一种微生物基驱动粉体自组装粒子及其组装和应用方法

一种微生物基驱动粉体自组装粒子及其组装和应用方法
【专利摘要】本发明公开了一种微生物基驱动粉体自组装粒子及其组装和应用方法。本发明以丝状真菌为组装驱动体，以糖类等生物质为生长驱动的能量源，将分散在水溶液中的粉体添加于丝状真菌生长溶液内，经恒温振荡培养，得到以菌丝体为基质，定向负载粉体粒子的宏观组装体。本发明过程简单、成本低、高效且清洁可持续，可规模化粉体组装，适用于炭、无机氧化物、聚合物等系列纳米材料的宏观组装制备。所得组装粒子尺寸可达到0.1-5mm，不仅孔隙发达，而且结构稳定，可有效应用于水体污染物吸附。CGMCC No.559920111215
【专利说明】
一种微生物基驱动粉体自组装粒子及其组装和应用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种绿色清洁可持续的粉体（含超细粉体）的组装方法，自组装粒子 及其应用方法，属于微纳材料组装领域。
【背景技术】
[0002] 粉体材料，尤其是超细粉体，具有巨大的比表面积，对环境刺激响应的灵敏 度很高，与跟其接触的物质作用能力很强。因此，粉体材料在很多学科和领域有着 广泛的应用潜力。如高分子或氧化物粉体常被用于水处理吸附领域和各种传感应用 中。Wang等报道了纳米级氧化铁对砷具有高效吸附能力[ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5, 12449-12459] ;Zhang等报道了聚间苯二胺纳米粒子对染料等污染 物吸附量可超过 300mg g 1IiJournal of Materials Chemistry, 2012, 22, 18244-18251]; Kaner等发现聚苯胺纳米纤维具有更灵敏的硫化氢传感能力[Accounts of Chemical Research, 2009, 42, 135-145]〇
[0003] 尽管粉体材料性能优越，但纳米颗粒本身固有的高团聚性，会降低其接触面积，影 响其性能；而且小尺度下的粉体材料也会增加产业化应用成本，如环境吸附过程需要额外 增加过滤等操作能耗，存在纳米毒性风险等。因此，实现纳米材料器件化，构建宏观尺度的 组装结构，使其小尺度下优越的性质在宏观世界中可操作地表达出来，是当前纳米材料研 究及应用的热点[ACS Nano,2012, 6,2693-2703]。根据不同的应用需求，目前已提出多种 组装技术集成粉体材料性质。Yang等提出Langmuir-Blodgett技术（LB技术）组装贵金 属纳米纤维成规则排列的膜状材料，并发现其具有优越的光子应用性能。除LB技术外， 场诱导技术、界面诱导技术、电纺丝技术、抽滤技术、蒸发技术等亦可用于粉体材料的组装 [Chemical Reviews, 2012, 112, 4770-4799]。然而，现在的这些组装技术不同程度地存在技 术难度大、能耗高、效率低、可持续性差等缺点，难以满足大规模的组装需求。

【发明内容】

[0004] 本发明提出一种基于微生物驱动的粉体材料（含超细粉体）的组装新方法，以及 组装而成的粒子和其应用方法。通过本发明方法制备得到的粉体组装体颗粒均匀，尺寸达 到 1-5_，孔隙发达，结构稳定，同时组装体具有优异吸附性能，而且组装过程成本低、操作 简便、效率高、可持续性高、适合大规模制备。
[0005] -种微生物基驱动粉体自组装方法，将粉体材料与丝状真菌混合培养后，即形成 以菌丝体为基质的粉体组装粒子。所述的粉体组装粒子尺寸为0. 1_5_。
[0006] 上述方法中丝状真菌优选包括棘孢曲霉、黑曲霉、黄曲霉、根曲霉、青霉中的一种 或几种。丝状真菌与粉体混合培养时的接种浓度为0.1 -IOmg菌丝体/mL。
[0007] 上述方法中所述的粉体材料为不溶于水的固体粉末材料。粉体材料粒径在 IOnm-IOO μ m 之间。
[0008] 上述方法中所述的粉体材料与丝状真菌混合培养时的添加浓度优选不超过15g/ L0
[0009] 上述方法中所述的粉体材料包括：碳粉、聚合物或无机化合物。
[0010] 上述方法中碳粉包括石墨烯、石墨、碳纳米管、活性炭中的一种或几种；聚合物包 括共辄聚合物、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或几种；无机化合物包括金属氧化物、合金粉、 类金属氧化物或合金中的一种或几种。
