一种负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于微生物复合材料技术领域，具体涉及一种负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的制备方法及其应用。

背景技术

随着世界人口的不断增长和城镇工业化的推进，水资源正受到越来越严重的污染，其中有大量含砷废水排入环境中。砷(As)是一种对人体及其他生物体有毒害作用的一级致癌物质，可经呼吸道和皮肤进入人体,经血液迅速分布至全身,大部分会与血红蛋白的脂蛋白结合,导致皮肤、生殖、癌症、神经和心血管等疾病。环境中的砷主要以AsO

废水中砷的去除是一个世界性的环境问题，现有技术中报道的现有除砷技术可以归纳为以下主要类别：氧化，沉淀，凝聚，膜分离，离子交换，生物处理系统和吸附。在某些情况下，这些除砷技术可以结合使用，以便最大限度地除去环境体系中的砷化合物。其中，天然矿物、金属氧化物纳米颗粒、氧化石墨烯和碳基等复合材料因具有较高的比表面积和良好的吸附能力被广泛应用于废水中砷的吸附去除。但因As(III)不容易被表面带负电的吸附剂除去，所以通常需要将As(III)先预氧化为As(V)。然而，As(III)被氧气氧化为As(V)的速率非常慢，而化学氧化剂往往价格昂贵，还可能会产生二次污染物。因此，利用砷氧化菌进行As(III)氧化被认为是一种更便宜及环保的选择。现已发现一些芽孢杆菌、变形杆菌、假单胞菌、根瘤菌和微球菌等细菌对As(III)都有一定的氧化固定能力。

但在实际应用过程中，微生物难以富集和回收利用，并可能对环境造成二次生物污染的缺点限制了其被用于环境问题的处理当中。因此，将微生物负载到固定形式的载体介质中或在基质材料上形成一定厚度的生物膜以实现科学循环利用，成为当下研究的热点。CN 113248004 A公开了一种污水处理微生物载体制备方法，将微生物包埋进制备的聚乙烯醇树脂小球中，并进行一系列的改性处理，应用于污水处理，其制备工艺简单，成本低，但是存在孔隙率低、传质性差、包埋导致微生物活性降低的缺点。CN 112897705 A公开了一种多层氧化石墨烯改性微生物载体的制备方法和应用，利用硅烷偶联剂对聚氨酯载体进行表面功能改性，并通过在载体表面接枝多层氧化石墨烯，从而提高载体的生物负载能力，该制备方法成本低、改性载体的热稳定性强，并且可解决生物固定化过程中挂膜时间长的问题，但也同时存在工艺复杂，孔隙率低，材料难以回收循环利用的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的应用。

本发明的技术方案如下：

一种负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将废弃生物质秸秆经洗净和粉碎后，过200目筛，然后烘干；

(2)向步骤(1)所得的物料中缓慢加入浓硫酸，充分搅拌混合，接着在冰浴条件下缓慢加入双氧水，边加边搅拌以防液体飞溅，使物料充分碳化，冷却至室温后用去离子水充分洗涤至接近中性，离心获得沉淀，然后经干燥，获得秸秆生物质炭；

(3)将聚丙烯腈、上述秸秆生物质炭与N,N-二甲基甲酰胺于55-65℃搅拌混合后，再经超声处理，获得纺丝液；

(4)将上述纺丝液进行静电纺丝，获得纳米纤维膜；

(5)将上述纳米纤维膜在保持适当张力的情况下，升温至260-280℃保温半碳化1.5-2.5h，获得前驱体产物；

(6)将上述前驱体产物降至室温后，裁切成型，在氮气气氛下，升温至790-810℃保温碳化1.5-2.5h；

(7)将步骤(6)所得的物料用KOH溶液于室温下活化10-12h，接着用去离子水洗涤至中性，再经干燥，获得生物质炭纳米纤维膜；

(8)将上述生物质炭纳米纤维膜浸泡于接种了砷氧化赫山单胞菌的液体培养基中，于27-29℃培养至对数生长期后，再保温培养9-11h，使培养液中的砷氧化赫山单胞菌充分粘附于生物质炭纳米纤维膜上，即得所述负载微生物的生物质炭纳米纤维膜。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中，所述步骤(1)所得的物料、浓硫酸和双氧水的比例为28-31g：190-210mL：60-70mL。

进一步优选的，所述步骤(2)中，所述干燥的温度为77-81℃，时间为45-50h。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中，所述N,N-二甲基甲酰胺的浓度为98％，所述聚丙烯腈的Mr为150,000。

进一步优选的，所述聚丙烯腈、上述秸秆生物质炭与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2-0.6g：2.0g：20mL。

