一种用生物-金属催化剂降解喹诺酮类抗菌药废水的方法

技术领域

本发明涉及一种喹诺酮类抗菌药废水降解的方法，尤其是涉及一种用生物-金属催化剂降解喹诺酮类抗菌药废水的方法。

背景技术

药物即能够治疗、预防、诊断疾病的活性化合物，在现代社会扮演着重要的角色。随着制药行业的持续发展，制药废水(Pharmaceutical products,PhP)总排放量超过6亿吨，占到总工业废水量的3％左右。环境中药物污染物主要的来源是制药业、医院、动物粪便、利用治疗化合物的研究活动和过期药物在环境中的排放。由于废水处理厂处理不当，这些污染物在废水、地表水甚至饮用水中都被检测到较高的含量。制药过程中各种原料经过一系列物化、生化反应制取产品，过程中生成大量制药中间体和代谢产物，同时产生大量高浓度、高毒性、难降解的废水，是较难处理的工业废水之一。左氧氟沙星(Levofloxacin，LEV)属于第三代喹诺酮类药物，能够有效抑制DNA的复制，是应用最广泛的氟喹诺酮类抗生素之一，其在环境的持续累积存在诱发细菌种群耐药性的隐患。生物钯催化剂已被证实在几种污染物的降解反应中能产生良好的效果，如六价铬、卤化材料和偶氮染料等，较之传统的废水处理办法，该方法成本低廉，对于环境更为友好。但目前探索生物钯在降解药物方面的研究十分不足，同时，生物铂的合成与催化仍是一大片空白。此前未曾有学者报道过生物钯、生物铂在降解左氧氟沙星的潜力。

随着近代工业快速发展，钯催化剂得到了广泛的使用，同时也产生了大量含钯废水。工业上为了回收此类贵金属离子开发了一系列方法，如离子交换、化学结合、表面沉淀等，但这些传统方法的经济成本较高。同时，铂作为一种重要的贵金属，在汽车、首饰、电子电路、抗癌药物等方面有着广泛的应用。钯、铂离子的来源十分充足，对该类贵金属离子进行回收再利用，符合可持续发展战略。生物吸附法作为一种新型的生物处理技术，在贵金属废液的处理中发挥了重要的作用。生物吸附法可以定义为用生物材料从溶液中去除金属或类金属物种、化合物和微粒，其中生物材料可以是活生物体或死生物体，甚至是细胞产物。通过生物质中存在的化学活性位点或官能团对金属离子进行物理、化学结合而实现金属离子的被动保留。生物吸附符合低成本、环保的特点，是一种很有前途的贵金属回收技术。研究表明，通过生物法吸附得到的生物钯(biological palladium，Bio-Pd)与生物铂(biological platinum，Bio-Pt)属于纳米级别的催化剂，其比表面积大，催化反应的速度、程度均优于传统金属催化剂，且重复利用率高。

由于生物质种类繁多，所得生物-金属的性能特征各不相同。吸附、催化过程涉及生物质自身结构的作用，生物对金属的吸附机理仍需系统的研究。生物钯凭借其优良的催化效能在环境保护领域崭露头角，但其在药物降解领域研究较少，仍需更多的研究阐明生物钯对各类药物的降解能力与降解机制，开拓生物钯更多的应用可能性。而相较于化工领域应用十分成熟的钯催化剂，目前鲜有研究合成生物铂并探究其催化能力，生物铂的合成与应用等方面仍是一大片空白。最后，虽然生物吸附固定、生物-金属协同催化等反应均已在实验室规模实现，但其尚未走向工业化，新型的技术如何应用于现实，这中间仍有很长的路要走。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种从含钯、铂离子废液中回收贵金属，制得的生物-金属作为纳米催化剂还原降解以左氧氟沙星为代表的喹诺酮类抗菌药废水的方法。本发明使用大肠杆菌废菌体对电镀废水中的钯离子、汽车制造行业废水中的铂离子进行吸附、还原，以制备得到的纳米级生物-金属催化剂对以左氧氟沙星为代表的第三代喹诺酮类抗菌药进行降解，同时也探究了对其他抗菌药如诺氟沙星的降解研究，完成了“以废治废”路线。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用生物-金属催化剂降解喹诺酮类抗菌药废水的方法，包括下述步骤：

(1)生物-金属催化剂的合成：使用大肠杆菌对生物-金属进行吸附与还原，得到纳米级别的生物-金属催化剂；

(2)抗菌药废水的降解：以上述制得的生物-金属催化剂对喹诺酮类抗菌药废水进行降解。

作为优选，所述生物-金属包括生物钯、生物铂金属，所述喹诺酮类抗菌药包括左氧氟沙星、诺氟沙星。

作为优选，步骤(1)为：使用敲除致病基因的大肠杆菌，在含钯离子、铂离子溶液中重悬孵育，通过相互作用，金属离子被大肠杆菌所捕获；在大肠杆菌自身携带的三类[NiFe]氢化酶的催化作用下，金属离子被鼓入到体系中的H

