基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂

摘要

本发明公开了基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂，由保藏号为CGMCC No. 12913的海洋细菌Pseudoalteromonassp.GHS18菌株产生的胞外多糖和质量比1:2‑2:1的琼脂和淀粉组成。有益效果为：制得的吸附剂能对饮用水中镉、铅、铜等多种重金属进行吸附，吸附效率高，性能稳定，克服了无机高分子和合成有机高分子吸附剂对生物体具有潜在的毒性的缺陷，最终实现无污染排放。使用时，将冲泡剂放入饮用水中即可，使用方便，提升饮用水品质。

说明书

技术领域

本发明涉及净水技术领域，具体是基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂。

背景技术

重金属一般指比重大于4.0，元素周期表中原子序数在24以上的金属。对水环境造成污染的重金属主要有砷、汞、镉、铅、铬、铜、锌、镍、锰、银等，其中以砷、汞、镉、铅毒性最大，且难处理，是饮用水中最为常见的重金属污染物。

由于水源地受到重金属污染而导致自来水厂制备的自来水重金属含量达到临界值或个别超标；由于使用老旧的给水管网，导致本来合格的自来水在输送过程中重金属如铅超标；由于家用水龙头、热水器等材质良莠不齐，导致重金属如锰超标等等。尽管在市场上已经有具有重金属去除功能的净水器，但由于净水器常使用的吸附柱或离子交换柱需要定时检查更换，相对较麻烦，且其使用有效期随处理水质的不同而有变化，普通人群中有很多人不能做到科学使用。更换处理单元不及时，就会使得已吸附到吸附柱或离子交换柱的重金属重新释放到处理水中，不知不觉中受其毒害；另一种情况是在很多场合是没有净水器可用的，或者购买了不合格净水器，这些情况也呼唤一道最后的“屏障”——杯中水的重金属安全去除技术。

微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂，它不仅能够絮凝悬浮颗粒污染物，特别重要的是也能够选择性吸附去除水中的多种重金属。微生物絮凝剂主要来源于菌体胞外多糖、蛋白质等，由于可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂对生物体潜在的毒性，消除二次污染，因此微生物絮凝剂有望成为化学絮凝剂的重要替代产品。近年来，微生物胞外多糖主要用于污水处理领域，迄今尚未见有将假交替单胞菌用于饮用水在饮用前的最后一道处理程序。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂，上述吸附剂能对饮用水中镉、铅、铜等多种重金属进行吸附，吸附效率高，性能稳定，且对生物体无潜在毒性，绿色安全。

本发明针对背景技术提到的问题，采取的技术方案为：一株用于重金属吸附的海洋细菌，从中国浙江舟山朱家尖一处海水养殖场养殖的菲律宾蛤仔吐泥中分离筛选获得，经鉴定为假交替单胞菌（Pseudoalteromonassp.），于2016年8月29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（CGMCC），保藏号为CGMCC>

上述海洋菌株16S rDNA全基因（1277bp）已向美国国家生物技术信息中心（NCBI）的GenBank基因序列数据库提交，登陆号为KX702262。其全序列如下：

ATGCTTGGGAACATGCCTTGAGGTGGGGGACAACAGTTGGAAACGACTGCTAATACCGCATAATGTCTACGGACCAAAGGGGGCTTCGGCTCTCGCCTTTAGATTGGCCCAAGTGGGATTAGCTAGTTGGTGAGGTAATGGCTCACCAAGGCGACGATCCCTAGCTGGTTTGAGAGGATGATCAGCCACACTGGGACTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATATTGCACAATGGGCGCAAGCCTGATGCAGCCATGCCGCGTGTGTGAAGAAGGCCTTCGGGTTGTAAAGCACTTTCAGTCAGGAGGAAAGGTTAGTAGTTAATACCTGCTATCTGTGACGTTACTGACAGAAGAAGCACCGGCTAACTCCGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGAGGGTGCGAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGTACGCAGGCGGTTTGTTAAGCGAGATGTGAAAGCCCCGGGCTCAACCTGGGAACTGCATTTCGAACTGGCAAACTAGAGTGTGATAGAGGGTGGTAGAATTTCAGGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATCTGAAGGAATACCGATGGCGAAGGCAGCCACCTGGGTCAACACTGACGCTCATGTACGAAAGCGTGGGGAGCAAACGGGATTAGATACCCCGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGTCTACTAGAAGCTCGGAGCCTCGGTTCTGTTTTTCAAAGCTAACGCATTAAGTAGACCGCCTGGGGAGTACGGCCGCAAGGTTAAAACTCAAATGAATTGACGGGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGATGCAACGCGAAGAACCTTACCTACACTTGACATACAGAGAACTTACCAGAGATGGTTTGGTGCCTTCGGGAACTCTGATACAGGTGCTGCATGGCTGTCGTCAGCTCGTGTTGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTATCCTTAGTTGCTAGCAGGTAATGCTGAGAACTCTAAGGAGACTGCCGGTGATAAACCGGAGGAAGGTGGGGACGACGTCAAGTCATCATGGCCCTTACGTGTAGGGCTACACACGTGCTACAATGGCGCATACAGAGTGCTGCGAACTCGCGAGAGTAAGCGAATCACTTAAAGTGCGTCGTAGTCCGGATTGGAGTCTGCAACTCGACTCCATGAAGTCGGAATCGCTAGTAATCGCGTATCAGAATGACGCGGTGAATACGTTCCCGGGCCTTGTACACACCGC。

