一种固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜及其应用

1.本发明属于工业有机废水处理技术领域；具体涉及一种用于高效处理工业有机废水的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着纺织、造纸、医药和石油化工等工业领域的快速发展，其生产加工过程中产生的大量含染料、酚类等有机物的废水已成为工业废水的主要来源之一。这些废水具有水量大、有机物含量高和有机物结构稳定等特点，对环境乃至人类健康产生了直接的危害。目前针对此类工业废水的处理包括物理法、化学法和生物法，其中物理法往往只是将污染物转移，未能真正降解污染物，容易造成二次污染；化学法处理效果欠佳，且需要消耗大量的试剂和能源。相对而言，借助微生物的吸附和氧化还原作用实现染料、酚类等物质的降解的生物法是一种经济、温和且环境友好的处理方法，因而近年来受到了广泛的关注。然而，生物法处理常需较长时间，处理效率不够理想，如何显著提升微生物对有机物的处理效率是该领域的研究热点之一。
3.希瓦氏菌是一种广泛存在于土壤和水体中的兼性厌氧菌，可利用染料、酚类、亚硝酸盐、氧化三甲胺和金属氧化物等作为电子受体，将其还原而实现污染物降解的目的。因此，利用希瓦氏菌处理染料、酚类等工业有机废水引起了研究者的兴趣。然而，希瓦氏菌的高效工作必须以其形成致密生物膜为前提。实际而言，该细菌的低固载率限制了其推广应用。若能寻找合适的手段解决以上问题，则对于其在工业有机废水的应用处理具有明显的意义和价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对希瓦氏菌存在菌体固载率低和电子传输效率不够理想的问题，提供一种固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的制备方法，在实现希瓦氏菌高效固载的同时显著提升其电子传输效率，所得固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜可用于高效处理染料、酚类等工业有机废水。
5.第一方面，本发明提供的一种固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜；希瓦氏菌在纳米纤维素复合膜上成膜。纳米纤维素复合膜为石墨烯-纳米纤维素复合膜；石墨烯上沉积有金属。
6.作为优选，所述的金属采用银。
7.作为优选，石墨烯在纳米纤维素复合膜上的固载量为2wt％～35wt％。
8.作为优选，该固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的电导率为150s/m～20000s/m，其中银和石墨烯的质量比为1:20～5:1。
9.作为优选，所述的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜通过将石墨烯-纳米纤维素复合膜置于含有银离子和希瓦氏菌的溶液中处理得到。
10.作为优选，所述的石墨烯-纳米纤维素复合膜通过将醋杆菌置于含有氧化石墨烯
的混合培养基中培养并经还原处理后得到。
11.该固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的制备方法，具体如下：
12.步骤一、配制含有氧化石墨烯的混合培养基。
13.步骤二、将醋杆菌加入步骤一所得的混合培养基中培养，形成氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜。
14.步骤三、加热步骤二所得的氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜，加入助还原剂，使氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜还原为石墨烯-纳米纤维素复合膜。
15.步骤四、配制含有银离子和希瓦氏菌湿菌体的混合溶液。
16.步骤五、将步骤三所得的石墨烯-纳米纤维素复合膜置于步骤四所得的混合溶液中反应，在将希瓦氏菌固载于石墨烯-纳米纤维素复合膜的同时，实现银离子在石墨烯上的还原和沉积。
17.步骤六、将步骤五所得产物进行清洗，得到固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜。
18.作为优选，步骤一中，所述的含有氧化石墨烯的混合培养基为氧化石墨烯、葡萄糖、蛋白胨、酵母浸膏、磷酸氢二钠和乙醇的混合溶液。其中，葡萄糖、蛋白胨、酵母浸膏、磷酸氢二钠和乙醇在混合溶液中的质量浓度分别为2-12％、0.2-1％、0.2-1％、0.02-0.1％和0.02-0.1％；氧化石墨烯在混合溶液中的质量浓度为0.02-4％。
19.作为优选，步骤二中，所述的醋杆菌为木醋杆菌acetobacter xylinum、中间葡萄糖醋杆菌gluconacetobacter intermedius和汉森醋杆菌acetobacter hansenii中的一种或多种。
20.作为优选，步骤二中，所述的培养条件为：培养温度30℃，培养时间2-10d。
21.作为优选，步骤三中，所述的助还原剂为维生素c，其用量为0.2-5g/l；所述的加热条件为：加热温度60-95℃，加热时间4-48h。
