一种微生物磁性壳聚糖纳米材料及其制备方法和其在微囊藻毒素降解领域的应用

摘要

本发明公开了一种微生物磁性壳聚糖纳米材料，包括磁性壳聚糖纳米材料，以及固定化负载于磁性壳聚糖纳米材料上的鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)菌体；磁性壳聚糖纳米材料为负载有磁性纳米Fe

说明书

技术领域

本发明属于环境治理领域，尤其涉及一种微生物磁性壳聚糖纳米材料及其制备方法和其在微囊藻毒素降解领域的应用。

背景技术

社会经济的迅猛发展和社会工业化进程的不断加快，伴随着环境污染日益严重导致了水域中氮、磷等营养盐类大量富集，致使全球性水域富营养化日益严重，导致藻类异常繁殖，发生水华，其主要危害之一是微囊藻毒素的产生。微囊藻毒素(Microcystin，MC)是一类出现频率最高、产量最大和造成危害最严重的微囊藻毒素。微囊藻毒素有很强的肝脏、肾脏等器官毒性以及促癌性，被认为是严重威胁野生动植物以及人类健康的环境污染物并得到广泛关注。为保证居民的饮用水安全，世界卫生组织WHO已制定饮用水MC-LR(危害最严重的一种微囊藻毒素)限量标准，其最高允许含量为1μg/L，我国卫生部已沿用了此标准，并于2006年规定微囊藻毒素为饮用水水质必检项目之一。

MC是一类具生物活性的环状七肽，具有间隔双键，化学性质稳定，耐酸耐碱，一般水处理工艺的混凝、沉淀、煮沸(即使300℃高温)亦不能将其有效去除，属于难降解的生物有机毒素，在自然水体环境中可保留很长时间。因此，如何安全有效的去除MC，从而控制水体内MC浓度，已成为全人类共同面临的一个环境科学领域难题。

目前消除水体中微囊藻毒素的方法主要有物理法、化学法和微生物降解法等。但物理法和化学法在实际应用中存在着一定的局限性，微生物降解是微囊藻毒素在自然水体中降解的主要途径，MC可被细菌降解为无毒或比毒素母体毒性低的产物。微囊藻毒素降解菌在天然水体中存在，对天然环境有着良好的适应性，但迄今为止发现并筛选出的微囊藻毒素降解菌还非常有限，分离筛选获得高效降解微囊藻毒素的菌株是确保微生物降解技术成功应用的关键。另外，我们通过实验研究与实际水处理过程发现，微生物在对的降解过程中，会出现菌体容易流失，操作不易控制等缺陷，限制微生物降解微囊藻毒素的推广应用。

固定化技术是将游离细胞固定于限定的空间区域内，使其保持活性，反复利用的方法。与游离细胞相比，固定化技术具有细胞密度高，反应速度快，微生物不易流失，产物易分离，反应过程易控制等优点，在实际应用中成果显著，已被广泛用于发酵生产、化学分析、能源开发等产业中。固定化微生物的载体包括海藻酸盐、明胶、卡拉胶、壳聚糖等天然高分子，聚乙烯醇、聚丙烯酞胺等合成高分子以及多孔陶珠、玻璃、氧化铝、活性炭等无机分子。

壳聚糖，又称脱乙酰甲壳素，壳聚糖是甲壳素脱去乙酰基后的产物，是天然多糖类化合物中唯一的碱性多糖。而甲壳素是一种重要的天然可再生资源，广泛存在于虾、蟹、蚕蛹的外壳以及真菌、藻类的细胞壁中，此外还来源于生产有机酸类、抗生素和酶的副产物，每年生物合成量超过100亿吨，年再生量仅次于纤维素。因此，壳聚糖作为化工资源利用，具有原料丰富、再生迅速、生物官能性和相容性好、安全性高、良好的微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，是一种理想的微生物固定载体。但是单一的壳聚糖分子作为载体固定微生物用于环境中污染物质的去除存在液体流动性不好，难于进行长时间的连续操作，不易回收，同时与壳聚糖连用的醛可能会致使酶或细胞失活，或者壳聚糖被酶降解等缺点，限制了其在诸多领域的应用。因此，研究一种适用于微囊藻毒素降解领域的微生物磁性壳聚糖纳米材料，对本技术领域来说具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种微生物磁性壳聚糖纳米材料及其制备方法和其在微囊藻毒素降解领域的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种微生物磁性壳聚糖纳米材料，包括磁性壳聚糖纳米材料，以及固定化负载于磁性壳聚糖纳米材料上的鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)菌体；磁性壳聚糖纳米材料为负载有磁性纳米Fe₃O₄粒子的壳聚糖；鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis>

鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)是发明人自主筛选得到的一株新型的可高效降解微囊藻毒素MC-LR的太湖土著微囊藻毒素降解菌，经鉴定为鞘氨醇单胞菌属。对微囊藻毒素MC-LR的降解速率远高于国内外已报道的多株微囊藻毒素降解菌菌株，比鞘氨醇单胞菌属细菌Y2、芽孢杆菌属细菌EMB等现有菌株对微囊藻毒素的降解速率要高很多。

磁性壳聚糖纳米材料因具有壳聚糖的生物相容性和生物可降解性，同时兼具磁响应性，使磁性壳聚糖纳米材料在诸多领域显示非常广阔的应用前景，通过对其表面进行修饰改性，使磁性壳聚糖纳米材料表面含有不同的功能基团，用于酶、蛋白质以及微生物的固定并保持生物分子的活性，用于微囊藻毒素的降解，或能为当今微囊藻毒素的污染治理提供一种有效的技术手段。另外，磁性壳聚糖纳米材料本身对微囊藻毒素具有一定程度的富集吸附作用，实验表明单纯的磁性壳聚糖纳米材料对初始浓度为6ug/mL的微囊藻毒素的12h吸附率约为50％。

本发明的微生物磁性壳聚糖纳米材料，将磁性壳聚糖纳米材料与鞘氨醇盒菌YF1完美结合，降解效果得到进一步提升，不仅保留了鞘氨醇盒菌YF1对微囊藻毒素的降解优势以及磁性壳聚糖纳米材料对微囊藻毒素的富集作用，而且菌体固定化负载于磁性壳聚糖纳米材料中后，菌体不容易流失，降解效果好，效率高，还可以回收重复使用。

基于一个总的技术构思，本发明还相应提供一种微生物磁性壳聚糖纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)挑取鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)菌落于牛肉膏蛋白胨液体培养基中培养，离心后收集菌体，将所得的菌体洗涤后用NaCl溶液进行稀释，得到鞘氨醇盒菌YF1稀释液；

(2)将磁性壳聚糖纳米材料用戊二醛溶液修饰后进行洗涤，然后加入步骤(1)后得到的鞘氨醇盒菌YF1稀释液进行固定化交联反应，反应结束后用磁铁吸附分离，洗涤后得到固定有鞘氨醇盒菌YF1的磁性壳聚糖纳米材料，即的微生物磁性壳聚糖纳米材料。

固定化交联反应是通过共价交联固定菌体，采用戊二醛对磁性壳聚糖纳米材料进行修饰后，戊二醛与磁性壳聚糖纳米材料中壳聚糖分子上的氨基发生反应，形成交联壳聚糖球并引入醛基，交联磁性壳聚糖的醛基与鞘氨醇盒菌YF1上的氨基发生反应形成席夫碱，使鞘氨醇盒菌YF1细胞牢固地固定在交联壳聚糖球上。

上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，牛肉膏蛋白胨液体培养基的成分包括牛肉膏、蛋白胨、NaCl和水，牛肉膏、蛋白胨、NaCl和水的质量比为1:2:1:200，牛肉膏蛋白胨液体培养基的pH为7.4-7.6。

优选的，步骤(1)中，培养的温度为20-37℃，培养的时间为18-24h；离心的转速为4000-6000r/min，离心的时间为5-10min；稀释采用的NaCl溶液的浓度为0.9g/mL，稀释后鞘氨醇盒菌YF1稀释液的OD_600nm＝0.6-1.0。菌体稀释至OD_600nm＝0.6-1.0范围内有利于固定更多鞘氨醇盒菌YF1，且在该OD值下微囊藻毒素降解活性高。

优选的，步骤(2)中，磁性壳聚糖纳米材料的制备方法具体包括如下步骤：将壳聚糖溶解于体积浓度为5％的乙酸溶液中，加入磁性纳米Fe₃O₄粒子，使壳聚糖与磁性纳米Fe₃O₄粒子的质量比为1:(1-3)，然后加入液体石蜡和span-80(司盘80)，进行超声分散，再加入体积浓度为25％的戊二醛溶液，进行机械搅拌反应3.5-6h，用磁铁吸附收集得到黑色沉淀物，用石油醚洗涤，用丙酮脱水，真空干燥后进行研磨，得到的磁性壳聚糖纳米材料。