基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

种子液培养：先在斜面培养基上接种保藏号为CGMCC No. 12913的海洋细菌Pseudoalteromonassp.GHS18菌株，并于22-27℃恒温培养24-72h，将菌种活化，再加入培养基体积0.7-1.3倍的无菌水，振荡制得种子液。上述种子液的培养可将本发明海洋细菌从保藏状态恢复到新陈代谢旺盛的状态，生长繁殖速度快，得到数量充足的菌种；

扩大发酵培养：每100ml液体发酵培养基接入0.2-0.5ml种子液，于22-27℃恒温摇床发酵培养；摇床速率为100-140r/min，发酵培养时间为3-4d。在发酵培养期间，本发明的海洋细菌可充分利用培养基中的碳源、氮源及生长因子，进行旺盛的新陈代谢，产生大量的代谢产物---胞外多糖；

胞外多糖提取：先将发酵完成的菌液高速离心，取上清液，再在上清液中加入4-6倍体积的乙醇，并于2-5℃下静置10-18h，离心取沉淀，真空干燥得胞外多糖粗制品。亲水的多糖水化层被乙醇破坏，多糖在水中的溶解度大幅下降，以沉淀形式与其他成分分离，以沉淀的形式从溶液中析出，同时多糖的活性不会被破坏；

胞外多糖的精制：在胞外多糖粗制品中加水，振荡后加入乙醇，静置后离心取沉淀，真空干燥得到胞外多糖精制品。水为粗制品体积的1-2倍，乙醇体积为水溶液体积的4-6倍，乙醇温度为2-5℃；

吸附剂的制备：在质量比为1:2-2:1的琼脂与淀粉的混合物中加入8-20倍体积的纯水，加热搅拌至琼脂溶解，待琼脂溶液冷却至47-55℃，加入纯水质量1/20-1/15的胞外多糖精制品，混合均匀；然后将混合液倒入培养皿中，静置使之冷却凝固；将凝胶切成小方块，制成湿型重金属吸附剂，于2-4℃保存；或于70-95℃条件下烘干，制成干燥型重金属吸附剂。上述方法制备的吸附剂能对多种重金属进行吸附，性能稳定，能吸附多种重金属，吸附率高；没有添加对人体有害的物质，绿色安全。

作为优选，斜面培养基成分及其浓度为葡萄糖15-25g/L、尿素0.44-0.52g/L、硫酸铵0.19-0.24g/L、酵母膏0.4-0.6g/L、磷酸氢二钾1.5-5 g/L、磷酸二氢钾0.4-2g/L、琼脂12-17g/L和余量陈化海水或人工海水；调节pH为7.2-7.4，115-121℃高压灭菌20-35min。其中，人工海水配方为：氯化钠25.0 g/L、氯化镁1.9g/L、硫酸镁3.1 g/L、氯化钙1.3 g/L、碳酸氢钠0.2 g/L、氯化钾0.68g/L、溴化钠0.06 g/L、硼酸0.058 g/L、硅酸钠0.0024 g/L、磷酸0.002 g/L、六氯化二铝 0.014 g/L、氨水 0.002 g/L、硝酸锂 0.0014g/L、蒸馏水余量。上述培养基不仅能提供适合本发明海洋细菌适宜的环境，还能提供菌种生长繁殖所需的碳源、氮源及生长因子，菌种的繁殖速度快，并且能诱导菌种分泌产生大量的胞外多糖，胞外多糖产量提高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提取保藏号为CGMCC No. 12913的海洋细菌Pseudoalteromonassp.GHS18菌株的胞外多糖，将其与淀粉和琼脂结合，制成对重金属吸附效果优良的吸附剂。制得的吸附剂能对饮用水中镉、铅、铜等多种重金属进行吸附，吸附效率高，性能稳定；使用时，将吸附剂放入饮用水中即可，使用方便，提升饮用水品质；没有添加对人体有害的物质，绿色安全，可放心使用；原料来源广，操作简单，成本低廉，经济价值高。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明方案作进一步说明：

