玄武巖纖維表面改性對生物膜附著性能的影響

張曉穎，榮新山, 2，徐吉成，周向同, 2，吳智仁, 2

(1 江蘇大學 環境與安全工程學院，江蘇 鎮江 212013；2 江蘇大學 環境健康與生態安全研究院，江蘇 鎮江 212013；3 鎮江市高等專科學校 醫藥與化材學院，江蘇 鎮江 212028)

生物膜法是一種常見的水處理工藝，其實質是利用附著生長在載體表面的微生物代謝作用對污/廢水中的污染物進行吸附、轉化和分解，進而達到凈化污/廢水的目的[1]。微生物附著在載體表面生長繁殖，并通過自身代謝作用分泌的胞外聚合物(EPS，主要成分為多糖、蛋白質、核酸和脂類等)相互黏結形成膜狀聚集體[2]。因此，載體是生物膜的主體部分，其表面性能可直接影響生物膜中微生物的種類、數量、活性、傳質和污/廢水處理效果，所以研發合適載體至關重要[3-4]。Guo等[5]報道了親水性的載體有助于微生物的初始黏附，進而促進生物膜的形成和生長。Fernández等[6]的研究表明在載體表面引入親水基團可以明顯改善微生物的初始黏附能力和生物活性。

目前，常見的生物載體可分為無機和有機兩大類[7-9]。玄武巖纖維(basalt fiber, BF)是一種新型的無機纖維生物膜載體，其主要成分為SiO2,Al2O3,CaO,MgO和FexOy等氧化物，直徑一般為7～20μm[10]。由于BF具有成本低、比表面積大、化學穩定性優異和力學性能突出等優勢，在生物載體研究領域已經受到廣泛的關注[11-14]。然而，BF是一種無機纖維，表面無羧基、羥基等極性親水基團，在水中不易分散，呈現疏水性，其生物親和性一般，進而影響其在污/廢水處理中作為生物載體的掛膜效果。因此，通過引入親水基團，對BF進行表面改性處理，增強BF的生物親和性，提高BF表面生物膜的附著性能，具有重要的研究意義。

殼聚糖是一種含有大量氨基(—NH2)和羥基(—OH)等親水基團的天然堿性多糖[15]，具有來源豐富、安全無毒、生物親和性好和微生物固定效率高等優點，已在生物膜載體領域中受到廣泛的重視[16-17]。低濃度的殼聚糖溶液的黏度較高，在干燥過程中分子排列規整易形成氫鍵，從而形成殼聚糖膜。因此，本工作采用殼聚糖對BF表面進行改性處理，利用其本身的黏附能力使親水性基團包裹在BF表面，制得改性玄武巖纖維(surface-modified basalt fiber, MBF)。MBF表面富含殼聚糖中的親水基團，具有良好的親水性，有助于胞外聚合物附著在表面，促進更多的生物量附著，從而形成均勻致密的生物膜，進而提高污/廢水處理效率。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗原料

玄武巖纖維，CBF13-1200，江蘇綠材谷新材料科技有限公司，直徑13μm，線密度1200tex；冰醋酸、氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；殼聚糖，生物試劑，山東優索化工科技有限公司；去離子水，自制。

1.2 BF表面處理

將一定量的殼聚糖加入到0.2%(質量分數，下同) 的稀CH3COOH溶液中，在30℃下持續攪拌5h，配制成1%的殼聚糖溶液[18]。向殼聚糖溶液中滴加0.2%的NaOH溶液，調節pH值為7.5，得到白色混濁的殼聚糖凝膠。稱取一定量的BF(mBF)，加入到殼聚糖凝膠中，均勻通入CO2氣體，在30℃下浸泡4h后取出，移至75℃鼓風干燥箱中干燥。干燥后的BF樣品即為表面涂覆殼聚糖的MBF(mMBF)，MBF制備示意圖見圖1。殼聚糖的包裹率ω按式(1) 計算。

圖1 MBF的制備示意圖Fig.1 Scheme for the preparation of MBF

(1)

1.3 載體性能表征

結構表征：采用傅立葉變換紅外光譜儀(ATAVAR360型)分析BF表面改性前后的官能團的變化，以KBr壓片法制樣，掃描波長范圍 4000～400cm-1；采用X射線光電子譜儀(ESCALABTM 250Xi型)分析纖維的化學組成成分，測試條件為單色AlKα衍射，測試電壓15kV，真空系統壓力10-7Pa，以C1s的284.6eV為能量校正標準。

