电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法

摘要

本发明提供一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，属于生物资源技术领域。方法为将导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将腐殖质粘附于导电胶的表面。将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于阴极电解液内，将铂金电极置于阳极电解液内。电化学工作站连接石墨电极、Ag/AgCl饱和电极和铂金电极，对工作电极施以‑600～‑700mV的外部电压持续通电7～9天。其中，阴极电解液中包含微生物和卤代芳香族化合物。此方法可以促进阴极电解液内的卤代芳香族化合物进行微生物还原脱卤，通过石墨电极还原固态腐殖质，微生物利用还原后的固态腐殖质作为电子供体，对卤代芳香族化合物进行还原脱卤。

说明书

技术领域

本发明涉及生物资源技术领域，具体而言，涉及一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法。

背景技术

腐殖质(英文称Humus)定义：已死的生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质。黑褐色，含有植物生长发育所需要的一些元素，能改善土壤，增加肥力，主要方法是帮助增加可以让空气和水进入的空隙，也同样产生植物必须的氮，硫磺，钾和磷。动植物残体在微生物作用下形成简单化合物的同时又重新合成复杂的高分子化合物。

现有技术中没有将固态腐殖质固定在电极上通过电化学手段促进腐殖质介导的微生物对卤代芳香族污染物厌氧还原脱卤的方法的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，能够有效促进对生物电化学系统中阴极电解液中的卤代芳香族物质进行还原脱卤。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种电化学促进固态腐殖质介导的微生物对卤代芳香族污染物厌氧还原脱卤的方法，包括如下步骤：

(1)、将导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将腐殖质粘附于导电胶的表面；

(2)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔；

(3)、电化学工作站连接石墨电极、Ag/AgCl饱和电极和铂金电极，构成双室三电极系统，对工作电极施以-600～-700mV的外部电压持续通电 7～9天；

其中，阴极电解液包括微生物和卤代芳香族化合物；阳极电解液包括无机盐培养基。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述腐殖质为胡敏素。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述阴极电解液还包括无机盐培养基、甲酸盐和维生素。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述无机盐培养基包括质量浓度为1.0～1.5g/L的NH₄Cl、0.04～0.08g/L的CaCl₂·2H₂O、0.08～0.12g/L的MgCl₂·6H₂O、0.4～0.8g/L的K₂HPO₄。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述无机盐培养基还包括 1～3ml/L的微量元素SL-10溶液、1～3ml/L的Se/W溶液和15～20ml/L MOPS 缓冲液。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述微生物包括脱卤杆菌、拟杆菌、硫磺单胞菌和脱硫弧菌。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述微生物按照数量份计，包括脱卤杆菌2～3份、拟杆菌1～2份、硫磺单胞菌3～4份和脱硫弧菌2～3份。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述导电胶为银导电胶或碳导电胶。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述胡敏素与导电胶的质量比为1：(10～15)。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(1)中，步骤(2)前，还包括将粘附腐殖质的导电胶以及涂抹导电胶的石墨电极在室温下放置 8～12h的步骤。

本发明的较佳实施例提供的卤代芳香族还原脱卤的方法的有益效果是：将导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将腐殖质粘附于导电胶的表面，导电胶作为将石墨电极和腐殖质连接起来的媒介，腐殖质直接不能很好的被电极氧化和还原，通过导电胶的设置，使腐殖质可以稳定地附着在电极表面高效地被电极氧化和还原。将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔。电化学工作站连接石墨电极、Ag/AgCl饱和电极和铂金电极，以石墨电极作为工作电极， Ag/AgCl饱和电极作为参比电极，铂金电极作为对电极，构成双室三电极系统，对工作电极施以-600～-700mV的外部电压持续通电7～9天，其中，阴极电解液中含有微生物和卤代芳香族化合物，施加负电压，可以还原固态腐殖质，将固态腐殖质固定在石墨电极上，通过石墨电极还原固态腐殖质，阴极电解液中的微生物利用还原后的固态腐殖质作为电子供体对阴极电解液中的卤代芳香族化合物进行还原脱卤。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法进行具体说明。