22.作为优选，步骤四中，所述的银离子由硝酸银、醋酸银、乳酸银中的一种或多种溶于水后电离得到；所述的银离子在混合溶液中的浓度为0.05％-10％。所述的希瓦氏菌为shewanella oneidensis mr-1、shewanella xiamenensis bc01和shewanella strain j18143中的一种或多种；所述的希瓦氏菌湿菌体的制备方法为：将希瓦氏菌接种到含有蛋白胨、酵母粉和氯化钠的培养基中扩大培养12-48h，再经离心得到湿菌体；离心转速为5000-12000rpm，离心时间为5-15min；步骤四所述的混合溶液中，希瓦氏菌的浓度为1
×
10
5-1
×
107cfu/ml。
23.作为优选，步骤五中，所述的反应条件为：反应温度10-45℃，反应时间12-48h。
24.作为优选，步骤六中，所述的清洗过程为依次用盐酸溶液、氢氧化钠溶液和超纯水进行清洗。所述的盐酸溶液浓度为0.01-0.1mol/l，所述的氢氧化钠溶液浓度为0.01-0.1mol/l。
25.第二方面，本发明提供前述的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜处理工业有机废水的应用。
26.第三方面，本发明提供纳米纤维素复合膜作为菌载体的应用；所述的纳米纤维素复合膜中负载有石墨烯；石墨烯上搭载有金属。
27.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
28.1、本发明利用纳米纤维素的特异三维网络、超高比表面积和高亲和性，使希瓦氏
菌在纳米纤维素复合膜上固载并形成致密生物膜，解决了希瓦氏菌固载率低，反应活性不理想的缺陷。
29.2、本发明在含有氧化石墨烯的培养基中生成细菌纤维素，使得氧化石墨烯均匀分散在纳米纤维素中，并将氧化石墨烯还原得到的石墨烯作为沉积金属银的载体，使得金属银在生物膜中均匀分散，从而均匀提高生物膜不同位置的电子传输效率；又由于希瓦氏菌能够利用有机污染物作为电子受体，将其还原，实现有机污染物的降解；因此，生物膜电子传输效率的提高，能够进一步提升希瓦氏菌的反应活性，进而希瓦氏菌对有机污染物的降解效率。
30.3、本发明制备的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜可高效处理染料、酚类等工业有机污染物，且纳米纤维素、金属银和石墨烯对希瓦氏菌的反应活性有明显的协同增强效应；此外，所制备的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜可方便地回收重复循环使用，在实际应用时有明显的优势。
31.4、本发明提供的制备方法无需使用有机溶剂和有毒有害试剂，具有制备方法简单、反应条件温和、制备工艺绿色和成本低廉等优点。
附图说明
32.图1为本发明固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜对甲基橙染料溶液进行降解的污染物浓度变化图。
具体实施方式
33.下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1
35.一种用于高效处理工业有机废水的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的制备方法，包括以下步骤：
36.(1)分别称取3.50g氧化石墨烯、10.00g葡萄糖、0.8g蛋白胨、0.8g酵母浸膏、0.05g磷酸氢二钠和0.05g乙醇，溶解于100ml超纯水中，配制获得含有氧化石墨烯的混合培养基。
37.(2)将木醋杆菌加入步骤(1)所得含有氧化石墨烯的混合培养基中，30℃下培养7天，得到氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜。
38.(3)加热步骤(2)得到的氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜至90℃，加入2g/l维生素c，反应24h，使氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜还原为石墨烯-纳米纤维素复合膜。石墨烯-纳米纤维素复合膜中，石墨烯的含量为28.75wt％。
39.(4)配制40ml含有8wt％硝酸银和8
×
106cfu/ml的shewanella oneidensis mr-1湿菌体的混合溶液。shewanella oneidensis mr-1湿菌体的制备方法为：将shewanella oneidensis mr-1接种到1l由10g/l蛋白胨、5g/l酵母粉和10g/l氯化钠组成的培养基中扩大培养36h，再经离心得到湿菌体，离心转速为10000rpm，离心时间为10min。
40.(5)将步骤(3)所得石墨烯-纳米纤维素复合膜置于步骤(4)所得混合溶液中，30℃下反应24h。
41.(6)将步骤(5)所得产物依次用0.05mol/l盐酸、0.05mol/l氢氧化钠和超纯水清洗，得到固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，其电导率为17500s/m，其中银和石墨烯的质量比为2：3。
