具体说明。
实施例1：
氧化石墨烯的制备采用的是hummer改进方法。所用的天然鳞片石墨粉为100目的粉末，纯度为99.999&。
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将50mg氧化石墨烯分散在150ml0.02mph(6.9)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声30min，加入150mg氨基酰化酶，在0℃下超声搅拌30min，真空冷冻干燥，即得氧化石墨烯/氨基酰化酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合液的制备：将适量海藻酸钠溶于100ml去离子水中，配制0.5g/l海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为0.1wt％纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声15min；将海藻酸钠质量分数为10wt％的添加剂壳聚糖，溶于20ml去离子水中，配制5g/l添加剂溶液。将混有纳米材料/群体感应淬灭酶的海藻酸钠溶液和壳聚糖溶液按10:1比例混合，搅拌溶解均匀，放置于4℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶微球的制备：配制0.1wt％的硫酸铜水溶液，作为离子交联剂；将步骤2)得到的水凝胶混合溶液用一次性注射器滴100ml硫酸铜溶液中，得到水凝胶微球。将水凝胶用去离子水反复冲洗，保存在4℃的密闭容器中备用。
4)涂覆铸膜液的制备：将质量分数为0.1wt％的氧化石墨烯加入80wt％n-n二甲基乙酰胺中，超声；按照质量分数为4wt％加入聚乙烯吡咯烷酮，高速搅拌，缓慢加入26wt％聚偏氟乙烯，70℃搅拌，至聚偏氟乙烯完全溶解，静置脱泡10h；
5)水凝胶复合小球的制备：将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)铸膜液，之后放入去离子水中至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
实施例2：
石墨烯的制备采用水合肼还原氧化石墨烯法：将实施例1中的氧化石墨烯100mg分散到水溶液100ml中，超声分散50min，然后加入水合肼(2ml,50％w/v)，混合均匀后回流条件下反应24h。反应结束后，样品过滤分离洗涤，并在60℃的真空烘箱中烘干。
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将25mg石墨烯分散在100ml0.2mph(7.0)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声40min，加入100mg脱羧酶，在4℃下超声搅拌40min，真空冷冻干燥，即得石墨烯/脱羧酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合液的制备：将适量海藻酸钠溶于50ml去离子水中，配制2g/l海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为2wt％纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声20min；将海藻酸钠质量分数为20wt％的添加剂羧基壳聚糖，溶于50ml去离子水中，配制3g/l添加剂溶液。将混有纳米材料/群体感应淬灭酶的海藻酸钠溶液和羧基壳聚糖溶液按10:3比例混合，搅拌溶解均匀，放置于6℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶微球的制备：配制5wt％的氯化铁水溶液，作为离子交联剂；将步骤2)得到的水凝胶混合溶液用一次性注射器滴200ml氯化铁水溶液中，得到水凝胶微球。将水凝胶用去离子水反复冲洗，保存在6℃的密闭容器中备用。
4)涂覆铸膜液的制备：将质量分数为0.5wt％的氧化石墨烯加入75wt％n-n二甲基甲酰胺中，超声；按照1wt％加入聚乙烯醇，高速搅拌，缓慢加入22.5wt％聚砜，70℃搅拌，至聚砜完全溶解，静置脱泡12h；
5)水凝胶复合小球的制备：将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)铸膜液，之后放入去离子水中至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
实施例3：
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将30mg管径为1nm，管长为0.5μm双壁碳纳米管分散在200ml0.2mph(7.0)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声60min，加入75mg内脂酶，在10℃下超声搅拌60min，真空冷冻干燥，即得碳纳米管/内脂酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合液的制备：将适量海藻酸钠溶于20ml去离子水中，配制5g/l海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的10wt％纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声30min；将海藻酸钠质量分数为50wt％的羧甲基纤维素钠，溶于100ml去离子水中，配制0.5g/l羧甲基纤维素钠溶液。将混有纳米材料/群体感应淬灭酶的海藻酸钠溶液和羧甲基纤维素钠溶液按2:9比例混合，搅拌溶解均匀，放置于10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶微球的制备：配制15wt％的氯化钙溶液，作为离子交联剂；将步骤2)得到的水凝胶混合溶液用一次性注射器滴500ml氯化钙水溶液中，得到水凝胶微球。将水凝胶用去离子水反复冲洗，保存在10℃的密闭容器中备用。