一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，包括如下步骤：

(1)、将导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将腐殖质粘附于导电胶的表面。

导电胶作为将石墨电极和腐殖质连接起来的媒介，腐殖质直接不能很好的被电极氧化或还原，通过导电胶的设置，使腐殖质可以稳定地附着在电极表面高效地被电极氧化和还原。

优选地，导电胶为银导电胶或碳导电胶，以银或碳作为导电填料设置在导电胶中，形成导电通路。碳作为导电填料，设置在石墨电极上，在电极表面不会引入新的导电杂质，在电解液中发生电化学反应从而干扰石墨电极对腐殖质的电子传递。

优选地，腐殖质为胡敏素。胡敏素为腐殖质中与土壤矿物质结合最紧密的组分，最稳定，最不易发生氧化还原反应，对其进行电化学活性的研究更少，目前没有将其固定在石墨电极上对其电化学活性进行的研究。

腐殖质为胡敏素，使本发明的研究更有价值，同时，胡敏素固定在石墨电极上可以更高效地与电极发生电化学反应。

优选地，胡敏素与导电胶的质量比为1：(10～15)。使胡敏素能够均匀地粘附在导电胶上，方便后续胡敏素固定在石墨电极上，使胡敏素的固定效果更好。

本发明中，胡敏素的提取方法是：称量适量干燥的河底沉积物，与碱溶液混合后在通氮气的情况下震荡6～8h，并离心分离，舍去上清液与底部砂子，取中间层粘状沉积物，并冷冻干燥得到胡敏素。

优选地，河底沉积物的粒径不大于50目，河泥粉末能够更加均匀的与碱溶液混合，使河泥粉末中可以提取更多的胡敏素出来。由于河泥中有很多物质，可能会发生氧化反应而影响胡敏素的提取，在通氮气的情况下震荡，使胡敏素的提取效果更好。

优选地，碱溶液为碱性钠盐溶液，使用钠盐溶液对胡敏素的提取效果更好。与碱性钾盐溶液相比，碱性钠盐溶液的碱性稍弱，避免胡敏素发生碱性破坏，提高胡敏素的提取量。

碱性钠盐溶液可以是强碱盐，如：氢氧化钠，也可以是强碱弱酸盐，如：碳酸钠、磷酸钠、碳酸氢钠和焦磷酸钠等。具有一定的碱性，对胡敏素进行提取即可。

可以对河底沉积物进行多次提取，其提取的更加充分，也可以对多种沉积物进行提取胡敏素，提取的胡敏素更加多样化，对不同来源不同结构胡敏素进行分析，有利于胡敏素固定在石墨电极上作为电子媒介体的研究。通过碱溶液提取后得到的胡敏素为粗胡敏素，可以对其进一步处理，得到酰基化胡敏素，酰基化处理以后，酰基化胡敏素在石墨电极上的固定效果更好，更高效被电极氧化或还原。

优选地，还包括对胡敏素进行酰基化处理的步骤。

发明人发现胡敏素中含有较多的氮元素，具有胺基，能够对其酰基化处理。具体地，将酰氯、酸酐和醋酸按照一定的比例混合以后得到混合溶液，加热至40～70℃，将胡敏素放入混合溶液中，在40～70℃的条件下震荡 12～24h，并离心分离，弃上层清液，并冷冻干燥得到酰基化胡敏素。

优选地：酰氯、酸酐和醋酸的体积比依次为(2～4)：(3～5)：1，醋酸为体积分数为50％的醋酸，胡敏素的酰基化效果更好。

(2)、将粘附腐殖质的导电胶以及涂抹导电胶的石墨电极在室温下放置8～12h，使腐殖质(胡敏素或酰基化胡敏素)稳定固定在石墨电极上导电胶的表面，避免电解时腐殖质(胡敏素或酰基化胡敏素)进入到电解液中而不能很好的固定在石墨电极上，更好地被电极氧化或还原。