更进一步优选的，所述聚丙烯腈、上述秸秆生物质炭与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.4g：2.0g：20mL。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(4)中的静电纺丝的具体工艺为：将所述纺丝液缓慢吸入20mL注射器中，金属针头类型为20号，内径0.6mm；设置注射器与接收辊之间的距离为16cm，推注速度为0.1mm/min，接收辊转速为100rpm；在针尖施加17kV的正电压，在接收辊上施加3kV的负电压进行静电纺丝；电纺时间设置为12h，保持静电纺丝设备箱体中的温度和湿度分别在35℃和40％；纺丝结束后将膜轻轻揭下放入真空烘箱中，于60℃干燥12h以去除表面残留溶剂。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(8)中的液体培养基的制备方法包括：

A、制备以下三种溶液：

溶液A：81.2mM MgSO

溶液B：4.8mM FeSO

溶液C：950mM NaHCO

B、将溶液A于121℃灭菌20min，将溶液B和C通过0.22μm孔径的过滤器过滤除菌。

C、按以下比例配制液体培养基：将100mL溶液A，2.5mL溶液B，10mL溶液C混合，用水补足至1L，并调节其pH至7.2得到所述液体培养基。

本发明的另一技术方案如下：

上述制备方法制得的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜在去除环境水体中的As(III)中的应用。

一种去除环境水体中的As(III)的方法，包括使用上述制备方法制得的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜

本发明的有益效果是：

1、本发明的生物质炭纳米纤维膜综合力学性能良好，具有一定的柔性，适合应用于污水处理体系中，并且由于其选用废弃生物质秸秆为原料，降低了生产成本，减少了化学品的使用，实现了环境友好和“以废治废”的目的。

2、本发明通过在电纺碳纳米纤维中添加生物质炭，并用KOH进行表面活化改性，使制得的复合膜材料具有极大的比表面积、高粗糙度和较多微孔，并且由于添加的生物质炭是化学氧化制得的，其赋予了复合膜良好的亲水性和生物相容性，为微生物的富集生长提供了充足的空间，也提供了大量附着活性位点。

3、本发明制得的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜在五个循环反应周期中显示出良好的As(III)生物催化效应和循环利用性能，是一种很好的微生物负载体，并且随着循环次数的增加，微生物复合膜对As(III)的氧化催化效率逐渐提高。

附图说明

图1为本发明实施例1中负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的制备流程示意图。

图2为本发明实施例2中不同秸秆生物炭添加量的生物质炭纳米纤维膜的扫描电镜和透射电镜对比图。

图3为本发明实施例3中不同秸秆生物炭添加量的生物质炭纳米纤维膜的应力应变曲线及杨氏模量曲线对比图。

图4为本发明实施例4中不同秸秆生物炭添加量的生物质炭纳米纤维膜负载微生物前后的傅里叶变换红外光谱对比图。

图5为本发明实施例5中不同秸秆生物炭添加量的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的微生物附着量对比图。

图6为本发明实施例6中不同秸秆生物炭添加量的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的循环性能测试结果对比图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

本发明所用秸秆购于北京索莱宝科技有限公司。本发明所用其他药品购于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司。本发明所用微生物砷氧化赫山单胞菌Herminiimonasarsenicoxydans(ULPAs1，DSM 17148)购于德国微生物菌种保藏中心DSMZ-德国微生物和细胞培养有限公司。

实施例1

如图1所示，一种负载微生物的生物质炭纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)选用废弃生物质秸秆为原料，洗净、粉碎后过200目筛并于80℃下烘干；

(2)向30g步骤(1)所得的物料中缓慢加入200mL浓硫酸搅拌20-30min，之后在冰浴条件下按浓硫酸与双氧水体积比为3:1缓慢加入67mL双氧水，边加边搅拌，防止液体飞溅，使秸秆充分炭化。待降至室温后，加入去离子水清洗数次，待清洗液接近中性时，离心分离沉淀物，于80℃下干燥48h，即得秸秆生物质炭；

(3)将秸秆生物炭(0g、0.2g、0.4g和0.6g)、2.0g聚丙烯腈(Mr＝150,000)加入20mL的N,N-二甲基甲酰胺(98％)中，在60℃水浴下磁力搅拌10h，最后超声2h以获得纺丝液；

(4)将上述纺丝液进行静电纺丝，获得纳米纤维膜，具体为：将纺丝液缓慢吸入20mL注射器中，金属针头类型为20号(内径0.6mm)。设置注射器与接收辊之间的距离为16cm，推注速度为0.1mm/min，接收辊转速为100rpm。在针尖施加17kV的正电压，在接收辊上施加3kV的负电压进行静电纺丝。为了确保每次在接收辊上获得的纳米纤维膜厚度相似，将电纺时间设置为12h。另外，保持静电纺丝设备(北京永康乐业科技发展有限公司，SS-1334H)箱体中的温度和湿度分别在35℃和40％左右。纺丝结束后将膜轻轻揭下放入真空烘箱中，于60℃干燥12h以去除表面残留溶剂；

