一种聚乙烯亚胺聚电解质层层自组装修饰鲍希瓦氏菌及其制备方法和应用

摘要

本发明属于环境微生物和废弃贵金属资源回收技术领域，公开了一种聚乙烯亚胺聚电解质层层自组装修饰鲍希瓦氏菌及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：(1)将鲍希瓦氏菌置于聚乙烯亚胺聚电解质溶液中，震荡反应，得到一层聚乙烯亚胺聚电解质修饰的鲍希瓦氏菌；(2)将其置于聚苯乙烯磺酸钠溶液中，震荡反应，再置于聚乙烯亚胺聚电解质溶液中，震荡反应，得到二层聚乙烯亚胺聚电解质修饰的鲍希瓦氏菌；重复上述步骤(2)，得到多层修饰的鲍希瓦氏菌。本发明利用PEI含有大量氨基，从而提高鲍希瓦氏菌表面氨基数量，将得到的修饰的鲍希瓦氏菌应用于吸附金离子中，其吸附容量高达727.34mg/g，为未经修饰的4.95倍。

说明书

技术领域

本发明属于环境微生物和废弃贵金属资源回收技术领域，特别涉及一种聚乙烯亚胺聚电解质(PEI)层层自组装修饰鲍希瓦氏菌及其制备方法和应用。

背景技术

贵金属是指金、银和铂族(钌、铑、钯、锇、铱、铂)在内的8种金属，由于其在现代工业中举足轻重的作用，被誉为现代工业生命的“维他命”，已经成为世界各国仅次于石油的重要战略资源。经过多年的开采，大部分含金矿源已从地下转移到地上，并以废弃物的形式存在人们周围。相对于贵金属矿产资源而言，贵金属废弃物可称为“二次贵金属富矿”。贵金属废弃物若处理不当一方面会造成严重的环境污染，另一方面也会带来极大的资源浪费。因此，从贵金属废弃物中回收贵金属具有重大意义。近年来，生物回收方法由于效率高、成本低、二次污染小等优点而在贵金属回收领域备受关注。

吸附是微生物回收贵金属离子第一步，已经报道有多种真菌、细菌、植物等对贵金属离子有吸附作用。微生物对贵金属的吸附主要是依靠细胞表面的各种官能团提供的结合位点，因此，微生物表面有效官能团的数量直接决定了最终的吸附容量，而一般微生物表面的官能团数量有限，因此吸附容量一般较低。如何有效提高微生物表面官能团的作用以提高吸附容量对于进一步提高微生物回收技术的应用具有重要意义。

为了提高微生物吸附容量，可以通过富含官能团的高分子化合物修饰微生物，提高微生物表面有效官能团的数量，然而目前一些修饰方法缺乏对吸附有效官能团的定性分析，导致修饰提高吸附容量有限，且没有关于修饰提高微生物吸附金离子的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种聚乙烯亚胺聚电解质(PEI)层层自组装修饰鲍希瓦氏菌。

本发明另一目的在于提供一种上述聚乙烯亚胺聚电解质层层自组装修饰鲍希瓦氏菌的制备方法。本发明利用PEI含有大量氨基官能团，且带正电的特点，其可与带负电的鲍希瓦氏菌通过静电作用结合，从而提高鲍希瓦氏菌表面氨基官能团数量。为了达到多层组装效果，最大程度提高氨基官能团数量，通过带负电的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为负电解质，利用两种物质的带相反电荷具有静电吸引的作用进行层层自组装的修饰，形成不同PEI层数修饰的鲍希瓦氏菌。

本发明再一目的在于提供上述聚乙烯亚胺聚电解质层层自组装修饰鲍希瓦氏菌在吸附金离子中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种聚乙烯亚胺聚电解质(PEI)层层自组装修饰鲍希瓦氏菌的制备方法，包括以下步骤：

(1)将鲍希瓦氏菌置于聚乙烯亚胺聚电解质溶液中，震荡反应，得到一层聚乙烯亚胺聚电解质修饰的鲍希瓦氏菌；

(2)将其置于聚苯乙烯磺酸钠溶液中，震荡反应，再置于聚乙烯亚胺聚电解质溶液中，震荡反应，得到二层聚乙烯亚胺聚电解质修饰的鲍希瓦氏菌；

重复上述步骤(2)，得到多层修饰的鲍希瓦氏菌。

所述PEI溶液的浓度优选为2～4wt％。

所述PSS溶液的浓度优选为2～4wt％。

所用鲍希瓦氏菌的量优选为每1L PEI溶液添加10～30g。

所用鲍希瓦氏菌的量优选为每1L PSS溶液添加10～30g。

所述震荡反应的时间优选为2～6h。

上述震荡反应后均优选对修饰后鲍希瓦氏菌进行洗涤后再进行下一层修饰，优选使用水进行洗涤多次。

本发明提供一种上述方法制备得到的聚乙烯亚胺聚电解质层层自组装修饰鲍希瓦氏菌。

本发明还提供上述聚乙烯亚胺聚电解质层层自组装修饰鲍希瓦氏菌在吸附金离子中的应用。所述应用可通过下述方法实现：将修饰后鲍希瓦氏菌置于水中，得到菌悬液，将菌悬液加入含金离子溶液中，调节pH为酸性，震荡培养，分离，得到吸附金离子的鲍希瓦氏菌。