优选的，步骤(2)中，修饰采用的戊二醛溶液的体积浓度为0.5-3％，修饰的时间为8-12h。

优选的，步骤(2)中，固定化交联反应的温度为25-35℃，固定化交联反应的时间为4-8h

优选的，步骤(1)和(2)中，洗涤采用的洗涤剂为浓度为0.9g/mL的NaCl溶液，洗涤次数至少为2次。

基于一个总的技术构思，本发明还相应提供一种微生物磁性壳聚糖纳米材料在微囊藻毒素降解领域的应用。

上述的应用，优选的，应用的方法具体包括如下步骤：将微生物磁性壳聚糖纳米材料加入到含有微囊藻毒素的溶液中，进行微囊藻毒素的降解；含有微囊藻毒素的溶液的pH为5-9，降解的温度条件为20-40℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的微生物磁性壳聚糖纳米材料，将磁性壳聚糖纳米材料与鞘氨醇盒菌YF1完美结合，降解效果得到进一步提升，不仅保留了鞘氨醇盒菌YF1对微囊藻毒素的降解优势以及磁性壳聚糖纳米材料对微囊藻毒素的富集作用，而且菌体固定化负载于磁性壳聚糖纳米材料中后，菌体不容易流失，降解效果好，效率高，还可以回收重复使用。

2、本发明的制备方法，操作简单，成本低廉，制备得到的微生物磁性壳聚糖纳米材料性能稳定，对微囊藻毒素的降解效果好，降解效率高。

3、本发明的微生物磁性壳聚糖纳米材料在微囊藻毒素降解领域的应用，应用过程容易控制，无论微囊藻毒素浓度的高低，降解微囊藻毒素的效果都十分显著，且效率非常高，且随着重复利用次数的增加，微生物磁性壳聚糖纳米材料降解MC-LR的速率也增加，降解MC-LR的效果愈加显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例中微生物磁性壳聚糖纳米材料的电镜图。

图2是实施例中对不同浓度微囊藻毒素MC-LR的降解效果图。

图3是实施例中微生物磁性壳聚糖纳米材料降解MC-LR的重复性评价。

图4是实施例中微生物磁性壳聚糖纳米材料降解MC-LR的产物质谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：

一种本发明的微生物磁性壳聚糖纳米材料，包括磁性壳聚糖纳米材料，以及固定化负载于磁性壳聚糖纳米材料上的鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)菌体；磁性壳聚糖纳米材料为负载有磁性纳米Fe₃O₄粒子的壳聚糖；鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis>

鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)是发明人自主筛选得到的1株可高效降解微囊藻毒素MC-LR的太湖土著微囊藻毒素降解菌，经鉴定为鞘氨醇单胞菌属。对微囊藻毒素MC-LR的降解速率远高于国内外已报道的多株微囊藻毒素降解菌菌株，比鞘氨醇单胞菌属细菌Y2、和芽孢杆菌属细菌EMB等现有菌株对微囊藻毒素的降解速率要高很多。

该微生物磁性壳聚糖纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)从平板上单个挑取鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxis sp.YF1)菌落于牛肉膏蛋白胨液体培养基中培养(30℃，250r/min)18-24h，将培养得到的鞘氨醇盒菌YF1离心(5000r/min，8min)后收集菌体，将所得的菌体用浓度为0.9g/mL的NaCl溶液洗涤2次，然后将收集到的菌体用浓度为0.9g/mL的NaCl溶液稀释至OD_600nm＝0.8，得到鞘氨醇盒菌YF1稀释液；

牛肉膏蛋白胨液体培养基的配方如下：牛肉膏5g、蛋白胨10g、NaCl 5g、水1000ml，pH 7.4～7.6；

(2)称取0.2g磁性纳米Fe₃O₄粒子于烧杯中，加入溶解有0.2g壳聚糖的体积浓度为5％的乙酸溶液，磁性纳米Fe₃O₄粒子与壳聚糖的质量比为1:1，分别加入液体石蜡40ml，span-800.5ml，超声分散后，加入3ml体积浓度为25％的戊二醛溶液，机械搅拌反应4h，磁吸收集黑色沉淀物，用石油醚充分洗涤，并用丙酮洗脱水，于真空干燥箱中干燥，研磨成流动的磁性壳聚糖纳米材料粉末，备用；

(3)称取步骤(2)后得到的0.05g磁性壳聚糖纳米材料于5ml离心管中，用2ml体积浓度为1％的戊二醛溶液进行修饰12h，修饰后用浓度为0.9g/mL的NaCl溶液洗涤3次，然后加入步骤(1)后得到的鞘氨醇盒菌YF1稀释液，在30℃条件下进行固定化交联反应4h，然后用磁铁吸附分离，得到下层沉淀的磁性壳聚糖纳米材料，洗涤去除未固定的菌体后，得到微生物磁性壳聚糖纳米材料(如图1)。

本实施例得到的微生物磁性壳聚糖纳米材料在微囊藻毒素降解领域的应用，将本实施例得到的微生物磁性壳聚糖纳米材料加入到含有微囊藻毒素的溶液(pH＝7)中，在30℃的条件下进行微囊藻毒素的降解。

为测试其对微囊藻毒素的降解效果，将本实施例得到的微生物磁性壳聚糖纳米材料加入到不同初始浓度的2ml微囊藻毒素溶液(pH＝7)中，置于30℃，250转/分钟条件下反应，每隔一定时间取样，高效液相色谱测定样品溶液中剩余的微囊藻毒素含量。

