改性碳納米管吸附水中腸道菌群的研究
2015-01-15 21:44:31萬洪善袁芹
江蘇農業科學 2014年11期
萬洪善+袁芹
摘要：以1-乙基-3（3-二甲基氨基丙基）碳化二亞胺（EDC）為相偶聯劑，通過海藻酸鈉（SAL）對碳納米管（CNTs）進行修飾和改性，選取水中腸道菌群作為對象，研究改性碳納米管對水中微生物的吸附效果，探討了溶液pH值、吸附時間和吸附劑量對吸附過程的影響。結果表明，CNTs經海藻酸鈉改性后，對腸道菌群的吸附能力提高，當溶液pH值7.0時，具有最大吸附率，在初始90min內保持較高的吸附速率，且吸附率隨著吸附劑量的增加而增大，改性碳納米管（SAL-MWCNT-COOH）吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時，吸附率從78.6%提高到89.6%。
關鍵詞：碳納米管；表面改性；大腸桿菌；吸附
中圖分類號：TQ424.3文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0395-03
粉末活性炭（PAC）是目前飲用水凈水處理的常用材料，但PAC凈水存在微生物泄漏使水二次污染的問題。近年來，納米水處理技術在國內外取得了一定的效果。納米材料，如碳納米管（CNTs），具有特殊的水處理能力并且能夠有效地去除化學污染物和生物污染物[1]。CNTs作為一種新型材料，經世界范圍內眾多學者的研究驗證，具有非常優秀的吸附性能，甚至大大超過當前制水行業普遍使用的活性炭[2-5]。近年來，隨著CNTs抗菌性能的發現，其在水處理抗菌領域的潛在應用漸漸引起了科學界的廣泛關注。與傳統的化學消毒劑不同，CNTs應用于水中抗菌并不會產生消毒副產物（DBPs）問題。此外，由于其巨大的比表面積，CNTs對水中細菌具有極強的吸附性能，CNTs對水中病菌可能具有濃縮和滅活雙重性能[6]。因此，CNTs在水處理抗菌領域可能具有良好的應用前景。但CNTs的長度一般在幾百納米到數十微米之間，在其吸附微污染物后，采用常規水處理工藝中的分離方法，很難將CNTs完全從水中分離出來，而微小尺寸的CNTs對水環境造成二次微污染勢必對人體的健康造成不良的影響[7]，這些問題嚴重地限制了CNTs在水處理中的實際應用。
本試驗以水中常見細菌大腸桿菌（Escherichiacoil）作為對象，以1-乙基-3（3-二甲基氨基丙基）碳化二亞胺（EDC）為相偶聯劑，在水介質、弱酸性條件下，采用超聲波輔助法接枝水溶性高分子海藻酸鈉（alginatesodium，SAL），得到修飾的碳納米管復合物，研究SAL-MWCNTS-COOH復合材料對腸道菌群的吸附性能。
1材料與方法
1.1試驗材料與設備
MWCNT（多壁碳納米管，XFM13，南京先豐納米科技材料有限公司）；大腸桿菌E.coil（來源于連云港市第一人民醫院）；LB培養基，自制；SAL（國藥集團化學試劑有限公司）；碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）（sigma-aldrich公司）；其他試劑均為分析純。JEM-100CXⅡ透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM，日本電子株式會社）；BL6-180型高功率數控超聲波清洗器（上海比朗儀器有限公司）；SX-500型滅菌鍋（sigma-aldrich公司）。
1.2試驗方法
1.2.1SAL-MWCNT-COOH復合物的制備SAL-MWCNT-COOH復合物的制備參照文獻[8]。
1.2.2測試與表征在掃描電鏡和透射電鏡上完成。
1.2.3SAL-MWCNT-COOH復合物吸附+大腸桿菌的試驗將E.coil活化后置于LB液體培養基中，在37℃下恒溫培養24h。取干熱滅菌后的200mL錐形瓶4個，編號為1～4，分別加入一定量的生理鹽水，然后在2～4號中加入一定量的吸附材料，超聲分散10min，1號為空白對照。在1～4號錐形瓶中加入純化后的大腸桿菌菌液，菌液初始含量C0為104～106CFU/mL，恒溫振蕩培養箱中培養。取1～4號錐形瓶上層液體，膜濾，濾液稀釋103倍，取稀釋后菌液1mL接種于編號為1～4號的固體培養基上，涂布均勻后，在37℃條件下培養24h，然后取出計數。
吸附劑吸附后，溶液中剩余自由E.coil的總菌含量計數方法：總菌含量=（固體培養基上菌落數×稀釋倍數）/所測樣品溶液體積。
2結果與討論
2.1改性碳納米管的掃描電鏡圖
從圖1中可以清晰地觀察到碳納米管以纖維狀形態存在，碳納米管大都是以單根的形式存在，彎曲程度較大、碳管較長，相互纏繞，形成網絡狀。
2.2改性碳納米管的透視電鏡
通過透射電鏡觀察可知，未處理過的MWNTs存在著較
