聚乳酸包覆零價鐵鈍化劑的制備及性能研究

向俊蓓，劉綿學

(1.四川護理職業學院，四川 成都 610100；2.四川省原子能研究院，四川 成都 610100)

聚乳酸包覆零價鐵鈍化劑的制備及性能研究

向俊蓓1，劉綿學2

(1.四川護理職業學院，四川 成都 610100；2.四川省原子能研究院，四川 成都 610100)

以可降解聚乳酸(PLA)為穩定劑，采用二次反相微乳法包覆零價鐵(ZVI)制備PLA包覆ZVI鈍化劑(PLA-ZVI)，通過粒度分析、微觀形貌分析、Fe元素分布分析、紅外光譜分析、X-射線光電子能譜分析對鈍化劑進行表征，結果顯示：ZVI在PLA基質中分散良好，PLA包覆增大了ZVI顆粒間距，提升了ZVI鈍化劑的穩定性；PLA-ZVI為表面光滑、界面清晰的微球結構，粒徑范圍為0.1～2.0 μm，可在有氧環境中保持穩定。同時，從垃圾填埋場土壤中篩選得到一株PLA降解菌株1601#，鑒定其為節桿菌屬菌株，該菌株可增強PLA-ZVI的重金屬鈍化能力，在Cr(Ⅵ)污染土壤中，加入菌株1601#的Cr(Ⅵ)清除率較未加的提高了7.82%。

零價鐵；聚乳酸；鈍化劑；PLA降解菌

聚乳酸(PLA)是一種聚酯類高分子材料，可完全降解為CO2和水，因具備良好的可塑性和環境友好性，被大量用作包裝材料、農用薄膜、醫藥敷料和人體支架材料[1]。自然環境中PLA的降解速率較慢，常規環境條件下PLA完全水解需60 d以上[2]，原因如下：(1)PLA降解是一個需能過程，通常使用的左旋聚乳酸(L-PLA)屬于半結晶形態，其水解過程分為兩個階段，首先無定型區發生水解，然后結晶區才進行水解；(2)生物降解很難發生，微生物作用可加速PLA的降解過程，但PLA降解菌株在環境微生物中分布稀少，僅占0.8%[3]。

納米零價鐵(nanoscale zero valent iron，nZVI)和零價鐵(ZVI)具有大比表面積和強還原活性，可通過還原反應、表面吸附與共沉淀等多種機制與重金屬污染物結合，是近年來鈍化劑領域的研究熱點。由于nZVI和ZVI在制備過程中易發生團聚，暴露在空氣中會迅速氧化失活[4]，因此，在土壤重金屬治理領域，未修飾的nZVI或ZVI材料無法直接用于污染物的治理。研究者多采用包覆穩定劑的方法進行表面修飾，如聚丙烯酸(PAA)、殼聚糖、羧甲基纖維素(CMC)[5]等，而利用PLA進行包覆的研究尚未見報道。

基于此，作者以環境友好的PLA作為穩定劑，采用二次反相微乳法對PEG-ZVI進行包覆制備得到PLA包覆ZVI鈍化劑(PLA-ZVI)；并通過粒度分析、微觀形貌分析、Fe元素分布分析、紅外光譜分析、X-射線光電子能譜分析等對鈍化劑進行表征；同時篩選PLA降解菌株，以強化對PLA包覆層的生物降解作用，提高鈍化劑的作用效能；并研究了鈍化劑對土壤Cr(Ⅵ)的鈍化效果，以期獲得穩定性良好的PLA-ZVI鈍化劑以及可配套使用的PLA降解菌株。

1 實驗

1.1 材料與試劑

PLA為左旋聚乳酸(L-PLA)顆粒，分子量25 000～100 000，美國NatureWorks 4032D。

NaBH4、聚乙二醇(PEG200)、聚乙烯醇(PVA)，西亞試劑；脂肪酸聚氧乙烯醚磷酸酯，海安石化；其它常規試劑，成都科龍化工。

1.2 PLA-ZVI的制備

以PEG200為分散劑，參照高樹梅等[6]改進的液相還原法制備PEG-ZVI顆粒，無水乙醇避光保存。

采用二次反相微乳法對PEG-ZVI進行PLA包覆處理：

(1)70 mL 1%(質量濃度，下同)PVA溶液中加入8 mL 0.1 g·mL-1脂肪酸聚氧乙烯醚磷酸酯、60 mL二氯甲烷，800 r·min-1攪拌10 min；

