用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备

摘要

用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备，涉及一种菌体负载金纳米颗粒复合材料。所述黑曲霉(Aspergillus niger)XM1，保藏中心登记入册编号为CGMCC No.9771。制备方法：1)黑曲霉的培养及黑曲霉菌粉制备；2)配制氯金酸水溶液；3)将步骤1)得到的黑曲霉菌粉与步骤2)配制的氯金酸水溶液混合，反应后经抽滤、洗涤、干燥得用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料中既有单质态Au

说明书

技术领域

本发明涉及一种菌体负载金纳米颗粒复合材料，尤其是涉及能原位还原形成负载型金纳 米颗粒用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备。

背景技术

染料废水包括染料生产废水和印染废水。染料废水由于成分复杂、毒性大、色度深、有 机物与无机盐浓度高、可生化性差等特点，一直是废水处理的难点。研究表明，化学催化还 原预处理不仅能显著提高染料废水的可生化性，而且没有污泥处置问题，联合化学还原与生 物氧化是一种经济有效的染料废水处理新方法(Ghoreishi S M,et al.Chemical catalytic reaction  and biological oxidation for treatment of non-biodegradable textile effluent[J].Chemical  Engineering Journal,2003,95(1-3):163-169)。金属纳米颗粒，特别是金纳米颗粒具有优异的 染料催化还原性能，但由于胶态金纳米颗粒不稳定，易于团聚且不能回收和循环利用，因此 负载型金纳米颗粒引起了人们高度重视。目前，利用中孔硅材料负载的金纳米颗粒(1.Chen L, et al.Gold nanoparticles intercalated into the walls of mesoporous silica as a versatile redox  catalyst[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2011,50(24):13642-13649.2.Azad U, et al.Catalytic reduction of organic dyes at gold nanoparticles impregnated silica materials: influence of functional groups and surfactants[J].Journal of Nanoparticle Research,2011,13(9): 3951-3959)和大孔苯乙烯与二乙烯苯共聚物负载的金纳米颗粒(Feral-Martin C,et al. Integrative chemistry toward the first spontaneous generation of gold nanoparticles within  macrocellular polyHIPE supports(Au@polyHIPE)and their application to eosin reduction[J]. Reactive&Functional Polymers,2007,67(10):1072-1082)对染料的催化还原性能研究已见诸 报道。上述中孔硅材料负载的金纳米颗粒是利用高温焙烧或外加还原剂(NaBH₄)还原制得，且 由于硅材料自身缺乏吸附基团，需要引入其他有机基团作为中间体链接硅材料和金纳米颗粒， 其制备和调控工艺复杂、不符合绿色环保的要求；虽然大孔聚合物载体可自发还原形成金纳 米颗粒，但要改善这种聚合物负载金催化剂的性能需采用“综合性化学”手段，调控过程非常 复杂，普适性不强。

近年来，利用微生物还原法制得菌体负载金纳米颗粒对有机污染物对硝基苯酚的催化还 原性能也已见诸报道。Narayanan等利用帚梗柱孢菌(C.floridanum)活菌体吸附还原[AuCl₄]^–制得主要分布于胞内的金纳米颗粒，该帚梗柱孢菌负载的金纳米颗粒在对硝基苯酚转化为对 氨基苯酚中显示出较好的催化活性(Narayanan K B et al.Synthesis and characterization of  nano-gold composite using Cylindrocladium floridanum and its heterogeneous catalysis in the  degradation of 4-nitrophenol[J].Journal of Hazardous Materials,2011,189(1–2):519-525)。林丽 芹等利用毕赤酵母菌(P.pastoris)干菌体吸附还原[AuCl₄]^–制得分布于菌体表面的金纳米颗 粒，该毕赤酵母菌负载的金纳米颗粒对对硝基苯酚的还原具有更高的催化活性，其反应速率 常数比上述帚梗柱孢菌负载的金纳米颗粒高出20倍多(Lin L,et al.Catalytic gold nanoparticles  immobilized on yeast:From biosorption to bioreduction[J].Chemical Engineering Journal,2013, 225,857-864)。研究表明，在染料还原过程中，由金属离子原位还原形成的“仍在生长的颗 粒”比预先还原制得的“生长完全的颗粒”具有更高的催化活性(Pradhan N.,Pal A.,Pal T.Silver  nanoparticle catalyzed reduction of aromatic nitro compounds[J].Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,2002,196(2–3):247-257)。因此，如果能实现负载型 (固定化)金纳米颗粒的原位还原形成，将大大提高金纳米颗粒的催化活性，并给染料催化 还原金纳米颗粒的制备提供一种新途径。