嚴重的纏結和團聚現象（圖2-a），而MWCNT-SAL復合物分散性明顯提高，基本達到單根分散程度（圖2-b）。
2.3吸附試驗及結果
2.3.1吸附效果的平板菌落圖
采用平板菌落法進行吸附性能測試。
圖3是大腸桿菌在相同條件下經過3種吸附劑吸附后，形成的平板菌落圖。從圖3中可以看出，碳納米管經過羧基化、海藻酸鈉改性后吸附效果明顯提高，其中圖3-c吸附效果最好，生成的菌落數最少。
2.3.2pH值對吸附效果的影響
分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號錐形瓶中加入待處理菌液，溫度37℃，以200r/min轉速振蕩4h后取樣，檢測pH值對吸附效果的影響。在研究pH值對吸附劑吸附去除E.coil的影響時，應考慮到E.coil的適宜生存條件，防止E.coil因過酸或過堿而死亡而影響試驗結果，取pH值為5.0～9.0，研究pH值對E.coil去除率的影響（圖4）。
從圖4可以看出，pH值7.0時吸附效果最好，pH值超過7.0以后，隨著pH值增大，吸附率逐漸減小，這可能與E.coil和CNTs的零電荷點（pHpzc）有關。E.coil的pHpzc=4.4，因此在試驗條件pH值=5.0～9.0下，E.coil表面帶負電荷。當反應液pH值
2.3.3吸附時間對吸附效果的影響
分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號錐形瓶中加入待處理菌液，調節菌液pH值為7.0，溫度37℃，以200r/min轉速振蕩，檢測吸附時間對吸附效果的影響，結果見圖5。
由圖5可見，SAL-MWCNT-COOH復合物對大腸桿菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH與MWCNTs之間。90min時，3種吸附劑的吸附率分別為34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增長迅速，這是由于MWCNT經過改性后，碳納米管表面產生了許多官能團，如羥基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面積和孔容積亦有所增加，有利于水溶性大腸桿菌的吸附去除。120min以后，吸附率增長緩慢，當到360min時，3種吸附劑吸附率基本達到最大值而不再變化，分別為37.2%、57.8%、83.0%。
2.3.4吸附劑量對吸附效果的影響
當菌液pH值調節為7.0，在溫度37℃下，以200r/min轉速振蕩90min，檢測吸附劑量對吸附效果的影響，結果見圖6。由圖6可知，當吸附劑的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]時，3種吸附劑的吸附率隨著吸附劑量的增
多而快速增大；吸附劑的量大于5.0mg以后，吸附率增加緩慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3種吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時，MWCNTs吸附率從38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率從78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于兩者之間。在相同條件下，隨著吸附劑量的增加，其吸附率逐漸增大，主要是由于吸附劑的量增多，增加了有效官能團和吸附的活性位點，從而提高了MWCNTs大腸桿菌的吸附作用。但是，從經濟角度考慮，并不是吸附劑量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。
3結論
MWCNTs經SAL修飾后，提高了分散性、表面積和孔容積。
pH值為7.0時，MWCNTs吸附大腸桿菌的吸附平衡時間為90min；當吸附劑的量小于2.5mg時，吸附率隨著吸附劑量的增多而快速增大，吸附劑的量大于5.0mg后，吸附率增加緩慢，海藻酸鈉-碳納米管復合物的量從2.5mg增加到12.5mg時，吸附率從78.6%提高到89.6%。因此，從經濟角度考慮，并不是吸附劑的量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。（3）碳納米管獨特的結構和性質決定它在吸附方面必有良好的應用前景，在實際應用中有望為能源和環境的可持續發展提供解決途徑。
參考文獻：
[1]宮艷萍，高欣，尹文利.碳納米管凈水材料的應用[J].中國新技術新產品，2013（12）：36.