本发明以生物钯和生物铂两种催化剂作为研究材料，并将其应用于降解左氧氟沙星，探究降解过程最优条件。通过调控吸附过程的pH，计算钯离子、铂离子的最大吸附量，对左氧氟沙星进行降解。

作为优选，步骤(2)为：对左氧氟沙星进行全波长扫描，确定各个官能团的吸收波长，选择最大吸收波长作为定量分析的依据；以吸附还原后的生物钯、生物铂对左氧氟沙星分别进行直接降解和鼓H

作为优选，步骤(2)为：对诺氟沙星进行全波长扫描，确定各个官能团的吸收波长，选择吸收波长272nm作为定量分析的依据；以吸附还原后的生物钯、生物铂对诺氟沙星分别进行直接降解和鼓H

作为优选，步骤(1)具体为：称量0.5g大肠杆菌湿菌体并用100ml PdCl

作为优选，步骤(2)具体为：

配制左氧氟沙星溶液：将左氧氟沙星溶于蒸馏水中，用1mol/L盐酸调节pH为3.2，制得5mg/L的左氧氟沙星溶液；

直接降解：称取30mg生物钯/生物铂湿菌体，用20ml左氧氟沙星溶液分次溶解，转移至100ml锥形瓶中，在25℃、150rpm、避光的摇床中进行反应；每隔5h取样，利用孔径为0.22μm水系针式过滤器过滤除去生物钯/生物铂；利用HPLC进行检测；

通H

作为优选，步骤(2)具体为：

绘制诺氟沙星标准曲线，得诺氟沙星在272nm检测波长下吸光值与浓度的定量关系；

以生物钯、生物铂催化剂对诺氟沙星进行降解，称取30mg生物钯/生物铂湿菌体，用20ml诺氟沙星溶液分次溶解，转移至100ml三颈烧瓶中，通过抽干空气、鼓入H

本发明采用生物领域、发酵公司所产生的废弃、无毒菌体为生物质原料，对电镀废水、催化废水中的钯、铂离子进行吸附、富集、还原，再以制备得到的纳米级生物-金属催化剂对喹诺酮类药物进行降解；通过这条路线，合理利用了生物废水与含钯或含铂离子废水，对左氧氟沙星等药物的废水进行了清洁处理；同时，生物钯、生物铂在循环多次后仍能保持一定的催化活性，回收简单，在催化完成之后可通过简单焚烧的办法回收得到价格高昂的钯、铂贵金属，在经济效益方面非常有竞争力。通过本发明的“以废治废”路线，可以大大减轻环境中致敏贵金属、抗生素药物等污染物的负担，推定企业转型升级，契合碳排放，碳中和的发展规划。

附图说明

图1是生物-金属催化剂的形成示意图；

图2是生物-金属催化剂的透射电子显微镜图(A,Bio-Pd；B,Bio-Pt)；

图3是Pd(II)、Pt(IV)吸附曲线图；

图4是左氧氟沙星降解曲线图；

图5是诺氟沙星降解曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做出进一步的说明，这些实施并非是对本发明的限定，依照本领域现有的技术，本发明的实施方式并不限于此，凡依照本发明公开内容所做出的本领域的等同替换，均属本发明的保护内容。

本发明使用大肠杆菌废菌体对电镀废水中的钯离子、汽车制造行业废水中的铂离子进行吸附、还原，以制备得到的纳米级生物-金属催化剂对以左氧氟沙星未代表的第三代喹诺酮类抗菌药进行降解，同时也探究了对其他抗菌药如诺氟沙星的降解研究，完成了“以废治废”路线。

一种用生物-金属催化剂降解喹诺酮类抗菌药废水的方法，包括下述步骤：

(1)生物-金属(生物钯、生物铂)催化剂的合成：使用敲除致病基因的大肠杆菌，在含钯离子、铂离子溶液中重悬孵育，通过沉淀、静电吸附、络合、离子交换等相互作用，金属离子被大肠杆菌所捕获；在大肠杆菌自身携带的三类[NiFe]氢化酶的催化作用下，金属离子被鼓入到体系中的H

具体为：称量0.5g大肠杆菌湿菌体并用100ml PdCl

(2)抗菌药废水的降解：以上述制得的生物钯/生物铂催化剂对以左氧氟沙星为代表的第三代喹诺酮类抗菌药进行降解，同时也探究了对其他抗菌药如诺氟沙星的降解研究。

钯离子、铂离子检测波长的确定及标准曲线绘制

为了确定钯离子的检测波长，用1mol/L盐酸调节溶液pH为2.0，溶解一定浓度的氯化钯溶液，以该pH2.0的盐酸溶液为空白对照进行全波长扫描，在235-250nm处有最高吸收峰，选择236nm为检测波长，通过配制200、175、150、125、100、75、50、25mg/L的氯化钯溶液，检测吸光值，绘得钯离子的标准曲线。

