一種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明屬于環(huán)境微生物和廢棄貴金屬資源回收技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌及其制備方法和應(yīng)用。該制備方法包括以下步驟：(1)將鮑希瓦氏菌置于聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液中，震蕩反應(yīng)，得到一層聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)修飾的鮑希瓦氏菌；(2)將其置于聚苯乙烯磺酸鈉溶液中，震蕩反應(yīng)，再置于聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液中，震蕩反應(yīng)，得到二層聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)修飾的鮑希瓦氏菌；重復(fù)上述步驟(2)，得到多層修飾的鮑希瓦氏菌。本發(fā)明利用PEI含有大量氨基，從而提高鮑希瓦氏菌表面氨基數(shù)量，將得到的修飾的鮑希瓦氏菌應(yīng)用于吸附金離子中，其吸附容量高達(dá)727.34mg/g，為未經(jīng)修飾的4.95倍。
【專利說明】
一種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境微生物和廢棄貴金屬資源回收技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)(PEI)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]貴金屬是指金、銀和鉑族(釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑)在內(nèi)的8種金屬，由于其在現(xiàn)代工業(yè)中舉足輕重的作用，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)生命的“維他命”，已經(jīng)成為世界各國僅次于石油的重要戰(zhàn)略資源。經(jīng)過多年的開采，大部分含金礦源已從地下轉(zhuǎn)移到地上，并以廢棄物的形式存在人們周圍。相對于貴金屬礦產(chǎn)資源而言，貴金屬廢棄物可稱為“二次貴金屬富礦”。貴金屬廢棄物若處理不當(dāng)一方面會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，另一方面也會帶來極大的資源浪費。因此，從貴金屬廢棄物中回收貴金屬具有重大意義。近年來，生物回收方法由于效率高、成本低、二次污染小等優(yōu)點而在貴金屬回收領(lǐng)域備受關(guān)注。
[0003]吸附是微生物回收貴金屬離子第一步，已經(jīng)報道有多種真菌、細(xì)菌、植物等對貴金屬離子有吸附作用。微生物對貴金屬的吸附主要是依靠細(xì)胞表面的各種官能團(tuán)提供的結(jié)合位點，因此，微生物表面有效官能團(tuán)的數(shù)量直接決定了最終的吸附容量，而一般微生物表面的官能團(tuán)數(shù)量有限，因此吸附容量一般較低。如何有效提高微生物表面官能團(tuán)的作用以提高吸附容量對于進(jìn)一步提高微生物回收技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。
[0004]為了提高微生物吸附容量，可以通過富含官能團(tuán)的高分子化合物修飾微生物，提高微生物表面有效官能團(tuán)的數(shù)量，然而目前一些修飾方法缺乏對吸附有效官能團(tuán)的定性分析，導(dǎo)致修飾提高吸附容量有限，且沒有關(guān)于修飾提高微生物吸附金離子的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)(PEI)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌。
[0006]本發(fā)明另一目的在于提供一種上述聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法。本發(fā)明利用PEI含有大量氨基官能團(tuán)，且?guī)д姷奶攸c，其可與帶負(fù)電的鮑希瓦氏菌通過靜電作用結(jié)合，從而提高鮑希瓦氏菌表面氨基官能團(tuán)數(shù)量。為了達(dá)到多層組裝效果，最大程度提高氨基官能團(tuán)數(shù)量，通過帶負(fù)電的聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)為負(fù)電解質(zhì)，利用兩種物質(zhì)的帶相反電荷具有靜電吸引的作用進(jìn)行層層自組裝的修飾，形成不同PEI層數(shù)修飾的鮑希瓦氏菌。
[0007]本發(fā)明再一目的在于提供上述聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌在吸附金離子中的應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明的目的通過下述方案實現(xiàn):
[0009]—種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)(PEI)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將鮑希瓦氏菌置于聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液中，震蕩反應(yīng)，得到一層聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)修飾的鮑希瓦氏菌；