实施例1：

一株用于重金属吸附的海洋细菌，从中国浙江舟山朱家尖一处海水养殖场养殖的菲律宾蛤仔吐泥中分离筛选获得，经鉴定为假交替单胞菌（Pseudoalteromonas>

基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

1）种子液培养：将保藏号为CGMCC No. 12913的海洋细菌接种于斜面培养基，于26℃恒温培养36h后，加入与培养基等体积的无菌水，振荡得到种子液。上述种子液的培养可将海洋细菌Pseudoalteromonassp.GHS18菌株从保藏状态恢复到新陈代谢旺盛的状态，生长繁殖速度快，得到数量充足的菌种；

2）扩大发酵培养：在液体发酵培养基中接入种子液，恒温摇床培养；每100ml液体发酵培养基接入0.4ml种子液，发酵温度为26℃，摇床速率为140r/min，发酵培养时间为3.6d。在发酵培养期间，海洋细菌Pseudoalteromonas>

3）胞外多糖提取：将发酵完成的菌液离心，将发酵完成的菌液离心，取上清液，在上清液中加入5倍体积的乙醇。在4℃下静置15h，离心取沉淀，真空干燥得胞外多糖粗制品。亲水的多糖水化层被乙醇破坏，多糖在水中的溶解度大幅下降，以沉淀形式与其他成分分离，以沉淀的形式从溶液中析出，同时多糖的活性不会被破坏；

4）胞外多糖的精制：在胞外多糖粗制品中加水，振荡后加入乙醇，静置后离心取沉淀，真空干燥得到胞外多糖精制品。水为粗制品体积的1.7倍，乙醇体积为水溶液体积的5倍，乙醇温度为4℃；

5）吸附剂的制备：在质量比为1：1的琼脂与淀粉的混合物中加入10倍体积的纯水，一边搅拌一边加热直至琼脂溶解，待琼脂溶液冷却至50℃，将纯水质量1/16的胞外多糖精制品倒入琼脂溶液中混合均匀；然后将混合液倒入培养皿中，静置使之冷却凝固；将凝胶切成小方块，制成湿型重金属吸附剂，保存在2-4℃环境中。或放入烘箱在70-95℃条件下烘干，制成干燥型重金属吸附剂。上述方法制备的吸附剂能对多种重金属进行吸附，性能稳定，能吸附多种重金属，吸附率高；没有添加对人体有害的物质，绿色安全。

斜面培养基成分及其浓度为葡萄糖22g/L、尿素0.47g/L、硫酸铵0.2g/L、酵母膏0.5g/L、磷酸氢二钾2.7g/L、磷酸二氢钾1.1g/L、琼脂13g/L和余量陈化海水或人工海水；调节pH为7.3，121℃高压灭菌25min。其中，人工海水配方为：氯化钠25.0 g/L、氯化镁1.9g/L、硫酸镁3.1 g/L、氯化钙1.3 g/L、碳酸氢钠0.2 g/L、氯化钾0.68g/L、溴化钠0.06 g/L、硼酸0.058 g/L、硅酸钠0.0024 g/L、磷酸0.002 g/L、六氯化二铝 0.014 g/L、氨水 0.002 g/L、硝酸锂 0.0014g/L、蒸馏水余量。上述培养基不仅能提供适合本发明海洋细菌适宜的环境，还能提供菌种生长繁殖所需的碳源、氮源及生长因子，菌种的繁殖速度快，并且能诱导菌种分泌产生大量的胞外多糖，胞外多糖产量提高。

实施例2：

基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂的最优选制备方法，包括以下步骤：

1）种子液培养：将保藏号为CGMCC No. 12913的海洋细菌Pseudoalteromonassp.GHS18菌株接种于斜面培养基，于25℃恒温培养36h。加入等体积无菌水，振荡制得种子液。斜面培养基成分及其浓度为葡萄糖22g/L、尿素0.47g/L、硫酸铵0.2g/L、酵母膏0.5g/L、磷酸氢二钾2.7g/L、磷酸二氢钾1.1g/L、琼脂13g/L和余量陈化海水或人工海水；调节pH为7.3，121℃高压灭菌25min。其中，人工海水配方为：氯化钠25.0>

