本發(fā)明涉及生物材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

長期以來的各種生產(chǎn)活動，如含砷殺蟲劑、防腐劑等的使用及礦產(chǎn)開采與冶煉，煤炭燃燒等，加劇了砷向土壤、水體等環(huán)境中的轉(zhuǎn)移，從而嚴(yán)重威脅到人類的身體健康，土壤與水體砷污染問題也因此被廣泛地關(guān)注。在世界范圍內(nèi)，關(guān)于水體砷污染的現(xiàn)象均有報道：澳大利亞、美國、加拿大、阿根廷等國家都曾出現(xiàn)過嚴(yán)重的環(huán)境砷污染問題。而我國的新疆內(nèi)蒙古、甘肅、云南、湖南、河南和山東等地都是受砷污染相對嚴(yán)重的地區(qū)，在水體環(huán)境中通常以As(III)和As(V)的無機(jī)物形式存在，此外還存在一些由于微生物作用而產(chǎn)生的有機(jī)砷。水體中三價砷的毒性是五價砷的60多倍，并且附著能力強，移動性弱，較難去除，因此三價砷的有效脫除是治理水體砷污染的重點。

水體中砷污染控制治理技術(shù)分為多種，總結(jié)起來主要分為物理法、化學(xué)法和生物法三大類，而每類方法又可以劃分為不同的治理技術(shù)。實際的水體砷污染治理通常需要結(jié)合幾種治理技術(shù)，例如，吸附法和沉淀法結(jié)合，生物吸附劑與化學(xué)控制法結(jié)合等。微生物法修復(fù)水體砷污染因具有高效、低成本、無二次污染等優(yōu)勢而受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。雖然不少學(xué)者在微生物對水體砷等重金屬的生物修復(fù)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但依然存在很多問題，如成本過高，操作步驟繁瑣等。因此，如何獲得成本低廉，操作簡單，能夠在酸性環(huán)境下對砷污染耐受及去除效果好的生物吸附材料是丞待解決的問題。

微生物修復(fù)除砷即指通過利用環(huán)境中微生物的氧化還原作用及生命代謝活動清除土壤或是水體中含砷的污染物，從而修復(fù)被砷污染的環(huán)境。但是由于微生物易流失等問題，常與材料結(jié)合起來對污染物共同作用。鐵錳氧化物由于其較大的比表面積，具有更好的分散性和穩(wěn)定性，一直對砷具有良好吸附效果的成熟材料，因此被廣泛的應(yīng)用于水體中砷的去除。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成本較低、操作性強、對砷污染去除效果好的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體，相應(yīng)提供了該產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體的制備方法，制備過程簡單，適用于規(guī)?；a(chǎn)；在此基礎(chǔ)上，還提供該產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體在去除廢水中砷的應(yīng)用，并進(jìn)行了條件優(yōu)化，具有安全性高、反應(yīng)快速、效果明顯等優(yōu)勢。

為解決上述技術(shù)問題，提供了一種產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體，以產(chǎn)黃青霉菌為載體，水鐵礦包裹在產(chǎn)黃青霉菌的菌絲內(nèi)形成聚集體。

上述的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體，優(yōu)選的，所述水鐵礦與產(chǎn)黃青霉菌的質(zhì)量比為1∶0.86。真菌懸液濃度0.432g/mL(稱重法)。

作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種上述產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體的制備方法，包括以下步驟：

(1)將產(chǎn)黃青霉菌培養(yǎng)成菌懸液；

(2)以硝酸鐵為原料制備水鐵礦；

(3)將所述步驟(1)的菌懸液和所述步驟(2)的水鐵礦混合，震蕩培養(yǎng)，得到產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(1)具體為：將產(chǎn)黃青霉菌的孢子接種在PDA液體培養(yǎng)基中，35℃～37℃下震蕩培養(yǎng)24h～36h，得到菌懸液。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)具體為：取硝酸鐵在堿性條件下溶解，調(diào)節(jié)pH至中性，取沉淀即為水鐵礦。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)具體為：將所述步驟(1)的菌懸液和所述步驟(2)的水鐵礦混合，在室溫下以160rpm～180rpm震蕩培養(yǎng)24h～36h，然后靜置過濾，得到產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體。