[0011] 上述方法中粉体材料优选包括：氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化镍、纳米碳球、碳纳 米管、石墨稀、活性炭、娃纳米粒子、聚间苯二胺纳米粒子中的一种或几种。
[0012] 上述方法中所述的组装粒子培养温度为30_40°C，优选35_38°C ;培养振荡速率为 50-300rpm，优选 100-200rpm ;培养时间为 6-120h，优选 72-96h。
[0013] 上述方法中粉体材料与丝状真菌混合培养的培养液中含有丝状真菌生长所需的 糖类和微量成分。糖类包括葡萄糖、蔗糖、麦芽糖中的一种或几种；微量成分包括可溶性钠 盐、钙盐、镁盐、亚铁盐和钾盐。糖类在混合培养液中的浓度范围为l〇-l〇〇g/L。可溶性钠盐 包括硝酸钠，可溶性钙盐包括氯化钙，可溶性钾盐包括磷酸氢二钾，可溶性镁盐包括氯化镁 和硫酸镁中的一种或两种，可溶性亚铁盐包括硫酸亚铁。
[0014] 上述方法中粉体材料与丝状真菌混合培养的培养液中含有硫酸镁0. 5g/L，硫酸亚 铁0. 01g/L，磷酸氢二钾2g/L，硝酸钠 3g/L，氯化钙0. 5g/L。
[0015] -种微生物基驱动粉体自组装粒子，是由上述的方法组装而成。
[0016] 所述的微生物基驱动粉体自组装粒子的应用方法，用于水体污染物的吸附。
[0017] 水体污染物包括：重金属、阴离子、有机污染物。
[0018] 本发明有益效果：
[0019] (1)本发明提出的微粒组装技术普适性强，可以使不同尺度微纳粒子，自组装形 成，适用于各种不溶于水、不同粒径的粉体材料的宏观组装体构建，为当前微纳尺度材料的 自组装提供了一个新的技术思路，具有重大的科学研究价值。
[0020] (2)本发明所提出的微粒组装技术基于丝状真菌生长驱动提出。丝状真菌生长所 需能量均由糖类等生物质提供，清洁无害，环境友好，具有可持续特性。
[0021] (3)本发明通过丝状真菌的生长驱动，使水溶液中的粉体材料自发、有序吸附于菌 丝表面，形成宏观尺度组装体。过程操作简单、成本低、可持续性高，易于实现规模化生产， 对于实现微纳材料组装领域产业化有重要意义。
[0022] (4)本发明所得组装粒子具有宏观尺度，而且孔隙发达，可以直接应用于水体污染 物吸附，具有潜在的应用前景。
[0023] 本发明的菌株Penicillium Chrysogenum Fl已经于2011年12月15日保藏于 中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号 院3号，中国科学院微生物研究所，保藏号为CGMCC No. 5599,分类命名为Penicillium Chrysogenum0
【附图说明】
[0024] 图1是聚间苯二胺纳米粒子形貌图；
[0025] 图2是氧化铁纳米粒子形貌图；
[0026] 图3是活性炭粉形貌图；
[0027] 图4是本发明不同粉体材料的组装体图；从左至右分别是氧化铁、活性炭粉及聚 间苯二胺组装粒子；
[0028] 图5是本发明Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)与聚间苯二胺纳米粒子组装 材料的SEM图；
[0029] 图6是本发明Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)与氧化铁粉体组装材料的 SEM 图；
[0030] 图 7 是本发明 Penicillium Chrysogenum Fl (CGMCC No. 5599)与活性炭粉体组装 材料的SEM图。
【具体实施方式】
[0031] 以下实施例分别以两种不同属的丝状真菌进行试验，分别为Aspergillus niger(CCTCC AF 91006)、Penicillium Chrysogenum Fl (CGMCC No. 5599)，结合实施例对本 发明进一步说明，而不会限制本发明。
[0032] 实施例1
[0033] 菌种的准备。称量200g清洗干净的土豆切条，加入500ml的去离子水并煮沸20 分钟。所得滤液用去离子水定容到1L，并在121°C下高压灭菌锅中灭菌15分钟。收取平板 上培养好的真菌孢子，接种到灭菌的培养基中，每100mL培养基接种IO 6-IO7个孢子，孢子数 通过平板读数法计算。培养基置于转速150rpm，37°C的摇床培养3天，得到大量的菌丝液。 通过1500rpm的高速搅拌搅勾菌丝，备用。
[0034] 实施例2