42.所得的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜能够用于处理工业有机废水；为证明该固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜对工业有机废水的处理效果，进行对比实验，具体如下：
43.取1
×
10-3
g所得固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，将其应用于工业有机污染物处理，实验对象为甲基橙染料(cas号：547-58-0)溶液。具体实验条件为：染料溶液初始浓度100mg/l，染料溶液体积20ml，反应温度30℃，并加入0.2g/l乳酸钠作为电子供体，作为实验组。如图1所示，经90min反应后，实验组中的染料溶液浓度下降93.68％。
44.与实验组保持其他实验条件相同，仅加入希瓦氏菌，作为对照组1，经90min反应，对照组1中的染料溶液浓度下降39.79％，表明纳米纤维素复合膜对于希瓦氏菌具有明显的活性增强作用。
45.使用纯纳米纤维素固载希瓦氏菌(即不进行步骤(1)，步骤(2)中的混合培养基不含氧化石墨烯，其他按步骤保持一致，制备复合薄膜)，纯纳米纤维素不导电；将所得固载希瓦氏菌的纯纳米纤维素应用于甲基橙染料降解处理，与实验组保持其他实验条件相同，作为对照组2；经90min反应，对照组2中的染料溶液浓度下降61.68％，表明纳米纤维素有利于希瓦氏菌形成致密生物膜，并有效提升其生物活性。
46.使用氧化石墨烯-纳米纤维素固载希瓦氏菌(即不进行步骤(3)，其他按步骤保持一致，制备复合薄膜)，氧化石墨烯-纳米纤维素电导率为7.5
×
10-6
s/m；将固载希瓦氏菌的氧化石墨烯-纳米纤维素应用于甲基橙染料降解处理，与实验组保持其他实验条件相同，作为对照组3，经90min反应，对照组3中的染料溶液浓度下降68.51％，表明氧化石墨烯-纳米纤维素载体对于希瓦氏菌的生物活性也具有提升作用，且因氧化石墨烯的吸附作用，使得最终处理效果优于纯纳米纤维素固载希瓦氏菌。
47.使用不含银离子的石墨烯-纳米纤维素固载希瓦氏菌(在步骤(4)中不加入银离子，其他按步骤保持一致，制备复合薄膜)，石墨烯-纳米纤维素电导率为8.32s/m；将固载希瓦氏菌的石墨烯-纳米纤维素应用于甲基橙染料降解处理，与实验组保持其他实验条件相同，作为对照组4，经90min反应，对照组4中的染料溶液浓度下降77.66％，表明石墨烯-纳米纤维素载体对于希瓦氏菌的生物活性也具有提升作用，且因石墨烯的吸附作用和较好的电子传输性能，使得最终处理效果优于纯纳米纤维素固载希瓦氏菌。
48.将金属银、石墨烯和希瓦氏菌三者的混合物(其用量与实施例1所得固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜中各个对应成分的含量相同)应用于甲基橙染料降解处理。与实验组保持其他实验条件相同，作为对照组5，经90min反应，对照组5中的染料溶液浓度下降58.75％，表明有纳米纤维素载体的存在，才能充分发挥希瓦氏菌固载形成致密生物膜以及金属银提高希瓦氏菌电子传输效率的优势。
49.结合实验组和对照组1-5可知，纳米纤维素、金属银和石墨烯对希瓦氏菌的反应活性有明显的协同增强效应。
50.将未固载希瓦氏菌的石墨烯-纳米纤维素直接应用于甲基橙染料降解处理，与实验组保持其他实验条件相同，作为对照组6，经90min作用，染料溶液浓度下降13.92％，表明石墨烯-纳米纤维素可吸附部分染料分子，但不能使其降解。
51.为了考察所得固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的重复使用性能，将上述固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜从反应溶液中取出，用超纯水清洗后再次用于催化氧化降解甲基橙染料溶液，实验条件保持不变。经90min反应后，染料溶液浓度下降93.40％。经10次重复使用，相同实验条件下，固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜仍可使染料溶液浓度下降91.93％，表明本实施例所得的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜具有优异的重复循环使用性。
52.实施例2
53.取1
×
10-3
g实施例1中所得的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，将其应用于工业有机污染物酸性黄199染料(cas号：70865-20-2)的处理。具体处理条件为：染料溶液初始浓度100mg/l，染料溶液体积20ml，反应温度30℃，并加入0.2g/l乳酸钠作为电子供体。经120min反应后，染料溶液浓度下降90.55％。
54.实施例3
55.取1
×
10-3
g实施例1中所得的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，将其应用于工业有机污染物苯酚(cas号：108-95-2)的处理。具体处理条件为：苯酚溶液初始浓度100mg/l，苯酚溶液体积20ml，反应温度30℃，并加入0.2g/l乳酸钠作为电子供体。经120min反应后，染料溶液浓度下降96.81％。