作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種上述的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體或上述制備方法制備得到的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體在處理含砷廢水中的應(yīng)用。

上述的應(yīng)用，優(yōu)選的，所述應(yīng)用方法為，將產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體投入含砷廢水中，震蕩培養(yǎng)、靜置過濾，完成含砷廢水的處理。

上述的應(yīng)用，優(yōu)選的，所述震蕩培養(yǎng)的轉(zhuǎn)速為160rpm～180rpm，時間為48h～72h，溫度為室溫。

上述的應(yīng)用，優(yōu)選的，所述含砷廢水中，三價砷離子的濃度為三價砷離子濃度為50mg·L^-1～500mg·L^-1；所述產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體的投加量為0.3％(v/v)～0.5％(v/v)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明提供了一種產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體，以產(chǎn)黃青霉菌為載體，產(chǎn)黃青霉菌生長條件要求低、易得，真菌可在砷濃度較高并且偏酸性的廢水中存活生長，具有較好的耐受性，生物安全性高，并且單個菌體較大，菌體外含大量菌絲，形成天然載體。菌絲既可與吸附材料形成穩(wěn)定的聚集體，其本身也對三價砷離子具有吸附作用，具有吸附效果好分散性強、性能穩(wěn)定、安全性高等優(yōu)勢。

(2)本發(fā)明提供了一種產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體，將水鐵礦包裹在產(chǎn)黃青霉菌的菌絲內(nèi)形成聚集體，兩者相互作用，顯著提高了對廢水的處理效率。同時，真菌菌絲與鐵氧化物形成聚集體，從而使其更易與水體分離，達(dá)到去除砷污染的目的。具有操作簡便，可操作性強、設(shè)備要求簡單等優(yōu)勢。

(3)本發(fā)明提供一種產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體的制備方法，操作簡單。

(4)本發(fā)明提供的真菌-鐵氧化物聚集體在含砷廢水中的應(yīng)用，其中可將三價砷離子吸附從而達(dá)到在水溶液中去除的目的，并且通過微生物的新陳代謝作用及水鐵礦對三價砷離子的氧化作用，可將三價砷氧化為五價砷，大大降低的砷的毒性。本發(fā)明通過X射線光電子能譜分析(XPS)及電鏡掃描(SEM-EDAX)技術(shù)手段，分析了其吸附后三價砷及五價砷的存在狀況，根據(jù)吸附模型進(jìn)行了吸附過程的分析，具有操作快速簡便、成本低、效果好等優(yōu)點。

附圖說明

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

圖1為本發(fā)明實施例1的處理前后的真菌的掃描電鏡圖。

圖2為本發(fā)明實施例3的處理后的真菌-鐵氧化物聚集體的掃描電鏡圖。

圖3為本發(fā)明實施例3的處理后的真菌-鐵氧化物聚集體的xps圖。

圖4為真菌及鐵氧化物應(yīng)用中優(yōu)化投加量后去除效率圖。

圖5為真菌-鐵氧化物聚集體應(yīng)用中pH值優(yōu)化圖。

圖6為郎繆吸附模型圖。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例

以下實施例中所采用的原料和儀器均為市售；其中產(chǎn)黃青霉真菌(Penicillium Chrysogenum F)于株洲冶煉廠的爐渣中分離純化得到；原子熒光光譜儀(AFS-920)購于北京吉天儀器有限公司；硝酸鐵的CAS編號為：10421-48-4。

實施例1

一種本發(fā)明的產(chǎn)黃青霉真菌(Penicillium Chrysogenum F)，采用以下方法篩選得到：

(1)將所采集的土壤樣品取5g株洲冶煉廠的爐渣接入事先已滅菌的100mL富集培養(yǎng)液的三角瓶中，于恒溫培養(yǎng)振蕩器上培養(yǎng)24h，達(dá)到富集的作用。