黑曲霉(Aspergillus niger)作为一种工业上广泛应用的真菌材料，其活菌体、活菌体浸 提液和菌体培养上清液还原制备金纳米材料已见诸少量报道。Bhambure等(Bhambure R,et al. Extracellular biosynthesis of gold nanoparticles using Aspergillus niger-its Characterization and  Stability[J].Chemical Engineering&Technology,2009,32(7):1036-1041)利用黑曲霉菌体培养 上清液还原制得了平均粒度为12.79nm的金纳米颗粒，并且发现该金纳米颗粒在溶液中具有 高的稳定性。Xie等(Xie J,et al.High-yield synthesis of complex gold nanostructures in a fungal  system[J].Journal of Physical Chemistry C,2007,111(45):16858-16865)分别利用黑曲霉活菌 体、菌体培养上清液和菌体浸提液还原制备了金纳米颗粒，结果发现，黑曲霉能在胞内合成 出球状和规则的三角片状金纳米颗粒，菌体培养上清液能合成出规则的三角、截顶三角和六 角片状金纳米颗粒，而菌体浸提液能合成出盘旋片状等复杂结构的金纳米颗粒。但黑曲霉干 菌体还原制备贵金属纳米材料及其应用方面的研究至今尚未见报道。

发明内容

本发明的第一目的旨在提供一种黑曲霉(Aspergillus niger)XM1。

本发明的第二目的旨在提供能在染料还原过程中原位还原形成稳定的负载型(固定化) 金纳米颗粒，从而具有很高催化活性和稳定性的用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合 材料的制备。

所述黑曲霉(Aspergillus niger)XM1，已于2014年10月14日保藏于中国微生物菌种保 藏管理委员会普通微生物中心，保藏中心地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学 院微生物研究所，邮政编码100101，保藏中心登记入册编号为CGMCC No.9771。

所述用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)黑曲霉的培养及黑曲霉菌粉制备；

2)配制氯金酸水溶液；

3)将步骤1)得到的黑曲霉菌粉与步骤2)配制的氯金酸水溶液混合，反应后经抽滤、 洗涤、干燥得用于染料降解的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

在步骤1)中，所述黑曲霉为黑曲霉(Aspergillus niger)XM1，黑曲霉的培养及菌粉制 备的方法可为：将黑曲霉菌种转接到平板培养基上培养，再用无菌水冲洗长有孢子的平板制 成单孢子悬液，并接种于液体培养基中继续培养，得种子液，取种子液接种于液体培养基中 扩大培养，然后过滤，菌丝球洗涤后烘干，再研磨过筛得黑曲霉菌粉；所述平板培养基可采 用PDA培养基，平板培养基的组成可为：土豆200g/L，蔗糖20g/L，琼脂15～20g/L，自然 pH值；所述将黑曲霉菌种转接到平板培养基上培养，可将4℃保存的黑曲霉菌种转接到平 板培养基上于30℃培养4～7d；所述单孢子悬液的孢子浓度可为10⁶个/mL；所述接种于液 体培养基中继续培养，可于30℃170r/min下继续培养24h；所述液体培养基的组成可为： 蔗糖30.0g/L，硝酸钠3.0g/L，磷酸氢二钾1.0g/L，氯化钾0.5g/L，硫酸镁0.5g/L，硫酸亚 铁0.01g/L，自然pH值；所述接种的接种量按质量百分比可按液体培养基5％接种；所述扩 大培养可于30℃170r/min下扩大培养48h；所述洗涤可用去离子水浸泡洗涤3～4次；所 述烘干的条件可于50～60℃烘干48～60h；所述研磨过筛可过100目(150μm)筛。

在步骤2)中，所述氯金酸水溶液的摩尔浓度可为0.06～1.44mmol/L，所述氯金酸水溶 液的pH值可为3～9。

在步骤3)中，所述黑曲霉菌粉与氯金酸水溶液混合，可采用在100mL氯金酸水溶液中 加入0.1～0.6g黑曲霉菌粉；所述反应的温度可为20～60℃，反应的时间可为6～72h；所 述洗涤，可采用去离子水洗涤；所述干燥可采用50～60℃真空干燥。