所述调节pH优选使用盐酸进行调节。

所述酸性优选pH为3～4。

所用菌悬液在反应体系中的最终浓度优选为0.5～2g/L。

本发明的机理为：

本发明利用PEI含有大量氨基官能团，且带正电的特点，其可与带负电的鲍希瓦氏菌通过静电作用结合，从而提高鲍希瓦氏菌表面氨基官能团数量。为了达到多层组装效果，最大程度提高氨基官能团数量，通过带负电的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为负电解质，利用两种物质的带相反电荷具有静电吸引的作用进行层层自组装的修饰，形成不同PEI层数修饰的鲍希瓦氏菌。经一层PEI修饰的鲍希瓦氏菌，其对金离子的吸附容量高达727.34mg/g，为未经修饰的微生物的4.95倍。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明通过PEI层层自组装修饰鲍希瓦氏菌，方法简单，能够极显著提高鲍希瓦氏菌吸附金离子的容量。

(2)本发明优选了提高吸附容量的最佳PEI修饰层数，所得的一层PEI修饰的吸附容量最高。

(3)本发明通过响应曲面法优化了一层PEI修饰鲍希瓦氏菌吸附金离子的条件，在最佳条件下，理论吸附容量高达727.34mg/g，为未经修饰微生物的4.95倍。

附图说明

图1为实施例2中S-L1的吸附等温线图。

图2为实施例2中S-L2的吸附等温线图。

图3为实施例2中S-L3的吸附等温线图。

图4为实施例2中鲍希瓦氏菌吸附金离子的吸附等温线图。

图5为实施例3中，初始金离子浓度为中心值时，S-L1浓度和pH对吸附容量的交互影响。其中，X1为生物投加量(g/L)，X2为pH，Y为吸附容量(mg/g)。

图6为实施例3中，pH为中心值时，S-L1浓度和初始金离子浓度对吸附容量的交互影响。其中，X1为生物投加量(g/L)，X3为初始金离子浓度(mg/L)，Y为吸附容量(mg/g)。

图7为实施例3中，S-L1浓度为为中心值时，生物量和pH对吸附容量的交互影响。其中，X2为pH，X3为初始金离子浓度(mg/L)，Y为吸附容量(mg/g)。

图8为实施例4中，PEI修饰前后微生物的红外光谱图。

图9为实施例5中鲍希瓦氏菌、S-L1、吸附后的S-L1的C_1s峰，鲍希瓦氏菌、S-L1、吸附后的S-L1的O_1s峰。

图10为实施例5中鲍希瓦氏菌、S-L1、吸附后的S-L1的N_1s峰。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

下列实施例中使用的试剂均可从商业渠道购买得到。

实施例1：PEI层层自组装修饰鲍希瓦氏菌的制备

一层PEI修饰鲍希瓦氏菌(S-L1)的修饰过程：取1g微生物(鲍希瓦氏菌，CTCC NO:M2012444)于100mL 2wt％的PEI溶液中，在恒温振荡摇床中反应2h，修饰完后的微生物用去离子水清洗3次以去除未反应的PEI，得到一层PEI修饰鲍希瓦氏菌，记为S-L1。

二层PEI修饰鲍希瓦氏菌(S-L2)的修饰过程：取1g S-L1加入到100mL2wt％的PSS溶液中，在恒温振荡摇床中反应2h，将上述PSS修饰的S-L1清 洗后，重复PEI的修饰过程，修饰后的微生物记为S-L2。

三层PEI修饰鲍希瓦氏菌(S-L3)的修饰过程：取1g S-L2加入到100mL2wt％的PSS溶液中，在恒温振荡摇床中反应2h，将上述PSS修饰的S-L2清洗后，重复PEI的修饰过程，修饰后的微生物记为S-L3。

通过本实例得到三种不同PEI层数修饰的鲍希瓦氏菌。

实施例2：利用PEI修饰的鲍希瓦氏菌对金离子进行吸附

(1)所述PEI修饰的鲍希瓦氏菌吸附金离子的方法为：分别取不同PEI层数修饰的鲍希瓦氏菌的菌悬液分别置于初始金离子浓度为100、150、200、250、350、450、600、700mg/L的锥形瓶中，用盐酸调节pH为酸性。将上述混合液于30℃恒温震荡摇床中(165rpm)震荡培养4h后取样，离心后测上清液中剩余金离子浓度。采用Langmuir和Freundlich吸附等温方程来模拟该吸附过程。

所述吸附方法中，菌悬液在反应体系中的最终浓度为0.5g/L。

所述吸附方法中，溶液pH为3。

所述吸附金离子的实验，采用Design Expert 8.0软件设计响应面实验，分别选取微生物投加量、pH、初始金离子浓度为实验因素，通过方程模拟得出优化实验条件。