(2)取1mL富集培養(yǎng)液分別用無菌水稀釋不同倍數(shù)。選取適宜濃度的培養(yǎng)液采用倒平板、劃線及稀釋涂布法分別接種于真菌分離培養(yǎng)基平板上，將其置于35～37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至長出單菌落，從中篩選出長勢較好的幾株菌株，用平板劃線的方法反復(fù)分離純化直至獲得純化菌株。將得到的產(chǎn)黃青霉真菌，制備菌懸液：將產(chǎn)黃青霉菌的孢子接種在PDA液體培養(yǎng)基中，35～37℃下震蕩培養(yǎng)24h得到含大量菌絲的真菌菌懸液，真菌懸液濃度0.432g/mL(稱重法)。

(3)分別取5mL，10mL，15mL，20mL的菌懸液分別投加到500mL三價砷離子濃度均為200mg·L^-1的含砷廢水中，自然pH5.5，通過震蕩培養(yǎng)使菌懸液在水溶液中充分混合，考察三價砷離子的去除效率。

結(jié)果顯示：三價砷離子的去除效果隨投加量的增加而增加，但是投加量在15mL時去除效率達(dá)到57.72％，投加量在20mL時最高去除效率僅達(dá)60.10％，故投加量在15mL以后去除效果增加已不明顯。

圖1是實施例1前后的真菌的掃描電鏡圖，左圖為實施例1未處理含砷廢水之前，產(chǎn)黃青霉菌在比例尺在50μm下的掃描電鏡圖，右圖為處理含砷廢水之后，產(chǎn)黃青霉菌在比例尺在100μm下的掃描電鏡圖。從圖1中可知產(chǎn)黃青霉真菌菌體外具有大量菌絲，孔徑分布均勻，吸附包裹性能好。通過兩者對比可知：真菌在處理含砷廢水前，菌絲分明；在處理之后，菌絲粘連，孔隙率也減小，說明砷離子吸附在其表面或發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

實施例1僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，在本發(fā)明中，真菌的投加量可以在任意比例下均能獲得良好的吸附效果。為了獲得成本更低，效果更好的砷去除效果，500mL的含砷廢水的添加量可以是0.3～0.5％(v/v)。

實施例2

一種產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備水鐵礦：取45g硝酸鐵溶于500mL去離子水中，再加入1mol·L^-1KOH調(diào)節(jié)pH至7～8，大力攪拌后用KOH調(diào)節(jié)pH至中性。靜置并去除上清液，沉淀用pH穩(wěn)定后用生理鹽水洗滌，3000rpm離心5min后取沉淀于燒杯中室溫下風(fēng)干得到水鐵礦粉末。

(2)制備產(chǎn)黃青霉菌菌懸液：將產(chǎn)黃青霉菌的孢子接種在PDA液體培養(yǎng)基中，35～37℃下震蕩培養(yǎng)24h得到含大量菌絲的真菌菌懸液，菌懸液濃度0.432g/mL(稱重法)。

(3)取0.3g的水鐵礦投加到15ml的產(chǎn)黃青霉菌菌懸液中，在室溫下以165rpm震蕩培養(yǎng)24h，然后靜置過濾，得到產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體。

將實施例2的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體投加到三價砷離子濃度為200mg·L^-1的含砷廢水中，自然pH5.5，通過165rpm震蕩培養(yǎng)72h。

圖2為處理含砷廢水之后，實施例2的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體的在比例尺在100μm下的掃描電鏡圖，從圖2中可知產(chǎn)黃青霉真菌菌體外分布的大量菌絲，很好的吸附了砷離子并將水鐵礦粉末包裹形成聚集體。

圖3為處理含砷廢水之后，實施例2的產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體X射線光電子能譜分析(xps)圖，由圖可以看出，在處理含砷廢水后該聚集體上出現(xiàn)大量三價砷離子(藍(lán)色曲線顯示)，說明廢水中的砷離子很好的被吸附在了該聚集體上。