[2]莊媛，劉諶，王宏煜.碳納米管吸附性能研究進展[J].科技資訊，2009（18）：3.
[3]張艷榮.碳納米管的研究現狀及應用[J].中國科技信息，2008（16）：36-38.
[4]彭先佳，賈建軍，欒兆坤，等.碳納米管在水處理材料領域的應用[J].化學進展，2009，21（9）：1987-1992.
[5]黃書杭，盛力，隋銘皓.碳納米管吸附去除水中大腸桿菌研究[J].水處理技術，2012，38（2）：33-36.
[6]張令滇，隋銘皓，盛力，等.碳納米管對水中致病菌抗菌性能研究進展[J].水處理技術，2013，39（11）：1-4，28.
[7]劉福強.碳納米管海藻酸鈉復合材料對污水中重金屬離子的吸附性能研究[D].青島：青島大學，2010.
[8]萬洪善，劉妍.奧沙利鉑-殼聚糖-海藻酸鈉-多壁碳納米管復合物的體外緩釋行為[J].江蘇農業科學，2013，41（7）：299-302.endprint
2.3.3吸附時間對吸附效果的影響
分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號錐形瓶中加入待處理菌液，調節菌液pH值為7.0，溫度37℃，以200r/min轉速振蕩，檢測吸附時間對吸附效果的影響，結果見圖5。
由圖5可見，SAL-MWCNT-COOH復合物對大腸桿菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH與MWCNTs之間。90min時，3種吸附劑的吸附率分別為34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增長迅速，這是由于MWCNT經過改性后，碳納米管表面產生了許多官能團，如羥基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面積和孔容積亦有所增加，有利于水溶性大腸桿菌的吸附去除。120min以后，吸附率增長緩慢，當到360min時，3種吸附劑吸附率基本達到最大值而不再變化，分別為37.2%、57.8%、83.0%。
2.3.4吸附劑量對吸附效果的影響
當菌液pH值調節為7.0，在溫度37℃下，以200r/min轉速振蕩90min，檢測吸附劑量對吸附效果的影響，結果見圖6。由圖6可知，當吸附劑的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]時，3種吸附劑的吸附率隨著吸附劑量的增
多而快速增大；吸附劑的量大于5.0mg以后，吸附率增加緩慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3種吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時，MWCNTs吸附率從38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率從78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于兩者之間。在相同條件下，隨著吸附劑量的增加，其吸附率逐漸增大，主要是由于吸附劑的量增多，增加了有效官能團和吸附的活性位點，從而提高了MWCNTs大腸桿菌的吸附作用。但是，從經濟角度考慮，并不是吸附劑量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。
3結論
MWCNTs經SAL修飾后，提高了分散性、表面積和孔容積。
pH值為7.0時，MWCNTs吸附大腸桿菌的吸附平衡時間為90min；當吸附劑的量小于2.5mg時，吸附率隨著吸附劑量的增多而快速增大，吸附劑的量大于5.0mg后，吸附率增加緩慢，海藻酸鈉-碳納米管復合物的量從2.5mg增加到12.5mg時，吸附率從78.6%提高到89.6%。因此，從經濟角度考慮，并不是吸附劑的量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。（3）碳納米管獨特的結構和性質決定它在吸附方面必有良好的應用前景，在實際應用中有望為能源和環境的可持續發展提供解決途徑。
參考文獻：
[1]宮艷萍，高欣，尹文利.碳納米管凈水材料的應用[J].中國新技術新產品，2013（12）：36.
[2]莊媛，劉諶，王宏煜.碳納米管吸附性能研究進展[J].科技資訊，2009（18）：3.
[3]張艷榮.碳納米管的研究現狀及應用[J].中國科技信息，2008（16）：36-38.
[4]彭先佳，賈建軍，欒兆坤，等.碳納米管在水處理材料領域的應用[J].化學進展，2009，21（9）：1987-1992.