本发明所制备的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料中既有单质态Au⁰物种，又有部分被还 原和未被还原的氧化态金Au^δ+(Au⁺和Au³⁺)物种。按质量百分比，用于染料降解的黑曲霉负载 金纳米颗粒复合材料中金的含量可为0.6％～11.9％，其中Au^δ+的含量占总金的50％以上。

本发明利用黑曲霉干菌体吸附还原氯金酸过程中由于生物质的键合稳定作用而使金离子 不能被完全还原、绝大部分以氧化态(Au⁺和Au³⁺)形式存在的特性，制得黑曲霉负载金纳 米颗粒复合材料。在染料还原过程中，这种在菌体表面牢固键合的氧化态金可被硼氢化钠等 强还原剂原位还原形成负载型(固定化)金纳米颗粒而起催化作用，从而具有很高的催化活 性。本发明其制备工艺简单、过程绿色环保，可广泛用于染料等有机废水的催化还原降解。

附图说明

图1为实施例所制备的黑曲霉菌体负载金纳米颗粒复合材料中Au元素的4f XPS谱图。 在图1中，横坐标为电子结合能B.E.(ev)，纵坐标为峰强intensity(a.u.)。图1中Au4f_7/2谱峰 分裂出电子结合能分别为83.9eV、84.5eV、85.3eV 3个峰，分别对应于Au⁰、Au⁺和Au³⁺物 种。说明黑曲霉菌体表面上既有单质态Au⁰物种，又有部分被还原和未被还原的氧化态金 Au^δ+(Au⁺和Au³⁺)物种。根据XPS谱图的峰面积可知，Au^δ+(Au⁺和Au³⁺)占总金的百分含量 大于50％。

图2为还原处理前后黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料对阳离子红GTL催化还原性能比较 图。在图2中，横坐标为时间time(s)，纵坐标为吸收光强度Abs。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

黑曲霉的培养及菌粉制备：将4℃保存的黑曲霉菌种转接到新鲜的PDA平板培养基上 于30℃培养4d，之后，用无菌水冲洗长有孢子的平板制成一定浊度的单孢子悬液，并接种 于液体培养基中(孢子浓度达10⁶个/mL)于30℃170r/min下培养24h得种子液，取种子 液，按5％接种量接种于新鲜液体培养基中于30℃170r/min下扩大培养48h，然后进行过 滤，菌丝球用离子水浸泡洗涤3次后于60℃烘箱中烘干48h，研磨后过100目(150μm) 筛得黑曲霉菌粉。

黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备：配制100mL浓度为0.48mM的氯金酸水溶液， 并用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值为5.0，密闭，于30℃150r/min下避光振荡10min， 之后，加入0.2g黑曲霉菌菌粉继续密闭避光振荡72h，然后进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤 3次后，移至50℃真空干燥箱中干燥48h，得到黑曲霉菌体负载金纳米颗粒复合材料。黑曲 霉菌体负载金纳米颗粒复合材料中Au4f XPS谱图参见图1。

染料催化还原反应在一标准石英比色皿(光程1cm、容量3.5mL)中进行，依次往比色皿 中加入去离子水、阳离子红GTL溶液和NaBH₄溶液，用移液枪吹吸混匀，然后加入0.3mL 预先分散好的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料水分散液(m/V＝10mg/30mL)，控制反应液总体 积为3mL，染料浓度为2×10^–5mol/L，染料与NaBH₄物质的量比为1∶100，用移液枪迅速吹 吸混匀，并用秒表计时，用紫外分光光度计在染料最大吸收波长处测定其吸光度随时间的变 化，每隔20s测定一次。催化反应结果表明，阳离子红GTL迅速发生还原反应并在100s内 被完全还原脱色。