优选地，S-L1的用量为0.38g/L。

优选地，反应pH为3.41。

优选地，初始金离子浓度为727.34mg/L。

(2)不同层数PEI修饰的鲍希瓦氏菌吸附金离子的吸附等温线，结果见图1～图4：取一定体积S-L1、S-L2、S-L3菌悬液分别置于初始金离子浓度为100、150、200、250、350、450、600、700mg/L的锥形瓶中，以未修饰的鲍希瓦氏菌为对照，最终菌悬液的浓度为0.5g/L。将上述混合液于30℃恒温震荡摇床中(165rpm)震荡培养4h后取样，离心后测上清液中剩余金离子浓度。采用Langmuir和Freundlich吸附等温方程来模拟该吸附过程。

通过本实例可以得出S-L1、S-L2、S-L3的吸附容量分别为597.10mg/g、 559.1mg/g和536.83mg/g，分别是未经修饰的微生物吸附容量的4.03、3.78和3.63倍。统计分析结果表明，PEI修饰可极显著提高鲍希瓦氏菌的吸附容量(P<0.001)，其中一层PEI修饰吸附效果极显著高于两层和三层修饰(P<0.001)，这表明通过一层PEI修饰鲍希瓦氏菌引入氨基官能团能够有效增加微生物的吸附容量。不同修饰层数的微生物对金离子吸附Langmuir模型的模拟常数KL的关系为S-L1>S-L2>S-L3>未经修饰的微生物，说明一层PEI修饰的微生物对金离子吸附的结合力更强，因此一层修饰的微生物对提高吸附容量和稳定性更为有效。

实施例3

根据Box-Benhnken中心组合实验设计原理，采用Design Expert 8.0软件设计响应面实验，分别选取S-L1投加量、pH、初始金离子浓度为实验因素，以修饰的微生物吸附金离子的吸附容量为响应值，通过方程模拟，得出最佳实验条件，见图5～图7。

通过本实施例，可以得出随着生物量的增加，吸附容量出现逐渐减小的趋势。随着pH的减小，吸附容量呈现上升趋势，变化幅度较小。在生物量不变的条件下，随着初始金离子浓度的增加，吸附容量呈现增大的趋势。通过点预测法和响应面图以确定吸附容量为最大时候的最佳条件。优化的条件参数为：生物量0.38g/L，pH为3.41，初始金离子浓度为391.69mg/L，得到的理论最大吸附容量为727.34mg/g，为未经修饰的微生物的4.95倍。

实施例4：修饰前后菌体表面官能团变化的效果

对修饰前后微生物表面官能团的变化进行傅里叶红外光谱表征，结果见图8。修饰前的微生物在3300cm^-1处的峰是O-H和N-H伸缩振动重叠引起的，1227cm^-1和1062cm^-1处的峰分别是由于C-N和C-H的伸缩振动引起。在2929cm^-1、1657cm^-1、1538cm^-1和1379cm^-1处的峰分别是C-H键的伸缩振动、C＝O键的伸缩振动、N-H的弯曲振动以及COO-的对称伸缩振动引起的，表明微生物表面上存在羟基和氨基官能团。与未经修饰的微生物相比，经PEI修饰后的 微生物在2854cm^-1和1307cm^-1出现新的峰，这可能是由于铵盐NH₃⁺的弯曲振动引起。与此同时，可以发现3300处的峰红移至3295cm^-1处，更接近-NH₂的不对称伸缩振动。另外，1538cm^-1处的峰蓝移至1544cm^-1处，且峰的强度大大增加，这可能是由于PEI修饰后引起C-H伸缩振动和N-H弯曲振动重叠引起。这些变化说明PEI已经成功修饰在微生物表面。

实施例5：修饰前后菌体表面官能团变化的效果

对修饰前后的微生物进行X射线光电子能谱分析，并对C_1s、N_1s、O_1s进行分峰，结果见图9和图10。对碳元素进行分峰，可以发现碳元素主要在结合能为284.4eV、285.9eV、287.5eV三处存在峰值，其中位于284.4eV处的峰是由于C-C键的结合能，位于285.9eV处的峰则是C原子与N或者C-O的结合能，287.5eV处的峰可以分解为碳原子在羧酸化合物中以C＝O和O＝C-O形式存在以及碳原子与N原子以N-C＝O、C-N形式存在的结合能。经过修饰后，位于285.9eV处的峰面积从修饰前的27.0％增加为31.1％，说明修饰后C-N含量增加。修饰前微生物的O_1s峰可以分解为位于530.4eV和531.9eV两处的峰，对应的O原子存在的状态为-C＝O和-C-O，然而修饰后的微生物的O_1s峰可以分解为3个峰，在534.0eV处出现新的峰，这可能是由于-COOH与PEI中的氨基静电作用结合形成的新键。因此可以证明PEI是成功修饰在微生物表面。微生物中的N元素的峰主要位于结合能为399.49eV和400.8eV两处，对应的N元素与其他元素结合状态分别是未经质子化的氨基(-NH₂)和质子化的氨基(-NH₃⁺)。微生物经修饰后，位于400.8eV处的峰面积从修饰前的13.54％增加到33.90％，说明通过PEI的修饰，细胞表面质子化氨基官能团数量有明显增多。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。