(3)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔。

以石墨电极作为工作电极，Ag/AgCl饱和电极作为参比电极，铂金电极作为对电极，构成双室三电极系统，可以对固定在电极上的腐殖质进行还原。

阴极电解液包括微生物和卤代芳香族化合物，优选地，阴极电解液包括无机盐培养基、甲酸盐、维生素、微生物和卤代芳香族化合物，阳极电解液包括无机盐培养基。更佳地，无机盐培养基包括质量浓度为1.0～1.5g/L 的NH₄Cl、0.04～0.08g/L的CaCl₂·2H₂O、0.08～0.12g/L的MgCl₂·6H₂O、>2HPO₄、1～3ml/L的微量元素SL-10溶液、1～3ml/L的Se/W>

本发明中，微生物包括脱卤杆菌、拟杆菌、硫磺单胞菌和脱硫弧菌。这几种微生物有利于从固定胡敏素上接受电子并对卤代芳香族化合物还原脱卤。

优选地，微生物按照数量份计，包括脱卤杆菌2～3份、拟杆菌1～2份、硫磺单胞菌3～4份和脱硫弧菌2～3份，此数量份下的各种微生物进行混合，能够进一步提高卤代芳香族化合物的还原脱卤的效果。

(4)、电化学工作站连接石墨电极、Ag/AgCl饱和电极和铂金电极，构成双室三电极系统，对工作电极施以-600～-700mV的外部电压持续通电 7～9天。

施加负电压，可以还原固态腐殖质(胡敏素或酰基化胡敏素)，将固态腐殖质(胡敏素或酰基化胡敏素)固定在石墨电极上，通过石墨电极还原固态腐殖质(胡敏素或酰基化胡敏素)，微生物利用还原后的固态腐殖质(胡敏素或酰基化胡敏素)作为电子供体促进卤代芳香族化合物的还原脱卤。

实施例1

一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，包括如下步骤：(1)、将导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将腐殖质粘附于导电胶的表面。(2)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔。其中，阴极电解液包括微生物和卤代芳香族化合物；阳极电解液包括无机盐培养基。(3)、电化学工作站连接石墨电极、Ag/AgCl饱和电极和铂金电极，构成双室三电极系统，对工作电极施以-600～-700mV的外部电压持续通电7天。

实施例2

一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，包括如下步骤：(1)、将银导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将胡敏素粘附于银导电胶的表面；其中，胡敏素与银导电胶的质量比为1：10。(2)、将粘附胡敏素的银导电胶以及涂抹银导电胶的石墨电极在室温下放置8h。 (3)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔。其中，阴极电解液包括微生物和卤代芳香族化合物，阳极电解液包括无机盐培养基。(4)、电化学工作站连接石墨电极、Ag/AgCl饱和电极和铂金电极，构成双室三电极系统，对工作电极施以-600～-700mV的外部电压持续通电9天。

实施例3

一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，包括如下步骤：(1)、称量适量干燥的粒径为50目的河底沉积物，与氢氧化钠溶液混合后在通氮气的情况下震荡6h，并离心分离，舍去上清液与底部砂子，取中间层粘状沉积物，并冷冻干燥得到胡敏素。(2)、将酰氯、酸酐和醋酸按照体积比依次为2：3：1的比例混合以后得到混合溶液，加热至40℃，将胡敏素放入混合溶液中，在40℃的条件下震荡12h，并离心分离，弃上层清液，并冷冻干燥得到酰基化胡敏素。(3)、将碳导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将酰基化胡敏素粘附于碳导电胶的表面，其中，酰基化胡敏素与碳导电胶的质量比为1：15。(4)、将粘附酰基化胡敏素的碳导电胶以及涂抹碳导电胶的石墨电极在室温下放置8h。(5)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔；其中，阴极电解液包括无机盐培养基、甲酸盐、维生素、卤代芳香族化合物和微生物，阳极电解液包括无机盐培养基；无机盐培养基包括质量浓度为1.0g/L的NH₄Cl、0.04g/L的CaCl₂·2H₂O、0.08g/L的>2·6H₂O、0.4g/L的K₂HPO₄、1ml/L的微量元素SL-10溶液、1ml/L>