4)涂覆铸膜液的制备：将质量分数为1wt％的氧化石墨烯加入80wt％有机溶剂n-甲基吡咯烷酮中，超声；按照3wt％加入聚乙二醇、丙烯酸和β-环糊精混合物，高速搅拌，缓慢加入14wt％聚丙烯腈、聚氨酯和醋酸纤维素，70℃搅拌，至聚丙烯腈、聚氨酯和醋酸纤维素的混合物完全溶解，静置脱泡15h；
5)水凝胶复合小球的制备：将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)铸膜液，之后放入去离子水中至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
实施例4
氧化石墨烯的制备采用的是hummer改进方法。所用的天然鳞片石墨粉为100目的粉末，纯度为99.999&。
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将40mg管径为100nm，管长为50μm多壁碳纳米管分散在180ml0.02mph(6.9)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声50min，加入75mg氨基酰化酶，在0℃下超声搅拌30min，真空冷冻干燥，即得氧化石墨烯/氨基酰化酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合液的制备：将适量海藻酸钠溶于80ml去离子水中，配制0.8g/l海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为6wt％纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声25min；将海藻酸钠质量分数为25wt％的添加剂明胶、木聚糖的混合物，溶于60ml去离子水中，配制0.5g/l添加剂溶液。将混有纳米材料/群体感应淬灭酶的海藻酸钠溶液和明胶、木聚糖的混合物溶液按1:10比例混合，搅拌溶解均匀，放置于4℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶微球的制备：配制15wt％的氯化锌、氯化钡、氯化铝、氯化钙混合水溶液，作为离子交联剂；将步骤2)得到的水凝胶混合溶液用一次性注射器滴500ml氯化锌、氯化钡、氯化铝、氯化钙混合溶液中，得到水凝胶微球。将水凝胶用去离子水反复冲洗，保存在10℃的密闭容器中备用。
4)涂覆铸膜液的制备：将质量分数为1wt％的氧化石墨烯加入70wt％n-n二甲基乙酰胺、n-n二甲基甲酰胺的混合物中，超声；按照质量分数为5wt％加入丙烯酸，高速搅拌，缓慢加入26wt％聚氨酯，70℃搅拌，至聚偏氟乙烯聚氨酯完全溶解，静置脱泡10h；
5)水凝胶复合小球的制备：将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)铸膜液，之后放入去离子水中至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
实施例5
氧化石墨烯的制备采用的是hummer改进方法。所用的天然鳞片石墨粉为100目的粉末，纯度为99.999&。
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将30mg管径为60nm，管长为0.5μm单壁碳纳米管分散在120ml0.02mph(6.9)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声30min，加入120mg氨基酰化酶，在0℃下超声搅拌50min，真空冷冻干燥，即得氧化石墨烯/氨基酰化酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合液的制备：将适量海藻酸钠溶于30ml去离子水中，配制8g/l海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为2wt％纳米材料/群体感应淬灭酶杂化颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声20min；将海藻酸钠质量分数为25wt％的添加剂明胶，溶于30ml去离子水中，配制2g/l添加剂溶液。将混有纳米材料/群体感应淬灭酶的海藻酸钠溶液和明胶溶液按5:1比例混合，搅拌溶解均匀，放置于4℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶微球的制备：配制5wt％的乳酸钙水溶液，作为离子交联剂；将步骤2)得到的水凝胶混合溶液用一次性注射器滴200ml乳酸钙水溶液中，得到水凝胶微球。将水凝胶用去离子水反复冲洗，保存在5℃的密闭容器中备用。
4)涂覆铸膜液的制备：将质量分数为0.3wt％的氧化石墨烯加入70wt％n-n二甲基乙酰胺的混合物中，超声；按照质量分数为5wt％加入β-环糊精，高速搅拌，缓慢加入20wt％聚丙烯腈，70℃搅拌，至聚偏氟乙烯聚丙烯腈完全溶解，静置脱泡12h；
5)水凝胶复合小球的制备：将步骤3)得到的水凝胶微球蘸取步骤4)铸膜液，之后放入去离子水中至少24h，得到具有有机外壳+水凝胶内核结构的水凝胶复合小球。
本发明方法制备一种耐冲刷、具备较好力学强度、较强抗污染能力且回收率高的微球，能够提高纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶微球在mbr中的使用寿命，对mbr中膜污染的控制。
以上所述，仅是本发明针对一种包埋纳米材料/群体感应淬灭酶复合小球的制备方法的实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术对以上实施例所做的任何简单修改，变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。