56.实施例4
57.一种用于高效处理工业有机废水的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的制备方法，包括以下步骤：
58.(1)分别称取1.00g氧化石墨烯、10.00g葡萄糖、0.8g蛋白胨、0.8g酵母浸膏、0.05g磷酸氢二钠和0.05g乙醇，溶解于100ml超纯水中，配制获得含有氧化石墨烯的混合培养基。
59.(2)将木醋杆菌加入步骤(1)所得含有氧化石墨烯的混合培养基中，30℃下培养7天，得到氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜。
60.(3)加热步骤(2)得到的氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜至90℃，加入2g/l维生素c，反应24h，使氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜还原为石墨烯-纳米纤维素复合膜。
61.(4)配制40ml含有10wt％硝酸银和8
×
106cfu/ml的shewanella oneidensis mr-1湿菌体的混合溶液。shewanella oneidensis mr-1湿菌体的制备方法为：将shewanella oneidensis mr-1接种到1l由10g/l蛋白胨、5g/l酵母粉和10g/l氯化钠组成的培养基中扩大培养36h，再经离心得到湿菌体，离心转速为10000rpm，离心时间为10min。
62.(5)将步骤(3)所得石墨烯-纳米纤维素复合膜置于步骤(4)所得混合溶液中，30℃下反应24h。
63.(6)将步骤(5)所得产物依次用0.05mol/l盐酸、0.05mol/l氢氧化钠和超纯水清洗，得到固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，其电导率为19200s/m，其中银和石墨烯的质量比为3：1。
64.取1
×
10-3
g所得固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，将其应用于工业有机污染物甲基橙染料(cas号：547-58-0)的处理。具体处理条件为：染料溶液初始浓度100mg/l，染料溶液体积20ml，反应温度30℃，并加入0.2g/l乳酸钠作为电子供体。经90min反应后，染料溶液浓度下降98.27％。
65.实施例5
66.一种用于高效处理工业有机废水的固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜的制备方法，包括以下步骤：
67.(1)分别称取2.00g氧化石墨烯、10.00g葡萄糖、0.8g蛋白胨、0.8g酵母浸膏、0.05g磷酸氢二钠和0.05g乙醇，溶解于100ml超纯水中，配制获得含有氧化石墨烯的混合培养基。
68.(2)将木醋杆菌加入步骤(1)所得含有氧化石墨烯的混合培养基中，30℃下培养7天，得到氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜。
69.(3)加热步骤(2)得到的氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜至90℃，加入2g/l维生素c，反应24h，使氧化石墨烯-纳米纤维素复合膜还原为石墨烯-纳米纤维素复合膜。
70.(4)配制40ml含有2wt％硝酸银和5
×
106cfu/ml的shewanella oneidensis mr-1湿菌体的混合溶液。shewanella oneidensis mr-1湿菌体的制备方法为：将shewanella oneidensis mr-1接种到1l由10g/l蛋白胨、5g/l酵母粉和10g/l氯化钠组成的培养基中扩大培养36h，再经离心得到湿菌体，离心转速为10000rpm，离心时间为10min。
71.(5)将步骤(3)所得石墨烯-纳米纤维素复合膜置于步骤(4)所得混合溶液中，30℃下反应24h。
72.(6)将步骤(5)所得产物依次用0.05mol/l盐酸、0.05mol/l氢氧化钠和超纯水清洗，得到固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，其电导率为8900s/m，其中银和石墨烯的质量比为1：4。
73.取1
×
10-3
g所得固载希瓦氏菌的纳米纤维素复合膜，将其应用于工业有机污染物酸性黄199染料(cas号：70865-20-2)的处理。具体处理条件为：染料溶液初始浓度100mg/l，染料溶液体积20ml，反应温度30℃，并加入0.2g/l乳酸钠作为电子供体。经150min反应后，染料溶液浓度下降90.09％。
74.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明的实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。