为了确定铂离子的检测波长，用1mol/L盐酸调节溶液pH为2.0，溶解一定浓度的四氯化铂溶液，以该pH2.0的盐酸溶液为空白对照进行全波长扫描，在261nm处有稳定峰，选择261nm为检测波长，通过配制150、125、100、75、50、25mg/L的四氯化铂溶液，检测吸光值，绘得铂离子的标准曲线。

生物钯、生物铂的透射电子显微镜表征

为了确定钯离子、铂离子在被吸附到大肠杆菌质周之后是否成功被还原成相应的金属，同时确定钯、铂金属的尺寸，对生物钯、生物铂进行了透射电子显微镜的表征。将大肠杆菌、Bio-Pd与Bio-Pd分别用乙醇溶解并滴在覆有碳膜的铜网上，用滤纸吸干铜网上的液体。将铜网放入真空干燥箱中于30℃下烘干过夜，得到透射电子显微镜样品，利用透射电子显微镜(HT-7700)在加速电压100kV下拍摄图像，生物-金属透射电子显微镜图如图2所示，通过透射电子显微镜确定钯与铂附着在生物的表面，金属尺寸均在纳米级别，钯金属在5～30nm左右，而铂金属形成较大的金属簇，可能与溶液中铂离子浓度较高有关，尺寸在5～100nm。

左氧氟沙星检测波长的确定及标准曲线绘制

为了确定铂离子的检测波长，用1mol/L盐酸调节溶液pH为3.2，溶解一定浓度的左氧氟沙星溶液，以该pH3.2的盐酸溶液为空白对照进行全波长扫描，在290-295nm处有稳定峰，选择292nm为检测波长，通过配制5、4、3、2、1、0.1mg/L的左氧氟沙星溶液，检测该波长下的吸光值，绘得左氧氟沙星的标准曲线。

生物钯、生物铂的吸附与还原

吸附过程：将40mg PdCl

式中，c

还原过程：精确称量0.5g大肠杆菌湿菌体并用100ml PdCl

左氧氟沙星降解过程

直接降解：将左氧氟沙星溶于蒸馏水中，用1mol/L盐酸调节pH为3.2，制得5mg/L的原液。准确称取30mg生物钯/生物铂湿菌体，用20ml左氧氟沙星溶液分次溶解，转移至100ml锥形瓶中，在25℃、150rpm、避光的摇床中进行反应。每隔5h取样，利用孔径为0.22μm水系针式过滤器过滤除去生物钯。利用HPLC进行检测，根据之前所绘得的标准曲线进行计算，得到左氧氟沙星浓度随时间变化的曲线。

通H

探究其他喹诺酮类药物(诺氟沙星)降解效率

绘制诺氟沙星标准曲线，得诺氟沙星在272nm检测波长下吸光值与浓度的定量关系。

同上述实验，以生物钯、生物铂催化剂对诺氟沙星进行降解。称取30mg生物钯/生物铂湿菌体，用20ml诺氟沙星溶液分次溶解，转移至100ml三颈烧瓶中，同左氧氟沙星降解过程，通过抽干空气、鼓入H

对pH、催化剂量进行筛选

本发明以生物钯和生物铂两种催化剂作为研究材料，并将其应用于降解左氧氟沙星，探究降解过程最优条件。通过调控吸附过程的pH，计算钯离子、铂离子的最大吸附量，对左氧氟沙星进行降解。

还原降解和去除左氧氟沙星的一般步骤如下：在装有磁力搅拌器的50mL圆底烧瓶中，装入20mL不同pH值的左氧氟沙星溶液(2.0、2.4、2.8、3.2和3.6)和30mg生物钯/生物铂，通过添加盐酸溶液(1mol/L)来控制pH。在pH 3.2的20mL左氧氟沙星溶液中将一定量的生物钯/生物铂(10mg，20mg，30mg和60mg)重悬于蒸馏水后，将混合物在搅拌(150rpm)下反应25h。使用紫外分光光度计检测292nm(左氧氟沙星)或272nm(诺氟沙星)处上清液中药物的残留量，并通过标准曲线计算药物的去除量。结果表明，pH在3.2时两种药物均有最优降解，同时降解率随着催化剂量的增加成正相关。

与传统方法相比，在纳米级金属制备方面，生物-金属经过焚烧即可得到金属，所需能耗远低于传统回收贵金属方案；在抗菌药废水中药物分子的去除过程中，反应条件温和、设备要求简单，处理成本低廉；该方法安全可靠且环境污染少，很大程度节约了废水处理的成本，适合于工业化生产。

上述实施例仅例示性说明本发明的较佳方案，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不超出记载的技术方案的范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。