实施例4

一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，包括如下步骤：(1)、称量适量干燥的粒径为200目的河底沉积物，与氢氧化钠溶液混合后在通氮气的情况下震荡8h，并离心分离，舍去上清液与底部砂子，取中间层粘状沉积物，并冷冻干燥得到胡敏素。(2)、将酰氯、酸酐和醋酸按照体积比依次为4：5：1的比例混合以后得到混合溶液，加热至70℃，将胡敏素放入混合溶液中，在70℃的条件下震荡24h，并离心分离，弃上层清液，并冷冻干燥得到酰基化胡敏素。(3)、将碳导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将酰基化胡敏素粘附于碳导电胶的表面，其中，酰基化胡敏素与碳导电胶的质量比为1：12。(4)、将粘附酰基化胡敏素的碳导电胶以及涂抹碳导电胶的石墨电极在室温下放置12h。(5)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，阴极室和阳极室通过阳离子交换膜进行分隔；其中，阴极中电解液包括无机盐培养基、甲酸盐、维生素、卤代芳香族化合物和微生物，阳极中电解液包括无机盐培养基；无机盐培养基包括质量浓度为1.5g/L的NH₄Cl、0.08g/L的CaCl₂·2H₂O、0.12g/L>2·6H₂O、0.8g/L的K₂HPO₄、3ml/L的微量元素SL-10溶液、3ml/L>

实施例5

一种电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，包括如下步骤：(1)、称量适量干燥的粒径为100目的河底沉积物，与氢氧化钠溶液混合后在通氮气的情况下震荡7h，并离心分离，舍去上清液与底部砂子，取中间层粘状沉积物，并冷冻干燥得到胡敏素。(2)、将酰氯、酸酐和醋酸按照体积比依次为3：4：1的比例混合以后得到混合溶液，加热至60℃，将胡敏素放入混合溶液中，在50℃的条件下震荡20h，并离心分离，弃上层清液，并冷冻干燥得到酰基化胡敏素。(3)、将银导电胶涂抹于石墨电极的表面，并将酰基化胡敏素粘附于银导电胶的表面，其中，酰基化胡敏素与银导电胶的质量比为1：15。(4)、将粘附酰基化胡敏素的银导电胶以及涂抹银导电胶的石墨电极在室温下放置10h。(5)、将粘附腐殖质的石墨电极和Ag/AgCl饱和电极置于含有阴极电解液的阴极室内，将铂金电极置于含有阳极电解液的阳极室内，双隔室通过阳离子交换膜进行分隔；其中，阴极中厌氧胡敏素培养基包括无机盐培养基、甲酸盐、维生素、卤代芳香族化合物和微生物，阳极中包括无机盐培养基；无机盐培养基包括质量浓度为1.2g/L的NH₄Cl、0.05g/L的CaCl₂·2H₂O、0.09g/L的>2·6H₂O、0.6g/L的K₂HPO₄、2ml/L的微量元素SL-10溶液、2ml/L>

实验例

使用电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法对卤代芳香族化合物进行还原脱卤，其中，其他反应条件相同，石墨电极的导电胶上分别固定胡敏素、酰基化胡敏素以及空白对照(无胡敏素或酰基化胡敏素)进行还原脱卤一周以后，检测电化学系统阴极电解液中卤代芳香族化合物还原脱卤的情况如表1：

表1卤代芳香族污染物还原脱卤的情况

从表1可以看出，通过使用本发明提供的电化学促进腐殖质介导的卤代芳香族污染物的微生物还原脱卤的方法，其中，在石墨电极的导电胶上分别固定胡敏素和酰基化胡敏素，均能够促进微生物对卤代芳香族化合物进行还原脱卤，微生物利用电极还原后的胡敏素或酰基化胡敏素作为电子供体，能够促进对阴极电解液中的卤代芳香族化合物进行还原脱卤。其中，微生物利用酰基化胡敏素作为电子供体，其还原脱卤效果更好，有利于环保的研究。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。