实施例2

黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备同实施例1。

染料为亚甲基蓝，染料催化还原反应条件同实施例1。催化反应结果表明，亚甲基蓝迅 速发生还原反应并在120s内被完全还原脱色。

实施例3

黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备同实施例1。

染料为曙红，染料催化还原反应条件同实施例1。催化反应结果表明，曙红在经过一诱 导期后反应迅速进行，并在18min内完全反应。

实施例4

黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备同实施例1。

染料为甲基橙，染料催化还原反应条件同实施例1。催化反应结果表明，甲基橙在经过 一诱导期后反应迅速进行，并在20min内完全反应。

实施例5

黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备同实施例1。

染料为刚果红，染料催化还原反应条件同实施例1。催化反应结果表明，刚果红在经过 一诱导期后反应迅速进行，并在14min内完全反应。

实施例6

黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备同实施例1。

染料为偶氮荧光桃红，染料催化还原反应条件同实施例1。催化反应结果表明，偶氮荧 光桃红在经过一诱导期后反应迅速进行，并在14min内完全反应。

实施例7

配制100mL浓度为0.48mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的HCl溶液调节其pH值为 3.0，然后按照与实施例1相同的方法制备黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，染料初始浓度为6×10^–5mol/L，预先分散好的黑曲霉负载金纳米 颗粒复合材料水分散液(m/V＝10mg/30mL)加入体积为0.5mL，其他催化反应条件同实施例1， 催化反应结果表明，阳离子红GTL在300s内被完全还原脱色。

实施例8

配制100mL浓度为0.12mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值 为9.0，然后按照与实施例1相同的方法制备黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，其催化反应条件同实施例7，催化反应结果表明，阳离子红GTL 在200s内被完全还原脱色。

实施例9

配制100mL浓度为0.12mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值 为5.0，于20℃下按照与实施例9相同的方法制备黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，其催化反应条件同实施例7，催化反应结果表明，阳离子红GTL 在220s内被完全还原脱色。

实施例10

配制100mL浓度为1.44mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值 为5.0，然后按照与实施例1相同的方法制备黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，其催化反应条件同实施例7，催化反应结果表明，阳离子红GTL 在200s内被完全还原脱色。

实施例11

配制100mL浓度为0.06mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值 为5.0，然后按照与实施例1相同的方法反应6h制得黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，其催化反应条件同实施例7，催化反应结果表明，阳离子红GTL 在260s内被完全还原脱色。

实施例12

配制100mL浓度为0.50mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值 为5.0，然后加入0.6g黑曲霉菌粉，按照与实施例1相同的方法反应24h制得黑曲霉负载金 纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，其催化反应条件同实施例7，催化反应结果表明，阳离子红GTL 在160s内被完全还原脱色。

实施例13

配制100mL浓度为0.48mM的氯金酸水溶液，用0.1mol/L的NaOH溶液调节其pH值 为5.0，于60℃150r/min下避光振荡10min，之后，加入0.2g黑曲霉菌菌粉继续密闭避光 振荡24h，然后进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤3次后，移至50℃真空干燥箱中干燥48h， 得到黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料。

染料为阳离子红GTL，其催化反应条件同实施例1，催化反应结果表明，阳离子红GTL 在280s内被完全还原脱色。

比较例1

分别采用5mmol/L(10倍于金离子浓度)的NaBH₄和Vc对上述经反应24h制得黑曲霉 负载金纳米颗粒复合材料进行还原处理，复合材料经干燥后用于催化反应，与还原处理前(参 见实施例13)复合材料对阳离子红GTL还原的催化活性进行比较(参见图2)，结果表明， 经强还原剂NaBH₄还原处理后复合材料的催化活性明显降低，阳离子红GTL完全反应的时 间延长至600s，而弱还原剂Vc对复合材料的催化活性影响不大，阳离子红GTL完全反应的 时间为300s。

本发明提供一种利用黑曲霉菌对氯金酸的吸附还原作用制备能原位还原形成稳定的负载 型(固定化)金纳米颗粒的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料的制备方法。所述黑曲霉负载金 纳米颗粒复合材料中既有单质态Au⁰物种，又有部分被还原和未被还原的氧化态金Au^δ+(Au⁺和Au³⁺)物种，且氧化态金Au^δ+占总金的50％以上。制备时，将黑曲霉菌粉与氯金酸水溶液 混合，在20～60℃下反应6～72h后经抽滤、洗涤、干燥得黑曲霉负载的金纳米颗粒复合材 料。本发明的黑曲霉负载金纳米颗粒复合材料对有机染料具有高的催化还原性能，制备工艺 简单、过程绿色环保，可广泛用于染料等有机废水的催化还原降解。