實施例3

考察不同水鐵礦含量和不同菌懸液含量對處理含砷廢水的影響：

A組：將0.1，0.2，0.3，0.5g的水鐵礦粉末分別與0.6mL的真菌菌懸液混合，形成聚集體A1、A2、A3、A4。將聚集體A1、A2、A3、A4分別投加到三價砷離子濃度為200mg·L^-1的含砷廢水中，自然pH5.5，165rpm震蕩培養(yǎng)72h后取上清液檢測三價砷離子的濃度。

B組：取體積分別為0.2、0.4、0.6、0.8mL(即5％，10％，15％，20％(v/v))的產(chǎn)黃青霉菌菌懸液，于每組產(chǎn)黃青霉菌菌懸液中均加入0.3g的水鐵礦粉末，形成聚集體B1、B2、B3、B4。將聚集體B1、B2、B3、B4分別投加到三價砷離子濃度為200mg·L^-1的含砷廢水中，自然pH5.5，165rpm震蕩培養(yǎng)72h后取上清液檢測三價砷離子的濃度。

分別考察不同水鐵礦含量和不同菌懸液含量對處理含砷廢水的影響，考察結(jié)果參見圖4：

圖4中左圖表示水鐵礦的投加，右圖表示真菌的投加，增坐標(biāo)分別表示不同的投加量。又圖可以看出，砷離子的去除效率隨著水鐵礦及菌懸液的投加量的增加而提高，并且呈先快后慢的趨勢。

實施例3亦為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在本發(fā)明中，水鐵礦的投加量可以在任意比例下均能獲得良好的吸附效果。為了獲得成本更低，效果更好的砷去除效果，200mL的含砷廢水的添加量可以是0.3～0.5g。

實施例4

考察含砷廢水中三價砷的濃度對產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體處理效果的影響：

將6.48g的真菌菌體(即15mL的菌懸液)及0.3g的鐵氧化物混合，制備產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體。將產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體分別投加到三價砷離子濃度為50，100，200，300，500mg·L^-1的含砷廢水中(pH5.5)，165rpm震蕩培養(yǎng)72h，檢測上清液中三價砷離子的濃度。

表1：三組樣品的去除率驗證結(jié)果

注：a表示三次測量的平均濃度。

從表1的檢測結(jié)果可以看出，用真菌-鐵氧化物聚集體處理偏酸性含砷廢水，具有操作簡便，操作性強，設(shè)備要求簡單，吸附效果好等優(yōu)勢。

實施例5

考察含砷廢水的pH對產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體處理效果的影響：

取三價砷離子濃度為200mg·L^-1的含砷廢水中，將含砷廢水分為7份，以0.1M的HNO₃和0.1M的NaOH為調(diào)節(jié)液，將含砷廢水的初始pH分別設(shè)置為2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5。將6.48g的真菌菌體(即15mL的菌懸液)及0.3g的鐵氧化物混合，制備產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體。將產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體分別投加到7份含砷廢水中，165rpm震蕩培養(yǎng)72h，檢測上清液中三價砷離子的濃度。

圖5為產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體在不同pH環(huán)境中對三價砷的處理結(jié)果。由圖可以看出，pH在2.5～5.5之間的時候，該聚集體對含砷廢水的處理隨著pH增大而增加；pH在6.5～8.5之間時，砷離子的去除效率有所下降。因此，該聚集體適宜在偏酸性環(huán)境下應(yīng)用，并且最佳去除效率在pH5.5～6.5之間。

實施例6

將6.48g的真菌菌體(即15mL的菌懸液)及0.3g的鐵氧化物混合，制備產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體。將產(chǎn)黃青霉菌-水鐵礦聚集體分別投加到三價砷離子濃度為200mg·L^-1的含砷廢水中，自然pH5.5，將此混合系統(tǒng)于165rpm下振蕩培養(yǎng)，分別于12、24、36、48、72h取上清液測三價砷的含量。對吸附過程進(jìn)行郎繆模型擬合(模型曲線見圖6)。

由圖6可以看出，在吸附初期即12～36h中，R²值較低，吻合效果不好，但是在48h以后R²值達(dá)到0.96以上，說明該吸附過程在48小時以后達(dá)到平衡，并且該吸附過程符合郎繆吸附模型。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和技術(shù)方案的情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。