2）扩大发酵培养：在每100ml液体发酵培养基接入0.4ml种子液，于25℃恒温摇床发酵培养3.6d，摇床速率为140r/min。液体发酵培养基成分及其浓度为葡萄糖22g/L、尿素0.47g/L、硫酸铵0.2g/L、酵母膏0.5g/L、磷酸氢二钾2.7g/L、磷酸二氢钾1.1g/L和余量陈化海水或人工海水；调节pH为7.3，121℃高压灭菌25min。其中，人工海水配方为：氯化钠25.0g/L、氯化镁1.9g/L、硫酸镁3.1 g/L、氯化钙1.3 g/L、碳酸氢钠0.2 g/L、氯化钾0.68g/L、溴化钠0.06 g/L、硼酸0.058 g/L、硅酸钠0.0024 g/L、磷酸0.002 g/L、六氯化二铝 0.014 g/L、氨水 0.002 g/L、硝酸锂 0.0014g/L、蒸馏水余量；

3）胞外多糖提取：将发酵完成的菌液离心，取上清液，在上清液中加入5倍体积的乙醇。在4℃下静置15h，离心取沉淀，真空干燥得胞外多糖粗制品；

4）胞外多糖的精制：在胞外多糖粗制品中加水，振荡后加入乙醇，静置后离心取沉淀，真空干燥得到胞外多糖精制品。水为粗制品体积的1.7倍，乙醇体积为水溶液体积的5倍，乙醇温度为4℃；

5）吸附剂的制备：在2g质量比为1:2的琼脂与淀粉的混合物中加入15倍体积的纯水，一边搅拌一边加热直至琼脂溶解，待琼脂溶液冷却至50℃，将2g胞外多糖精制品倒入琼脂溶液中混合均匀；然后将混合液倒入培养皿中，静置使之冷却凝固；将凝胶切成3mm×3mm×3mm小方块，得到湿型重金属吸附剂；或摊平后放入烘箱，在90℃烘至干燥，制成干燥型重金属吸附剂，保存在4℃环境中。上述方法制备的吸附剂能对多种重金属进行吸附，性能稳定，能吸附多种重金属，吸附率高；没有添加对人体有害的物质，绿色安全。

实施例3：吸附剂对锰离子吸附效果的检测

1）配制浓度为0.5mg/L的锰离子溶液；

2）称取10g湿型重金属吸附剂于150mL锥形瓶中；

3）将溶液加热至沸后稍凉。分别量取50mL锰离子溶液倒入装有吸附剂的锥形瓶中，摇晃10min，使吸附剂和锰离子溶液充分接触。另取50mL溶液作为处理前水样；

4）将吸附后水样离心（10000×g，20min），去除水中残留的吸附剂。处理后分别取两份10mL水样于2支25mL比色管中，定容至25mL，并标记1、2。水样2为平行对照；

5）处理前水样也取10mL于25mL比色管中，定容至25mL，做好标记；

6）测量处理前后水样的锰离子浓度，用处理前后水样的锰离子浓度差除以处理前水样的锰离子浓度，得出锰离子的去除率为87.9%。

实施例4：吸附剂对铬（Ⅵ）离子吸附效果检测

1）配制浓度为0.25mg/L铬（Ⅵ）离子溶液；

2）称取5g湿型重金属吸附剂于150mL锥形瓶中；

3）将溶液加热至沸后稍凉。分别量取50mL铬（Ⅵ）离子溶液倒入装有吸附剂的锥形瓶中，摇晃10min，使吸附剂和铬（Ⅵ）离子溶液充分接触。另取50mL溶液作为处理前水样；

4）将吸附后水样离心（10000×g，20min），去除水中残留的吸附剂。处理后水样分别取两份10mL水样于2支25mL比色管中，定容至25mL，并标记1、2。其中，水样2为平行对照；

5）处理前水样也取10mL于25mL比色管中，定容至25mL，做好标记；

6）测量处理前后水样的铬（Ⅵ）离子浓度，用处理前后水样的铬离子浓度差除以处理前水样的铬离子浓度，得出铬（Ⅵ）离子的去除率为41.5%。

实施例5：吸附剂对镉、铅、铜离子吸附效果检测

1）分别配制一定浓度的金属离子溶液（其中镉离子溶液浓度为0.025mg/L、铅离子溶液浓度为0.05mg/L、铜离子溶液浓度为2mg/L）；

2）称取10g湿型重金属吸附剂于150mL锥形瓶中；

3）将溶液加热至沸，取下稍凉。分别量取50mL金属离子溶液倒入装有吸附剂的锥形瓶中，摇晃10min，使吸附剂和金属离子溶液充分接触。另取50mL溶液作为处理前水样；