[0035] 粉体组装用培养基的准备。称量糖类20g(糖类选择可为葡萄糖、麦芽糖、或蔗糖 等），硫酸镁〇. 5g，硫酸化亚铁0.0 lg，磷酸氢二钾2g，硝酸钠3g，氯化妈0. 5g，定溶于IL去 离子水中，分装至锥形瓶中，经121°C高压灭菌15分钟，得到组装用的培养基。
[0036] 实施例3
[0037] 聚合物粉体的组装。称量一定量的聚间苯二胺粉体（90nm-1000nm)，将其投加至实 施例2的组装用培养基中，最大浓度为4g/L。再经121°C高压灭菌15分钟。其后，在无菌 操作台内移取Iml实施例1的Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)菌丝液（按照7mg菌 丝体/mL浓度接种）至培养基中。150rpm，37°C经3天培养，得球形组装体，宏观尺度达到 0. 5mm ~ 3mm〇
[0038] 实施例4
[0039] 氧化铁粉体的组装。称量一定量的氧化铁粉体（50nm-1000nm)，将其投加至实施 例2组装用培养基中，最大浓度为15g/L。再经121°C高压灭菌15分钟。其后，在无菌操作 台内移取Iml实施例1的Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)菌丝液（按照2mg菌丝体 /mL浓度接种）至培养基中。150rpm，37°C仅需6小时培养，得球形组装体，宏观尺度达到 Imm ~5mm〇
[0040] 实施例5
[0041] 碳粉的组装。称量一定量的活性炭粉体（15nm_10 μ m)，将其投加至实施例2组装 用培养基中，最大浓度可为5g/L。再经121°C高压灭菌15分钟。其后，在无菌操作台内移取 Iml实施例1的Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)菌丝液（按照5mg菌丝体ZmT,浓度 接种）至培养基中。150rpm，37°C经过4天培养，得球形组装体，宏观尺度达到Imm~5mm。
[0042] 相关组装材料形貌如图4-6所示。由图可见，通过基于本发明提出的组装方法得 到的组装材料宏观尺度在0. l_5mm间，而且粉体粒子紧密吸附或负载于菌丝体表面，形成 一种特殊的以菌丝体为基质的系列纳米粉体宏观自组装体。而且组装体含有大量的孔隙结 构，有利于保障良好的传质及接触效率。
[0043] 实施例6
[0044] 其他丝状真菌也可用于纳米粒子组装，本实施例采用Penicillium Chrysogenum F1(CGMCC No. 5599)进行拓展展示。菌种的准备以及组装培养基的准备与实施例1和2 的方法一致。分别准备l〇g/L的聚间苯二胺纳米粒子粉体、氧化铁粉体和活性炭粉体分 散液加入到组装培养基中，经121°C高压灭菌15分钟。其后，在无菌操作台内移取Iml Penicillium Chrysogenum Fl (CGMCC No. 5599)的菌丝液至培养基中（按照 5mg 菌丝体 / mL浓度接种）。150rpm，37°C经过4天培养，得球形组装体，宏观尺度达到0.1 mm~5mm。
[0045] 实施例7
[0046] 为进一步考察所得组装粒子的应用效果，测定了得到的组装体对水体中有机物的 吸附作用。操作步骤为，用纱布过滤组装粒子，滤干多余的水分直至无液滴，称量5g产物， 投加至100mL的橙黄G溶液，浓度为lOOppm，调节溶液pH = 1，振荡6小时，过滤分离。采 用分光光度法，分析溶液中橙黄G的残余浓度，计算脱除率。相关结果如下表所示。
[0048] 由上表可见，本发明所得粒子经过组装后，仍然展现了对溶质良好的传质效率，对 水体中有机物有优异的吸附作用。
【主权项】
1. 一种微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，将粉体材料与丝状真菌混合培养 后，即形成以菌丝体为基质的粉体组装粒子。2. 根据权利要求1所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，所述的粉体组 装粒子尺寸为0. l-5mm。3. 根据权利要求1所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，丝状真菌包括 棘孢曲霉、黑曲霉、黄曲霉、根曲霉、青霉中的一种或几种。4. 