(2)40 mL 0.04 g·mL-1PLA溶液中加入PEG-ZVI混懸液，超聲1 min；

(3)2 200 r·min-1攪拌條件下，將(2)體系加入到(1)體系中，使有機相反轉成為連續相；

(4)保持2 200 r·min-1攪拌1 min，加入30 mL 1%PVA使有機相重新反轉成為分散相，繼續攪拌5 min；

(5)800 r·min-1攪拌60～120 min，完全揮發有機相；

(6)取300 mL 95%乙醇于1 000 mL燒杯中，1 200 r·min-1攪拌下緩慢加入(5)體系；

(7)離心，棄上清，無水乙醇重懸；重復該步驟；

(8)冷凍干燥，得深灰色粉末。部分PLA-ZVI樣品暴露在空氣中20 d，其余密封保存。

1.3 PLA-ZVI的表征

粒度分析：使用激光粒度分析儀(M3501-XB)分析PLA-ZVI的粒度范圍。

微觀形貌及Fe元素分布分析：PLA-ZVI樣品噴金90 s，使用場發射掃描電鏡(FEI Inspect F50)及能譜儀(Octane Super Det)進行微觀形態和Fe元素分布分析。

FTIR分析：使用傅立葉變換紅外光譜儀進行PEG-ZVI及PLA-ZVI的紅外光譜分析。

XPS分析：樣品送科譜研發(青島)技術中心，用X-射線電子能譜儀對暴露在空氣中20 d的PLA-ZVI樣本和密封保存的PLA-ZVI樣本進行XPS分析。

1.4 PLA降解菌的篩選、鑒定及生理生化分析

采用5點采樣法采集成都市龍泉驛區洛帶垃圾填埋場外圍距地表20 cm深處土壤樣本。參照林娟等[7]方法，用明膠培養基培養土壤浸出稀釋液，分離單菌落，用PLA顆粒料測試PLA降解能力；用青島海博革蘭氏陰性菌生理生化性質檢測試劑盒鑒定菌株酶活；用16S通用引物擴增該菌株的16S rDNA片段[8]，PCR產物送上海英駿進行測序分析，將測序結果輸入NCBI數據庫的“BLAST”進行在線檢索。

1.5 PLA-ZVI對土壤Cr(Ⅵ)的鈍化能力分析

根據我國土壤中重金屬Cr的背景值[9]，設定模擬污染土壤中Cr(Ⅵ)濃度：低濃度30 mg·kg-1、高濃度100 mg·kg-1。以鉻酸鉀作為模擬污染物按設定濃度混勻于土壤樣本中，干燥熟化6個月，參照王立群等[10]方法進行PLA-ZVI土壤鈍化性能測試。降解菌處理樣本中加入0.5 mL的1601#菌液(OD600=1.0)，對照樣本中加入等體積大豆胰蛋白胨(TSB)培養基。用1 mol·L-1醋酸銨溶液作為可交換態Cr(Ⅵ)提取液，用ICP-MS方法檢測提取液中的Cr(Ⅵ)含量。

2 結果與討論

2.1 PLA-ZVI的表征結果

2.1.1 粒度分析(圖1)

由于土壤富含黏性基質，粒徑超過3 μm容易被基質吸附團聚而無法在土壤中移動[11]。由圖1可看出，PLA-ZVI的粒徑范圍為0.1～2.0 μm。

圖1 PLA-ZVI的粒度分析Fig.1 Particle size analysis of PLA-ZVI

2.1.2 微觀形貌分析(圖2)

圖2 PLA-ZVI的SEM照片Fig.2 SEM image of PLA-ZVI

由圖2可看出，PLA-ZVI微粒呈表面光滑、界限清晰的微球結構，粒徑大小與粒度分析結果一致。

2.1.3 Fe元素分布分析

配合SEM觀測，用Octane Super Det能譜儀探測器對SEM視野內的Fe元素分布進行面掃描分析，結果如圖3所示。

a.PLA-ZVI電鏡照片 b.Fe元素分布 c.重疊圖像

由圖3可以看出，觀測面內Fe元素與PLA-ZVI顆粒區域呈現明顯的一致性，而邊緣空白區域Fe元素分布稀少，說明ZVI在PLA-ZVI微球中富集且分散良好。

2.1.4 FTIR分析(圖4)

圖4 PEG-ZVI和PLA-ZVI的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of PEG-ZVI and PLA-ZVI