表面形貌：采用掃描電子顯微鏡(S-4800型)和原子力學顯微鏡(Prima型)表征BF和MBF的微觀形貌和表面粗糙度。

親水性：將玄武巖纖維絲固定在接觸角儀(SDC-200型)的固定架兩端，用納升級微量注射器將水滴滴至纖維絲上，用接觸角測量儀測定表面改性前后玄武巖纖維的接觸角。

分散性能分析：將BF和MBF浸沒在裝有去離子水的燒杯中，觀察其在水中的分散情況，并用相機記錄。

1.4 生物膜附著性能評價

掛膜實驗前取某污水處理廠活性污泥在恒溫反應器(1L，30℃)中培養24h，混合液污泥濃度(MLSS)約為4000mg/L，用Na2CO3溶液將混合液的pH值調節至7.5。將干燥的BF和MBF樣品(m1)置于混合液中，連續曝氣至掛膜平衡，取出并烘干至恒重(m2)。掛膜率R按式(2) 計算[19]。

(2)

掛膜實驗重復3次，R取3次結果的平均值。采用徠卡顯微鏡(DM2500型)和掃描電子顯微鏡對掛膜后BF和MBF樣品進行觀察，分析二者表面附著的生物膜生長情況。

掛膜反應結束后，將掛膜后的纖維樣品采用乙醇溶液輕輕搓洗，烘干，采用掃描電子顯微鏡觀察纖維是否出現斷絲、老化等現象。

2 結果與分析

2.1 BF表面涂覆殼聚糖的機理分析

2.2 BF和MBF的表面官能團分析

對表面處理前后的玄武巖纖維進行紅外表征，結果見圖2。如圖2所示，在BF的紅外光譜圖中，445cm-1處對應的是Si—O—Si(或Si—O—Al)的彎曲振動和Ca—O伸縮振動峰的耦合帶，在755cm-1和995cm-1處分別對應的是Si—O—Si的對稱和反對稱伸縮振動吸收峰，在3425cm-1處較弱的吸收峰歸屬于水分子的伸縮振動[20]。

圖2 BF和MBF的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of BF and MBF

對比BF的紅外光譜，MBF的紅外光譜中在898cm-1處出現糖苷基的特征吸收峰；在1423cm-1和2875cm-1處分別歸屬于—CH2—的彎曲振動和伸縮振動吸收峰；在1560cm-1處歸屬于—NH2伸縮振動吸收峰；在1651cm-1處為酰胺鍵伸縮振動吸收峰；在2920cm-1處為次甲基的伸縮振動吸收峰；在3400cm-1處為—OH和N—H伸縮振動重疊的多重吸收峰[21]。上述結果表明殼聚糖已成功涂覆在BF表面。

2.3 BF和MBF的成分分析

圖3 XPS的譜圖 (a)BF和MBF的全譜；(b)MBF的Si2p;(c)MBF的C1s;(d)MBF的N1sFig.3 XPS spectra (a)survey spectra of BF and MBF;(b)Si2p of MBF;(c)C1s of MBF;(d)N1s of MBF

2.4 BF和MBF的表面形貌分析

采用掃描電鏡對BF和MBF進行表面分析，結果如圖4所示。由圖4可知，BF表面光滑，無凸起物。MBF的表面較為粗糙，出現一些凸起物，這些是殼聚糖在MBF表面涂覆時聚集所導致的。由表1可以看出，殼聚糖的包裹率為(23.32±0.51)%。由原子力學顯微鏡測得表面粗糙度Ra由84.47nm(BF)增加至209.04nm(MBF)。表面粗糙度的增加有利于增大微生物與纖維載體的接觸面積，可促進微生物在MBF表面的附著。

圖4 BF(a)和MBF(b)的SEM圖Fig.4 SEM images of BF(a) and MBF(b)

表1 BF和MBF的表面粗糙度和掛膜率Table 1 Surface roughness degree and the microorganism immobilization rate of BF and MBF

圖5 BF(a)和MBF(b)的接觸角圖片Fig.5 Water contact angle images of BF (a) and MBF (b)

2.5 BF和MBF的親水性和水中分散性分析

玄武巖纖維表面處理前后的接觸角分析結果見圖5。由圖5可知，BF呈現疏水狀態，接觸角為125.31°。MBF的接觸角為66.62°，具有明顯的親水性。這是由于經過殼聚糖改性的玄武巖纖維表面含有大量的親水基團，從而實現改善BF親水性的目的，而親水性的載體有利于微生物的初始黏附，因此，MBF具有較好的生物親和性。

