腐败希瓦氏菌介导合成纳米材料及其催化还原硝基苯的性能研究

摘要

希瓦氏菌作为一种异化金属还原菌，能够通过代谢多种有机化合物产生电子，并将电子通过自身特殊的电子传递通道传递给胞外（可溶性或不溶性）的电子受体，因而近年来该菌在生物合成纳米材料领域引起了广泛的关注。生物合成纳米材料过程绿色环保，且合成的纳米材料在环境领域有巨大的应用前景，为了更好的发挥出其潜力，有必要对生物合成的纳米材料的结构与污染物降解之间的构效关系进行深入的研究。本文归纳总结了希瓦氏菌的菌种种类以及胞外电子传递途径，并对希瓦氏菌生物合成纳米材料及其应用进行了评述，在此基础上，利用腐败希瓦氏菌(CN)的胞外电子传递能力分别还原了非金属氧化石墨烯(GO)和金属钯离子(Pd(Ⅱ))，在不同条件下合成了希瓦氏菌@石墨烯核壳材料(CN@rGO)以及负载了钯纳米颗粒(Pd0)的钯细胞，并通过傅立叶红外光谱、拉曼光谱、热重分析、电镜扫描、X射线衍射仪等表征了其结构特征;以硝基苯(NB)作为模型污染物，探究了不同条件下合成的纳米材料对污染物的还原性能;重点探讨了合成的纳米材料的结构与NB还原效率之间的构效关系及作用机理，为生物合成纳米材料的进一步应用提供了理论依据。本论文的主要创新性及研究结果如下: (1)通过CN生物还原GO的过程，一步自组装形成了CN@rGO核壳材料，增强了CN与rGO的接触，缩短了CN对NB的电子传输距离，从而加快了CN对NB的还原速率。研究发现，虽然GO对CN具有一定的毒害作用，但合成的CN@rGO通过增强希瓦氏菌与电子穿梭体的直接接触以及对NB的吸附依然能够促进CN对NB的还原;不同比例的CN@rGO对NB还原的影响不同，NB的还原速率随着GO添加浓度的升高呈先上升后下降的趋势，最佳比例为GO=10mg/L∶OD600=0.6，相比于纯菌对照组，在该比例的CN@rGO作用下，NB的还原速率能够提高30％;此外，CN@rGO相比对照具有更好的循环稳定性，至少能够循环使用5次。 (2)利用CN还原Pd(Ⅱ)，率先成功合成了负载着Pd0的钯细胞，并探明了不同因素（菌钯比、pH）对Pd0合成过程、结构特征及微观形貌的影响以及对NB催化还原的影响。研究发现，形成的Pd0主要分布在细胞外膜以及细胞周质，且尺寸小于目前其他细菌合成的Pd0，均维持在1.5-3.5nm的范围内;菌钯比对CN合成的Pd0的尺寸并没有明显的影响，在一定范围内，菌钯比越高，胞外形成的团聚态的Pd0越少，NB的还原速率越高，但当菌浓度过高，含硫官能团会对Pd0产生毒害作用，使得NB的还原速率降低;在pH为3-9的范围内，CN均可以合成Pd0，但pH会影响反应的动力学以及形成的Pd0的形状和位置，当pH在5-9的范围内，合成的Pd0均分布在细胞外膜及细胞周质，pH越高，Pd0合成越慢，合成的Pd0形状越不规则，对NB的催化还原效果却越好，而当pH为3时，CN的细胞完整性遭到破坏，在细胞质中合成了部分大尺寸的Pd0，因此对NB的催化还原速率低，且由于部分生物大分子在强酸性条件下活性降低，Pd0在该pH下合成最慢。

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致谢

摘要

第一章希瓦氏菌介导纳米材料的合成及其环境应用研究进展

1希瓦氏菌的概述

1．1希瓦氏菌的多样性

1．2希瓦氏菌的胞外电子传递途径

2希瓦氏菌介导纳米材料的合成及应用

2．1生物合成非金属纳米材料

2．2生物合成金属纳米材料

2．3生物合成纳米材料的环境应用

3硝基芳烃类污染物的污染现状

3．1硝基苯的来源及危害

3．2常用的处理技术

4问题提出及论文研究思路

第二章腐败希瓦氏菌@石墨烯核壳材料及其对硝基苯的还原作用

1实验部分

1．1实验材料和仪器

1．2实验方法

2结果和讨论

2．1CN@rGO核壳材料的形成及结构特征

2．2不同比例CN@rGO核亮材料对硝基苯还原速率的影响

2．3 CN@rGO核壳材料还原硝基苯的循环性能评价

2．4 CN-rGO核壳材料对硝基苯还原的作用机理

3小结

第三章腐败希瓦氏菌生物合成纳米钯及其对硝基苯的催化还原作用

1实验部分

1．1实验材料和仪器

1．2实验方法

2结果和讨论

2．1纳米钯的合成过程及其影响因素

2．2生物合成的纳米钯的结构特征及微观形貌

2．3腐败希瓦氏菌合成纳米钯的机理分析

2．4生物合成的纳米钯对硝基苯催化还原的影响

3小结

第四章研究结论、创新点及展望

1．1腐败希瓦氏菌@石墨烯核壳材料及其对硝基苯的还原作用

1．2腐败希瓦氏菌生物合成纳米钯及其对硝基苯的催化还原作用

2创新点

3展望

参考文献

个人简历及攻读硕士学位期间所取得的研究成果