由圖4可以看出，(1)PEG-ZVI的特征吸收峰包含了ZVI和PEG200的特征吸收峰：3 355.50 cm-1處特征吸收峰表示存在醇和酚結構；2 873.63 cm-1處特征吸收峰表示存在烷烴(CH3)；1 100 cm-1左右較強的特征吸收峰表示存在醚鍵。另外，在 600～700 cm-1處出現新峰，1 453.41 cm-1處特征吸收峰消失。整體上看，原有特征吸收峰的變化集中于CH3及醚鍵的伸縮振動(變形振動)，這些官能團振動的減弱或消失表明ZVI和PEG的結合位點影響了PEG分子的空間結構。(2)PLA-ZVI的特征吸收峰包含PLA的特征吸收峰：1 076 cm-1、 1 179 cm-1、1 747 cm-1，說明PLA-ZVI微球的官能團中具有酯類特征吸收峰；同時包含1 635 cm-1和1 418 cm-1的ZVI特征吸收峰，但均發生了不同程度的紅移，此現象多見于納米材料中表面原子因距離變大的弛豫效應[12]。綜上，PLA對ZVI實現了包覆并增大了ZVI顆粒間的距離，與Fe元素分布分析相吻合。

2.1.5 XPS分析(圖5)

由圖5可以看出，在空氣中暴露20 d及密封保存的PLA-ZVI樣本均在710 eV 和725 eV處出現2 個主峰，分別表示FeO和Fe2O3[13]。元素定量分析顯示，密封保存樣本的氧化態Fe元素含量為0.94%，暴露在空氣中20 d的樣本的氧化態Fe元素含量為1.76%，說明在制備過程中微球表面的部分ZVI發生了氧化反應，隨著空氣接觸時間的延長，表層ZVI繼續氧化，20 d內增加了0.82%的氧化態Fe元素。相較于未修飾ZVI，包覆后的ZVI穩定性提升明顯。

2.2 PLA降解菌的篩選

通過3輪明膠培養基篩選，分離獲得5株PLA降解菌，分別進行PLA降解能力測試，結果見表1。

圖5 PLA-ZVI的Fe2p XPS圖譜Fig.5 Fe2p XPS patterns of PLA-ZVI

表1 菌株的PLA降解能力

由表1可知，菌株1601#的PLA降解能力最強。對菌株1601#的酶活進行測定，結果見表2。

表2 菌株1601#的酶活檢測

注：“+”為陽性，“-”為陰性。

由表2可知，菌株1601#的明膠降解能力呈陽性，與前期篩選結果一致。

16S引物PCR擴增菌株1601#DNA測序獲得1 349 bp片段，將該序列用NCBI數據庫的“BLAST”工具檢索，最終確定該菌株屬于節桿菌(Arthrobactersp.)。該菌株培養物的細胞呈桿狀，不生孢，好氧，屬化能異養菌，生長在簡單培養基加生物素，無氧化酶活性，有脲酶活性，從葡萄糖或其它糖產生少量酸或不產酸，接觸酶陽性，最適生長溫度20～35 ℃，廣泛分布于環境中，主要是土壤中。根據分子鑒定結果，該菌株可利用的底物較為廣泛，可使用大豆胰蛋白胨培養基進行培養。

2.3 PLA-ZVI對土壤Cr(Ⅵ)的鈍化能力

研究報道，ZVI材料與可交換態Cr(Ⅵ)的快速反應符合準一級動力學反應方程[14-15]，因此，本實驗著重考察PLA-ZVI對Cr(Ⅵ)的鈍化效果。通過Tessier連續提取法和ICP-MS檢測，考察PLA-ZVI鈍化劑在有無PLA降解菌株的情況下對土壤中不同濃度Cr(Ⅵ)的鈍化效果，結果如圖6所示。