[0011](2)將其置于聚苯乙烯磺酸鈉溶液中，震蕩反應(yīng)，再置于聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液中，震蕩反應(yīng)，得到二層聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)修飾的鮑希瓦氏菌；
[0012]重復(fù)上述步驟(2)，得到多層修飾的鮑希瓦氏菌。
[0013]所述PEI溶液的濃度優(yōu)選為2?4wt%。
[0014]所述PSS溶液的濃度優(yōu)選為2?4wt%。
[0015]所用鮑希瓦氏菌的量優(yōu)選為每IL PEI溶液添加10?30g。
[0016]所用鮑希瓦氏菌的量優(yōu)選為每ILPSS溶液添加10?30g。
[0017]所述震蕩反應(yīng)的時間優(yōu)選為2?6h。
[0018]上述震蕩反應(yīng)后均優(yōu)選對修飾后鮑希瓦氏菌進(jìn)行洗滌后再進(jìn)行下一層修飾，優(yōu)選使用水進(jìn)行洗滌多次。
[0019]本發(fā)明提供一種上述方法制備得到的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌。
[0020]本發(fā)明還提供上述聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌在吸附金離子中的應(yīng)用。所述應(yīng)用可通過下述方法實現(xiàn):將修飾后鮑希瓦氏菌置于水中，得到菌懸液，將菌懸液加入含金離子溶液中，調(diào)節(jié)PH為酸性，震蕩培養(yǎng)，分離，得到吸附金離子的鮑希瓦氏菌。
[0021 ]所述調(diào)節(jié)pH優(yōu)選使用鹽酸進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0022]所述酸性優(yōu)選pH為3?4。
[0023]所用菌懸液在反應(yīng)體系中的最終濃度優(yōu)選為0.5?2g/L。
[0024]本發(fā)明的機(jī)理為:
[0025]本發(fā)明利用PEI含有大量氨基官能團(tuán)，且?guī)д姷奶攸c，其可與帶負(fù)電的鮑希瓦氏菌通過靜電作用結(jié)合，從而提高鮑希瓦氏菌表面氨基官能團(tuán)數(shù)量。為了達(dá)到多層組裝效果，最大程度提高氨基官能團(tuán)數(shù)量，通過帶負(fù)電的聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)為負(fù)電解質(zhì)，利用兩種物質(zhì)的帶相反電荷具有靜電吸引的作用進(jìn)行層層自組裝的修飾，形成不同PEI層數(shù)修飾的鮑希瓦氏菌。經(jīng)一層PEI修飾的鮑希瓦氏菌，其對金離子的吸附容量高達(dá)727.34mg/g，為未經(jīng)修飾的微生物的4.95倍。
[0026]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及有益效果:
[0027](I)本發(fā)明通過PEI層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌，方法簡單，能夠極顯著提高鮑希瓦氏菌吸附金離子的容量。
[0028](2)本發(fā)明優(yōu)選了提高吸附容量的最佳PEI修飾層數(shù)，所得的一層PEI修飾的吸附容量最高。
[0029](3)本發(fā)明通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化了一層PEI修飾鮑希瓦氏菌吸附金離子的條件，在最佳條件下，理論吸附容量高達(dá)727.34mg/g，為未經(jīng)修飾微生物的4.95倍。
【附圖說明】
[0030]圖1為實施例2中S-Ll的吸附等溫線圖。
[0031]圖2為實施例2中S-L2的吸附等溫線圖。
[0032]圖3為實施例2中S-L3的吸附等溫線圖。
[0033]圖4為實施例2中鮑希瓦氏菌吸附金離子的吸附等溫線圖。
[0034]圖5為實施例3中，初始金離子濃度為中心值時，S-Ll濃度和pH對吸附容量的交互影響。其中，Xl為生物投加量(g/L)，X2為pH，Y為吸附容量(mg/g)。
[0035]圖6為實施例3中，pH為中心值時，S-Ll濃度和初始金離子濃度對吸附容量的交互影響。其中，xi為生物投加量(g/L)，X3為初始金離子濃度(mg/L)，Y為吸附容量(mg/g)。
[0036]圖7為實施例3中，S-Ll濃度為為中心值時，生物量和pH對吸附容量的交互影響。其中，X2為pH，X3為初始金離子濃度(mg/L)，Y為吸附容量(mg/g)。
[0037]圖8為實施例4中，PEI修飾前后微生物的紅外光譜圖。
[0038]圖9為實施例5中鮑希瓦氏菌、S-Ll、吸附后的S-Ll的Cls峰，鮑希瓦氏菌、S-Ll、吸附后的S-Ll的Ols峰。
[0039]圖10為實施例5中鮑希瓦氏菌、S-Ll、吸附后的S-Ll的Nls峰。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0041]下列實施例中使用的試劑均可從商業(yè)渠道購買得到。
[0042]實施例1:PEI層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備