根据权利要求1或2或3所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，丝状真 菌与粉体混合培养时的接种浓度为〇. l-l〇mg菌丝体/mL。5. 根据权利要求1所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，所述的粉体材 料为不溶于水的固体粉末材料。6. 根据权利要求5所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，所述的粉体材 料粒径在10nm-100 μ m之间。7. 根据权利要求5或6所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，所述的粉体 材料与丝状真菌混合培养时的添加浓度不超过15g/L。8. 根据权利要求5或6所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，所述的粉体 材料包括：碳粉、聚合物或无机化合物。9. 根据权利要求8所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，碳粉包括石墨 烯、石墨、碳纳米管、活性炭中的一种或几种；聚合物包括共辄聚合物、环氧树脂、酚醛树脂 中的一种或几种；无机化合物包括金属氧化物、合金粉、类金属氧化物或合金中的一种或几 种。10. 根据权利要求9所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，粉体材料包 括：氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化镍、纳米碳球、碳纳米管、石墨稀、活性炭、娃纳米粒子、聚 间苯二胺纳米粒子中的一种或几种。11. 根据权利要求1所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，其特征在于， 所述的组装粒子培养温度为30-40°C ;培养振荡速率为50-300rpm ;培养时间为6-120h。12. 根据权利要求11所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，其特征在于， 所述的组装粒子培养温度为35-38°C ;培养振荡速率为100_200rpm ;培养时间为72-96h。13. 根据权利要求1所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，粉体材料与丝 状真菌混合培养的培养液中含有丝状真菌生长所需的糖类和微量成分。14. 根据权利要求13所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，糖类包括葡 萄糖、蔗糖、麦芽糖中的一种或几种；微量成分包括可溶性钠盐、钙盐、镁盐、亚铁盐和钾盐。15. 根据权利要求13或14所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，糖类在 混合培养液中的浓度范围为l〇-l〇〇g/L。16. 根据权利要求13或14所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，可溶性 钠盐包括硝酸钠，可溶性钙盐包括氯化钙，可溶性钾盐包括磷酸氢二钾，可溶性镁盐包括氯 化镁和硫酸镁中的一种或两种，可溶性亚铁盐包括硫酸亚铁。17. 根据权利要求16所述的微生物基驱动粉体自组装方法，其特征在于，粉体材料与 丝状真菌混合培养的培养液中含有硫酸镁0. 5g/L，硫酸亚铁0. 01g/L，磷酸氢二钾2g/L，硝 酸钠3g/L，氯化钙0. 5g/L。18. -种微生物基驱动粉体自组装粒子，是由权利要求1或2或3或5或6或11或12 或13或14所述的方法组装而成。19. 权利要求18所述的微生物基驱动粉体自组装粒子的应用方法，其特征在于，用于 水体污染物的吸附。20. 根据权利要求19所述的微生物基驱动粉体自组装粒子的应用方法，其特征在于， 水体污染物包括：重金属、阴离子、有机污染物。
【文档编号】C12R1/80GK105861313SQ201510027548
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月20日
【发明人】柴立元, 王海鹰, 张理源, 唐崇俭, 李晓锐, 杨志辉, 李青竹, 杨卫春, 刘恢, 闵小波, 廖骐, 王庆伟
【申请人】中南大学