4）将吸附后水样离心（10000×g，20min），去除水中残留的吸附剂。对于铜离子溶液，处理前后水样取25mL于25mL比色管中。每支比色管中加入20µL浓硝酸（优级纯）并测试pH，使pH值小于2。然后将水样装入聚乙烯瓶中保存。对于镉离子溶液，处理前后水样各取2ml至聚乙烯瓶中，再各加入8ml(1+99)硝酸溶液（优级纯），摇匀，测pH，使pH值小于2，保存待测。对于铅离子溶液，处理前后水样各取8ml至聚乙烯瓶中，再各加入2ml(1+99)硝酸溶液（优级纯），摇匀，测pH，使pH值小于2，保存待测。分别取两份水样1，2测试，作平行对照；

5）测量处理前后水样的金属离子浓度，用处理前后水样的各离子浓度差除以处理前水样的该离子浓度，得出镉离子的去除率为83.5%、铅离子的去除率为43.1%、铜离子的去除率为32.3%。

实施例6：口杯水中重金属的预防性去除

取10g湿型重金属吸附剂或0.4g干燥型重金属吸附剂加入茶杯（带滤网），冲入300-500mL热开水，5-10分钟后饮用。水中的重金属被吸附剂吸附，饮用水的安全系数提高。冲泡剂被滤网隔离，饮用水时，冲泡剂不会进入口腔，且使用后的冲泡剂可很快自然降解，可直接丢弃，使用方便。

本发明的操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

SEQUENCE LISTING

<110> 浙江海洋大学

<120> 基于细菌胞外多糖的饮用水重金属吸附剂

<130> 1

<160> 1

<170> PatentIn version 3.5

<210> 1

<211> 1277

<212> DNA

<213> 海洋菌株Pseudoalteromonas sp. GHS18

<400> 1

atgcttggga acatgccttg aggtggggga caacagttgg aaacgactgc taataccgca 60

taatgtctac ggaccaaagg gggcttcggc tctcgccttt agattggccc aagtgggatt 120

agctagttgg tgaggtaatg gctcaccaag gcgacgatcc ctagctggtt tgagaggatg 180

atcagccaca ctgggactga gacacggccc agactcctac gggaggcagc agtggggaat 240

attgcacaat gggcgcaagc ctgatgcagc catgccgcgt gtgtgaagaa ggccttcggg 300

ttgtaaagca ctttcagtca ggaggaaagg ttagtagtta atacctgcta tctgtgacgt 360

tactgacaga agaagcaccg gctaactccg tgccagcagc cgcggtaata cggagggtgc 420

gagcgttaat cggaattact gggcgtaaag cgtacgcagg cggtttgtta agcgagatgt 480

gaaagccccg ggctcaacct gggaactgca tttcgaactg gcaaactaga gtgtgataga 540

gggtggtaga atttcaggtg tagcggtgaa atgcgtagag atctgaagga ataccgatgg 600

cgaaggcagc cacctgggtc aacactgacg ctcatgtacg aaagcgtggg gagcaaacgg 660

gattagatac cccggtagtc cacgccgtaa acgatgtcta ctagaagctc ggagcctcgg 720

ttctgttttt caaagctaac gcattaagta gaccgcctgg ggagtacggc cgcaaggtta 780

aaactcaaat gaattgacgg gggcccgcac aagcggtgga gcatgtggtt taattcgatg 840

caacgcgaag aaccttacct acacttgaca tacagagaac ttaccagaga tggtttggtg 900

ccttcgggaa ctctgataca ggtgctgcat ggctgtcgtc agctcgtgtt gtgagatgtt 960

gggttaagtc ccgcaacgag cgcaacccct atccttagtt gctagcaggt aatgctgaga 1020

actctaagga gactgccggt gataaaccgg aggaaggtgg ggacgacgtc aagtcatcat 1080

ggcccttacg tgtagggcta cacacgtgct acaatggcgc atacagagtg ctgcgaactc 1140

gcgagagtaa gcgaatcact taaagtgcgt cgtagtccgg attggagtct gcaactcgac 1200

tccatgaagt cggaatcgct agtaatcgcg tatcagaatg acgcggtgaa tacgttcccg 1260

ggccttgtac acaccgc 1277