圖6 在有無PLA降解菌株存在的情況下，PLA-ZVI對土壤Cr(Ⅵ)的鈍化效果Fig.6 Passivation efficiency of PLA-ZVI on soil containingCr(Ⅵ) with or without PLA-degrading strain

由圖6可以看出，(1)在低濃度Cr(Ⅵ)污染土壤中，1周后土壤中的可交換態Cr(Ⅵ)基本被完全清除；而在高濃度Cr(Ⅵ)污染土壤中，借助降解菌株1601#的作用，PLA-ZVI也僅清除54.1%的可交換態Cr(Ⅵ)。這可能與土壤中Cr(Ⅵ)的存在形式有關，據李洪偉等[16]報道，Cr(Ⅵ)的存在形式為殘渣態>氧化態>還原態，處于可交換態的Cr(Ⅵ)較少。(2)降解菌株1601#的加入可提升鈍化劑PLA-ZVI對土壤Cr(Ⅵ)的鈍化效果。對于低濃度Cr(Ⅵ)污染土壤，加入PLA降解菌株1601#的樣本的清除率較未加降解菌株的略微提高；對于高濃度Cr(Ⅵ)污染土壤，1周內，加入PLA降解菌株1601#的樣本的清除率與未加降解菌株的差別不大；之后，差異越來越大；4周后，加入PLA降解菌株1601#的樣本的清除率較未加降解菌株的提高了7.82%。這可能與降解菌株的培養有關，降解菌株培養4周才能體現PLA的生物降解效果。當包覆PLA層發生部分水解時，未氧化ZVI位點暴露在環境體系中，逐漸釋放電子勢能，通過還原反應去除體系內殘留的可交換態Cr(Ⅵ)，從而實現鈍化效果的提升。在實踐應用中，可通過微生物的降解作用實現對PLA-ZVI降解速度和重金屬鈍化效果的調控。

3 結論

通過二次反相微乳法對ZVI顆粒進行PLA包覆，獲得包覆完整、ZVI分布均一的PLA-ZVI微球，為鈍化劑的規模制備提供了技術基礎。PLA包覆處理可增大ZVI顆粒間距，提升ZVI鈍化劑的穩定性。篩選獲得的PLA降解菌株1601#可通過微生物降解作用降解PLA包覆層，提升7.82%的可交換態Cr(Ⅵ)清除率。

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PreparationandPerformanceofPassivantPolylacticAcid-CoatedZeroValentIron

XIANG Jun-bei1,LIU Mian-xue2

(1.SichuanNursingVocationalCollege,Chengdu610100,China; 2.SichuanInstituteofAtomicEnergy,Chengdu610100,China)

Using biodegradable polylactic acid(PLA) as a stabilizer,we prepared a passivant，namely，PLA-coated zero valent iron(PLA-ZVI) by a secondary reverse microemulsion method.We characterized the passivant by the analyses of grain size,micromorphology,Fe element distribution,Fourier transform infrared spectrum,and X-ray photoelectron spectroscopy.The results showed that ZVI particles were homogeneously distributed in PLA matrix,PLA coating increased the distance of ZVI particles and improved the stability.PLA-ZVI particles had smooth surface and clear interface microsphere structure with the particle size of 0.1-2.0 μm.Meanwhile,they had good stability in aerobic environment.We screened a PLA-degrading strain from soil of landfill site,which was identified asArthrobactersp. and named 1601#.The strain 1601#could enhance the passivation capability with heavy metal of PLA-ZVI.In Cr(Ⅵ) contaminated soil passivation test,the Cr(Ⅵ) removal rate of PLA-ZVI in the presence of strain 1601#was 7.82% more than that in the absence of strain 1601#.

zero valent iron;polylactic acid;passivant;PLA-degrading strain

四川省科技廳科技支撐計劃項目(2016SZ0075，2015SZ0209)

2017-07-12

向俊蓓(1983-)，女，四川成都人，講師，研究方向：遺傳學與分子生物學，E-mail：67553494@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.12.007

向俊蓓，劉綿學.聚乳酸包覆零價鐵鈍化劑的制備及性能研究[J].化學與生物工程，2017，34(12)：25-29.

TM27 Q939.9 X53

A

1672-5425(2017)12-0025-05

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