圖6為玄武巖纖維表面處理前后在水中分散效果的照片。表面涂覆殼聚糖前，BF在水中不易分散，呈聚集狀態，這是因為BF表面親水性較差，無法與水分子之間形成氫鍵作用力。而MBF在水中的分散性得到明顯的改善，主動分散為扇狀。這是因為MBF表面涂覆了殼聚糖，引入了大量的—OH和—NH2親水基團，將BF的表面由疏水性轉變成親水性，從而提高了其在水中的分散性。提升纖維載體在水中的分散效果有助于增大污水中有機物與纖維載體的有效接觸面積，進而促進更多的微生物附著在載體表面，達到提高污/廢水處理效率的目的。

圖6 BF (a) 和MBF (b) 在水中分散的效果圖Fig.6 Photos of the dispersion in water of BF (a) and MBF (b)

2.6 BF和MBF的生物膜附著性能分析

圖7為BF和MBF曝氣掛膜后的效果圖。由圖7可知，MBF的生物膜附著量明顯增加，說明微生物更傾向于附著在親水性的玄武巖纖維表面，玄武巖纖維的生物親和性得到明顯改善。此外，對比BF的掛膜率(129.27±1.23)%，MBF增加至(179.92±2.63)%(見表1)，且掛膜量提高了39.18%。這主要是由于改善親水性有利于降低污水中的有機物與改性后玄武巖纖維的水接觸角，為微生物提供良好的生存環境，促進更多的微生物吸附并附著在MBF表面；另一方面，改善MBF的親水性可提高MBF在水中的分散性能，可明顯增加微生物與纖維之間的有效接觸面積，進而加快微生物在MBF表面的固定，促使生物膜在MBF表面生長、繁殖。

采用光學顯微鏡對BF和MBF表面形成的生物膜的生長情況進行觀察分析，結果見圖8。如圖8所示，MBF和BF在掛膜后均未出現斷絲老化現象，纖維完整無損，說明兩者具有良好的力學性能和化學穩定性。此外，MBF表面形成的生物膜較為均勻，且出現菌膠團，表明生物膜生長良好，生物活性較高。殼聚糖因具有微生物可降解性，在生物膜形成過程中，表層的殼聚糖會逐步被微生物代謝分解；原附著在載體上的生物膜逐漸成熟、脫落，后續微生物依附于胞外聚合物形成新的生物膜，維持動態平衡。將掛膜后的BF和MBF置于掃描電子顯微鏡下進行觀察，結果如圖9所示。MBF表面被胞外聚合物緊緊包裹，而BF表面形成的生物膜稀松不均勻，只有少許胞外聚合物附著。結果表明，經殼聚糖改性處理的玄武巖纖維可促使微生物初始黏附，使得更多的胞外聚合物吸附在載體表面，進而促進更多的生物量附著，從而形成均勻致密的生物膜。

圖7 BF(a)和MBF(b)的掛膜效果圖Fig.7 Photos of microorganism immobilization test of BF (a) and MBF (b)

圖8 BF(a)和MBF(b)的OM照片Fig.8 Optical micrographs of BF (a) and MBF (b)

圖9 掛膜后BF(a)和MBF(b)的SEM圖Fig.9 SEM images of BF (a) and MBF (b) after the microorganism immobilization tests

采用乙醇溶液對掛膜后的樣品輕輕搓洗，烘干后對樣品進行SEM分析，結果如圖10所示。由圖10可知，MBF仍保持BF本身優異的力學性能，二者表面均未出現斷絲、老化等現象。因此，為了確保殼聚糖改性玄武巖纖維的優異性能，可再次涂覆殼聚糖后反復使用。

圖10 乙醇洗滌后BF(a)和MBF(b)的SEM圖Fig.10 SEM images of BF (a) and MBF (b) after washed with C2H5OH

3 結論

(2)BF表面光滑，MBF表面覆蓋著殼聚糖薄膜，MBF的表面粗糙度為209.04nm，水接觸角為66.62°，掛膜率為(179.92±2.63)%。

(3)由殼聚糖改性的玄武巖纖維，親水性和水中分散性得到明顯改善，改性后的玄武巖纖維表面形成的生物膜致密均勻，生物膜附著量增加，活性較高，有利于提高污/廢水處理效果。