[0043]一層PEI修飾鮑希瓦氏菌(S-Ll)的修飾過程:取Ig微生物(鮑希瓦氏菌，CTCC NO:M2012444)于10mL 2wt^^^PEI溶液中，在恒溫振蕩搖床中反應(yīng)2h，修飾完后的微生物用去離子水清洗3次以去除未反應(yīng)的PEI，得到一層PEI修飾鮑希瓦氏菌，記為S-L1。
[0044]二層PEI修飾鮑希瓦氏菌(S-L2)的修飾過程:取Ig S-L1加入到100mL2wt%的卩33溶液中，在恒溫振蕩搖床中反應(yīng)2h，將上述PSS修飾的S-Ll清洗后，重復(fù)PEI的修飾過程，修飾后的微生物記為S-L2。
[0045]三層PEI修飾鮑希瓦氏菌(S-L3)的修飾過程:取Ig S-L2加入到100mL2wt%的卩33溶液中，在恒溫振蕩搖床中反應(yīng)2h，將上述PSS修飾的S-L2清洗后，重復(fù)PEI的修飾過程，修飾后的微生物記為S-L3。
[0046]通過本實例得到三種不同PEI層數(shù)修飾的鮑希瓦氏菌。
[0047]實施例2:利用PEI修飾的鮑希瓦氏菌對金離子進(jìn)行吸附
[0048](I)所述PEI修飾的鮑希瓦氏菌吸附金離子的方法為:分別取不同PEI層數(shù)修飾的鮑希瓦氏菌的菌懸液分別置于初始金離子濃度為100、150、200、250、350、450、600、700mg/L的錐形瓶中，用鹽酸調(diào)節(jié)pH為酸性。將上述混合液于30°C恒溫震蕩搖床中(165rpm)震蕩培養(yǎng)4h后取樣，離心后測上清液中剩余金離子濃度。采用Langmuir和Freundlich吸附等溫方程來模擬該吸附過程。
[0049]所述吸附方法中，菌懸液在反應(yīng)體系中的最終濃度為0.5g/L。
[0050]所述吸附方法中，溶液pH為3。
[0051]所述吸附金離子的實驗，采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計響應(yīng)面實驗，分別選取微生物投加量、pH、初始金離子濃度為實驗因素，通過方程模擬得出優(yōu)化實驗條件。
[0052]優(yōu)選地，S-Ll的用量為0.38g/L。
[0053]優(yōu)選地，反應(yīng)pH為3.41。
[0054]優(yōu)選地，初始金離子濃度為727.34mg/L0
[0055](2)不同層數(shù)PEI修飾的鮑希瓦氏菌吸附金離子的吸附等溫線，結(jié)果見圖1?圖4:取一定體積S-L1、S-L2、S-L3菌懸液分別置于初始金離子濃度為100、150、200、250、350、450、600、700mg/L的錐形瓶中，以未修飾的鮑希瓦氏菌為對照，最終菌懸液的濃度為0.5g/L。將上述混合液于30°C恒溫震蕩搖床中(165rpm)震蕩培養(yǎng)4h后取樣，離心后測上清液中剩余金離子濃度。采用Langmuir和Freundlich吸附等溫方程來模擬該吸附過程。
[0056]通過本實例可以得出3-1^1、3-1^、3-1^3的吸附容量分別為597.1011^/^、559.111^/8和536.83mg/g，分別是未經(jīng)修飾的微生物吸附容量的4.03,3.78和3.63倍。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，PEI修飾可極顯著提高鮑希瓦氏菌的吸附容量(P〈0.001)，其中一層PEI修飾吸附效果極顯著高于兩層和三層修飾(P〈0.001)，這表明通過一層PEI修飾鮑希瓦氏菌引入氨基官能團(tuán)能夠有效增加微生物的吸附容量。不同修飾層數(shù)的微生物對金離子吸附Langmuir模型的模擬常數(shù)KL的關(guān)系為S-L1>S-L2>S-L3>未經(jīng)修飾的微生物，說明一層PEI修飾的微生物對金離子吸附的結(jié)合力更強(qiáng)，因此一層修飾的微生物對提高吸附容量和穩(wěn)定性更為有效。
[0057]實施例3
[0058]根據(jù)Box-Benhnken中心組合實驗設(shè)計原理，采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計響應(yīng)面實驗，分別選取S-Ll投加量、pH、初始金離子濃度為實驗因素，以修飾的微生物吸附金離子的吸附容量為響應(yīng)值，通過方程模擬，得出最佳實驗條件，見圖5?圖7。
[0059 ]通過本實施例，可以得出隨著生物量的增加，吸附容量出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。隨著PH的減小，吸附容量呈現(xiàn)上升趨勢，變化幅度較小。在生物量不變的條件下，隨著初始金離子濃度的增加，吸附容量呈現(xiàn)增大的趨勢。通過點預(yù)測法和響應(yīng)面圖以確定吸附容量為最大時候的最佳條件。優(yōu)化的條件參數(shù)為:生物量0.38g/L，pH為3.41,初始金離子濃度為391.69mg/L，得到的理論最大吸附容量為727.34mg/g，為未經(jīng)修飾的微生物的4.95倍。
[0060]實施例4:修飾前后菌體表面官能團(tuán)變化的效果
[0061]對修飾前后微生物表面官能團(tuán)的變化進(jìn)行傅里葉紅外光譜表征，結(jié)果見圖8。修飾前的微生物在3300cm—1處的峰是O-H和N-H伸縮振動重疊引起的，1227cm—1和1062cm—1處的峰分別是由于C-N和C-H的伸縮振動引起。在2929cm—\ 1657cm—1、1538cm—1和1379cm—1處的峰分別是C-H鍵的伸縮振動、C = O鍵的伸縮振動、N-H的彎曲振動以及COO-的對稱伸縮振動引起的，表明微生物表面上存在羥基和氨基官能團(tuán)。與未經(jīng)修飾的微生物相比，經(jīng)PEI修飾后的微生物在2854cm—1和1307cm—1出現(xiàn)新的峰，這可能是由于銨鹽NH3+的彎曲振動引起。與此同時，可以發(fā)現(xiàn)3300處的峰紅移至3295cm—1處，更接近-NH2的不對稱伸縮振動。另外，1538011+1處的峰藍(lán)移至1544cm—1處，且峰的強(qiáng)度大大增加，這可能是由于PEI修飾后引起C-H伸縮振動和N-H彎曲振動重疊引起。這些變化說明PEI已經(jīng)成功修飾在微生物表面。