如图2所示为磁性壳聚糖纳米材料结合鞘氨醇盒菌YF1降解微囊藻毒素MC-LR的效果图。由图2可以看出，本发明的方法用于低(2ug/ml)、中(6ug/ml)和高(10ug/ml)浓度微囊藻毒素MC-LR的降解效率在12h之内均可达100％，降解速率分别为0.20ug/(ml·h)，0.60ug/(ml·h)和0.83ug/(ml·h)；MC-LR浓度越高，其降解速率越快。可见，无论微囊藻毒素浓度的高低，本发明的方法降解微囊藻毒素效果十分显著，且效率非常高。

将本实施例得到的微生物磁性壳聚糖纳米材料加入到初始浓度为6ug/ml的2ml微囊藻毒素溶液(pH＝7)中，置于30℃，250转/分条件下反应。12h后用磁铁分离回收微生物磁性壳聚糖纳米材料，用浓度为0.9g/mL的NaCl洗涤后用于下一次降解MC-LR试验，每12h为一个循环，如此反复。

如图3所示为微生物磁性壳聚糖纳米材料用于MC-LR降解的重复利用评价。由图3可以看出，第一次降解MC-LR时，其降解速率为0.600ug/(ml·h)；第二次循环使用时，其降解MC-LR的速率增加至0.750ug/(ml·h)；第三、四次循环使用，降解MC-LR的速率达到一致，为1.000ug/(ml·h)；当循环使用至第五和第六次时，微生物磁性壳聚糖纳米材料降解MC-LR的速率高达1.500ug/(ml·h)。随着重复利用次数的增加，微生物磁性壳聚糖纳米材料降解MC-LR的速率也增加，降解MC-LR的效果愈加显著。由于鞘氨醇盒菌YF1在固定于磁性壳聚糖纳米材料表面时，其生物活性受到化学交联剂的影响稍有降低，循环使用几次后，鞘氨醇盒菌YF1得到驯化，其微囊藻毒素降解活性增强，抵抗外界环境的能力也增强，故而降解MC-LR的速率和效果也愈加增强，同时说明了微生物磁性壳聚糖纳米材料性能稳定。

如图4所示为微生物磁性壳聚糖纳米材料降解MC-LR的产物质谱图。由图4可以看出，该降解产物质荷比为332.33322，鉴定该降解产物为Adda。有研究表明，Adda毒性远低于MC-LR，说明微生物磁性壳聚糖纳米材料可以实现MC-LR的降解解毒。

对比例：

将实施例1制备得到的微生物磁性壳聚糖纳米材料和不同的微囊藻毒素降解微生物材料分别加入到6ug/mL的2ml微囊藻毒素溶液(pH＝7)中，置于30℃，250转/分钟条件下反应，每隔一定时间取样，高效液相色谱测定样品溶液中剩余的微囊藻毒素含量。检测到的微囊藻毒素降解效率如表1所示：

表1不同的微囊藻毒素降解微生物材料的微囊藻毒素降解效率

微生物材料微囊藻毒素降解速率芽孢杆菌属细菌EMB(游离菌体)0.090ug/(ml·h)鞘氨醇单胞菌属细菌Y2(游离菌体)0.225ug/(ml·h)鞘氨醇盒菌YF1(Sphingopyxissp.YF1)(游离菌体)1.000ug/(ml·h)活性炭纤维固定蜡状芽孢杆菌(固定化菌体)0.131ug/(ml·h)海藻酸钠固定微囊藻毒素降解菌(固定化菌体)0.486ug/(ml·h)海藻酸钠固定X20菌体(固定化菌体)0.052ug/(ml·h)微生物磁性壳聚糖纳米材料(本发明的固定化菌体)1.500ug/(ml·h)

由表1可知，本发明的微生物磁性壳聚糖纳米材料性能稳定，对微囊藻毒素的降解效果好，降解效率高，比鞘氨醇单胞菌属细菌Y2、芽孢杆菌属细菌EMB、鞘氨醇盒菌YF1(与磁性壳聚糖纳米材料中的菌浓度相同)等现有游离菌体，以及其他固定化菌体对微囊藻毒素的降解速率要高很多。说明本发明的微生物磁性壳聚糖纳米材料，将磁性壳聚糖纳米材料与鞘氨醇盒菌YF1完美结合，降解效果得到进一步提升，不仅保留了鞘氨醇盒菌YF1对微囊藻毒素的降解优势以及磁性壳聚糖纳米材料对微囊藻毒素的富集作用，而且菌体固定化负载于磁性壳聚糖纳米材料中后，菌体不容易流失，降解效果好，效率高，还可以回收重复使用。