(5)将上述纳米纤维膜的四角固定放入马弗炉中，以保持一定的张力，并在空气气氛下以1℃/min的升温速率从室温升至260℃并保持2h进行半碳化(预氧化)，获得前驱体产物；

(6)将上述前驱体产物降至室温后，小心裁剪成8cm×1.5cm的长方形，装入瓷舟放入管式炉中，在N

(7)将步骤(6)所得的物料冷却至室温后，将其浸入2M/L的KOH溶液中活化12h，之后取出用去离子水清洗至中性后于60℃干燥6h，获得生物质炭纳米纤维膜(对应加入的秸秆生物炭的量，依次为BACF-0、BACF-0.2、BACF-0.4、BACF-0.6)；

(8)将上述生物质炭纳米纤维膜浸泡于接种了砷氧化赫山单胞菌的液体培养基中，制得所述负载微生物的生物质炭纳米纤维膜，该步骤具体如下：

I、砷氧化赫山单胞菌Herminiimonas arsenicoxydans(ULPAs1，DSM 17148)购自DSMZ-德国微生物和细胞培养有限公司。

II、通过混合以下三种溶液来制备化学成分确定的液体培养基：溶液A：81.2mMMgSO

III、于超净台中取菌液加入到50mL灭菌的液体培养基中匀混，再投入两片制得的8cm×1.5cm生物质活性碳纳米纤维膜，将其放入28℃，100rpm摇床中培养。待其达到生长对数期时,将其转入28℃的培养箱中继续培养10h，使培养液中的菌尽可能多的沉降粘附到复合膜表面。取出即得到最终的所述负载微生物的生物质炭纳米纤维膜。

实施例2

将实施例1制得的不同秸秆生物炭添加量的生物质炭纳米纤维膜进行扫描电镜和透射电镜观察。

扫描电镜制样：将样品用导电胶粘合于扫描电镜的样品观测台上，随后将样品喷铂预处理30s，在15kV的电压下抽真空，观察样品的微观形貌。

透射电镜制样：取少量的样品粉末溶于酒精中，将样品溶液超声2h后，用胶头滴管取少量滴于已经预处理的铜网上，待酒精挥发干燥后，将样品铜网保存于干燥器中待用。

结果如图2所示，活化后的纳米纤维表面及内部产生了较多孔隙，材料比表面积增大，且有一定的柔性；随着秸秆生物炭添加量的增加，纳米纤维粗糙度提高。在添加量达到0.4g时表面修饰最为均匀，呈连珠串状，继续添加则会导致纤维黏结，直径加粗。

实施例3

以实施例1的方法制得的不同秸秆生物炭添加量的生物质炭纳米纤维膜为实验样品，将其置于模具下用模型机压制成3×10mm的杠铃状(如图3b)，采用拉力应变机进行测试。测试前，使用游标卡尺测量样品的厚度输入系统的测试方法里，再将待测样品固定在拉力应变机的卡糟中，调整传感器的位置，使应力和位移归零，最后以0.1mm/sec的速率拉伸样品。如图3a所示，随着秸秆生物炭含量的增加，复合膜的断裂拉伸应变提高，断裂拉伸强度降低；由公式计算出材料的杨氏模量逐渐降低(如图3b)，表现为材料刚性的降低和柔性的增强；由材料的断裂拉伸应变和强度可以得出BACF-0.2及BACF-0.4综合力学性能较好，适合微生物液体培养体系。

实施例4

以实施例1的方法制得的不同秸秆生物炭添加量的生物质炭纳米纤维膜在负载微生物前后形成的物料为实验样品，采用傅里叶变换红外光谱分析仪进行测试。样品均采用KBr压片法制备，具体操作为取待测样品与光谱纯KBr质量比1：100的比例混合，在玛瑙研钵中研磨混合后压片制样。测试时在室温下进行，仪器的波长范围在4000-500cm

实施例5

以实施例1的方法制得的不同秸秆生物炭添加量的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜为实验样品，采用BCA法对膜上附着的生物量进行测定。如图5所示，材料表面负载的生物量随着秸秆生物炭添加量的增加呈现先上升后下降的趋势，当秸秆生物炭的添加量为0.4g时，达到了实验组中的最高——47.43μg/cm

实施例6

以实施例1的方法制得的不同秸秆生物炭添加量的负载微生物的生物质炭纳米纤维膜为实验样品，每经过一次72h循环后将上一次的微生物复合膜投入含50mg/L As(III)的新鲜培养基，如此重复循环试验，并每隔12h左右采用原子荧光光谱-液相色谱联用的方法检测培养基中As(III)浓度。如图6所示，各个微生物复合膜在循环实验中表现出越来越好的生物催化效果，并且当秸秆生物炭添加量为0.4g时，对As(III)氧化的催化效果最好；在五次循环性能测试中，由于表面生物膜厚度及微生物对复合膜起到的演变效果趋于稳定，其达到自身最优值后保持稳定。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，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，皆应仍属本发明涵盖的范围内。