[0062]實施例5:修飾前后菌體表面官能團(tuán)變化的效果
[0063]對修飾前后的微生物進(jìn)行X射線光電子能譜分析，并對Cls、Nls、0ls?行分峰，結(jié)果見圖9和圖10。對碳元素進(jìn)行分峰，可以發(fā)現(xiàn)碳元素主要在結(jié)合能為284.46￥、285.%￥、287.5eV三處存在峰值，其中位于284.4eV處的峰是由于C-C鍵的結(jié)合能，位于285.9eV處的峰則是C原子與N或者C-O的結(jié)合能，287.5eV處的峰可以分解為碳原子在羧酸化合物中以C=0和O = C-O形式存在以及碳原子與N原子以N-C = 0、C-N形式存在的結(jié)合能。經(jīng)過修飾后，位于285.9eV處的峰面積從修飾前的27.0%增加為31.1 %，說明修飾后C-N含量增加。修飾前微生物的Ols峰可以分解為位于530.4eV和531.9eV兩處的峰，對應(yīng)的O原子存在的狀態(tài)為-C = O和-C-O，然而修飾后的微生物的Ols峰可以分解為3個峰，在534.0eV處出現(xiàn)新的峰，這可能是由于-COOH與PEI中的氨基靜電作用結(jié)合形成的新鍵。因此可以證明PEI是成功修飾在微生物表面。微生物中的N元素的峰主要位于結(jié)合能為399.49eV和400.8eV兩處，對應(yīng)的N元素與其他元素結(jié)合狀態(tài)分別是未經(jīng)質(zhì)子化的氨基(-NH2)和質(zhì)子化的氨基(-NH3+)。微生物經(jīng)修飾后，位于400.8eV處的峰面積從修飾前的13.54 %增加到33.90 %，說明通過PEI的修飾，細(xì)胞表面質(zhì)子化氨基官能團(tuán)數(shù)量有明顯增多。
[0064]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將鮑希瓦氏菌置于聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液中，震蕩反應(yīng)，得到一層聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)修飾的鮑希瓦氏菌； (2)將其置于聚苯乙烯磺酸鈉溶液中，震蕩反應(yīng)，再置于聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液中，震蕩反應(yīng)，得到二層聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)修飾的鮑希瓦氏菌； 重復(fù)上述步驟(2)，得到多層修飾的鮑希瓦氏菌。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法，其特征在于:所述聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液的濃度為2?4被％;所述聚苯乙烯磺酸鈉溶液的濃度為2?4wt%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法，其特征在于:所用鮑希瓦氏菌的量為每IL聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)溶液添加10?30g。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法，其特征在于:所用鮑希瓦氏菌的量為每IL聚苯乙烯磺酸鈉溶液添加10?30g。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌的制備方法，其特征在于:所述震蕩反應(yīng)的時間為2?6h。6.—種聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌，其特征在于:由權(quán)利要求1?5任一項所述的制備方法得到。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌在吸附金離子中的應(yīng)用。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于通過下述方法實現(xiàn):將權(quán)利要求6所述的聚乙烯亞胺聚電解質(zhì)層層自組裝修飾鮑希瓦氏菌置于水中，得到菌懸液，將菌懸液加入含金離子溶液中，調(diào)節(jié)PH為酸性，震蕩培養(yǎng)，分離，得到吸附金離子的鮑希瓦氏菌。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于:所述酸性指pH為3?4。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于:所用菌懸液在反應(yīng)體系中的最終濃度為.0.5?2g/L.
【文檔編號】C02F3/34GK105854829SQ201610378235
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】朱能武, 操艷蘭, 石超宏, 黃健鍵, 楊婷婷, 商儒
【申請人】華南理工大學(xué)