[5]黃書杭，盛力，隋銘皓.碳納米管吸附去除水中大腸桿菌研究[J].水處理技術，2012，38（2）：33-36.
[6]張令滇，隋銘皓，盛力，等.碳納米管對水中致病菌抗菌性能研究進展[J].水處理技術，2013，39（11）：1-4，28.
[7]劉福強.碳納米管海藻酸鈉復合材料對污水中重金屬離子的吸附性能研究[D].青島：青島大學，2010.
[8]萬洪善，劉妍.奧沙利鉑-殼聚糖-海藻酸鈉-多壁碳納米管復合物的體外緩釋行為[J].江蘇農業科學，2013，41（7）：299-302.endprint
2.3.3吸附時間對吸附效果的影響
分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號錐形瓶中加入待處理菌液，調節菌液pH值為7.0，溫度37℃，以200r/min轉速振蕩，檢測吸附時間對吸附效果的影響，結果見圖5。
由圖5可見，SAL-MWCNT-COOH復合物對大腸桿菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH與MWCNTs之間。90min時，3種吸附劑的吸附率分別為34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增長迅速，這是由于MWCNT經過改性后，碳納米管表面產生了許多官能團，如羥基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面積和孔容積亦有所增加，有利于水溶性大腸桿菌的吸附去除。120min以后，吸附率增長緩慢，當到360min時，3種吸附劑吸附率基本達到最大值而不再變化，分別為37.2%、57.8%、83.0%。
2.3.4吸附劑量對吸附效果的影響
當菌液pH值調節為7.0，在溫度37℃下，以200r/min轉速振蕩90min，檢測吸附劑量對吸附效果的影響，結果見圖6。由圖6可知，當吸附劑的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]時，3種吸附劑的吸附率隨著吸附劑量的增
多而快速增大；吸附劑的量大于5.0mg以后，吸附率增加緩慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3種吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時，MWCNTs吸附率從38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率從78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于兩者之間。在相同條件下，隨著吸附劑量的增加，其吸附率逐漸增大，主要是由于吸附劑的量增多，增加了有效官能團和吸附的活性位點，從而提高了MWCNTs大腸桿菌的吸附作用。但是，從經濟角度考慮，并不是吸附劑量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。
3結論
MWCNTs經SAL修飾后，提高了分散性、表面積和孔容積。
pH值為7.0時，MWCNTs吸附大腸桿菌的吸附平衡時間為90min；當吸附劑的量小于2.5mg時，吸附率隨著吸附劑量的增多而快速增大，吸附劑的量大于5.0mg后，吸附率增加緩慢，海藻酸鈉-碳納米管復合物的量從2.5mg增加到12.5mg時，吸附率從78.6%提高到89.6%。因此，從經濟角度考慮，并不是吸附劑的量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。（3）碳納米管獨特的結構和性質決定它在吸附方面必有良好的應用前景，在實際應用中有望為能源和環境的可持續發展提供解決途徑。
參考文獻：
[1]宮艷萍，高欣，尹文利.碳納米管凈水材料的應用[J].中國新技術新產品，2013（12）：36.
[2]莊媛，劉諶，王宏煜.碳納米管吸附性能研究進展[J].科技資訊，2009（18）：3.
[3]張艷榮.碳納米管的研究現狀及應用[J].中國科技信息，2008（16）：36-38.
[4]彭先佳，賈建軍，欒兆坤，等.碳納米管在水處理材料領域的應用[J].化學進展，2009，21（9）：1987-1992.
[5]黃書杭，盛力，隋銘皓.碳納米管吸附去除水中大腸桿菌研究[J].水處理技術，2012，38（2）：33-36.
[6]張令滇，隋銘皓，盛力，等.碳納米管對水中致病菌抗菌性能研究進展[J].水處理技術，2013，39（11）：1-4，28.
[7]劉福強.碳納米管海藻酸鈉復合材料對污水中重金屬離子的吸附性能研究[D].青島：青島大學，2010.
[8]萬洪善，劉妍.奧沙利鉑-殼聚糖-海藻酸鈉-多壁碳納米管復合物的體外緩釋行為[J].江蘇農業科學，2013，41（7）：299-302.endprint
