活性炭國(guó)家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭載菌吸附降解柴油廢水

　　柴油是一種輕質(zhì)石油產(chǎn)品，主要由直鏈、環(huán)狀和支鏈的脂肪烴、烯烴和芳香族化合物組成。柴油在煉制、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的泄漏，會(huì)對(duì)土壤和水造成嚴(yán)重污染。柴油本質(zhì)上是劇毒的，因?yàn)樗�包含幾種致突變和致癌的化合物。在水中，柴油的存在對(duì)水生生物資源有不利影響。因此，一旦水被柴油污染，使用必要的修復(fù)技術(shù)非常重要。活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì) 、發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)、大的比表面積和許多官能團(tuán)，已被廣泛應(yīng)用作為膜生物反應(yīng)器過(guò)程中微生物細(xì)胞的載體。本研究使用微米級(jí)活性炭 固定化柴油降解菌來(lái)去除柴油污染水的修復(fù)材料。

　　柴油降解菌的培養(yǎng)

　　從混合菌中共分離出10株具有高柴油降解能力的菌株如圖1所示。根據(jù)16SrDNA擴(kuò)增和測(cè)序步驟的結(jié)果，10個(gè)優(yōu)勢(shì)降解菌株包括6種短鏈單胞菌、2種葡萄球菌和不動(dòng)桿菌。建議篩選出的細(xì)菌具有以柴油為碳源在溶液中生長(zhǎng)和增殖的功能。與未添加降解菌的樣品相比，在水中添加單一菌種或混合菌種對(duì)柴油的降解效果顯著，去除效率提高了17.89-46.05%。混合菌株對(duì)柴油的去除效率最高(46.05%)。此外，考慮到混合菌株也具有最快的生長(zhǎng)速度和最大的種群，有助于增強(qiáng)細(xì)菌的適應(yīng)性，提高柴油的降解效率。因此，在以下實(shí)驗(yàn)中選擇混合菌株固定在活性炭上。

　　圖1：經(jīng)篩選的菌株培養(yǎng)后對(duì)柴油的去除率。

　　活性炭載菌的SEM觀察

　　通過(guò)高分辨率SEM圖像觀察降解菌、活性炭和活性炭載菌的形態(tài)如圖 2所示。與分離的柴油降解菌(圖2A)和活性炭懸浮液(圖2B)的圖像相比，可以清楚地看到幾乎所有的混合細(xì)菌細(xì)胞都附著在活性炭顆粒的表面，并且沒(méi)有游離細(xì)胞存在于溶液中(圖2C)。與傳統(tǒng)的活性炭材料相比，特制的活性炭具有更大的比表面積、更高的吸附能力和更大的疏水性 ，表明對(duì)細(xì)菌定殖的吸附能力更高。并且活性炭對(duì)帶負(fù)電的細(xì)菌具有更大的范德華力和靜電作用。此外，可以看出，活性炭表面產(chǎn)生的細(xì)胞外聚合物形成了一種類(lèi)似生物膜的結(jié)構(gòu)(圖2C)，可以促進(jìn)降解細(xì)菌的固定。因此，細(xì)菌細(xì)胞在活性炭上的附著有兩種可能的方法，包括活性炭吸附和生長(zhǎng)細(xì)菌分泌細(xì)胞外聚合物。降解菌可以緊密附著在活性炭表面，增強(qiáng)了活性炭載菌對(duì)溶液中柴油去除的吸附-生物降解效果。

　　圖2：掃描電子顯微鏡圖像：(A)降解細(xì)菌;(B)活性炭;(C)活性炭載菌。

　　活性炭載菌對(duì)柴油的吸附-生物降解

　　反應(yīng)15天后，自由懸浮降解菌、活性炭和載菌活性炭對(duì)污染水中柴油的去除率分別為23.82%、70.97%和86.35%如圖3所示。與相同添加量的單個(gè)降解菌或活性炭相比，活性炭載菌對(duì)柴油的去除效率有顯著提高，這表明活性炭載菌對(duì)柴油的去除具有吸附-生物降解作用。吸附-生物降解過(guò)程可以用兩個(gè)步驟來(lái)說(shuō)明。在第一階段，活性炭對(duì)柴油的吸附發(fā)揮了重要作用(作為捕集劑)，在此期間幾乎沒(méi)有發(fā)生生物降解。然而，具有大比表面積的活性炭為降解菌的早期生長(zhǎng)提供了很大的生存空間。一旦細(xì)菌成功粘附并定植在活性炭上，生物降解過(guò)程就可以在后續(xù)階段開(kāi)始，如FTIR光譜結(jié)果所示(圖6)。固定化降解菌可以利用柴油作為碳源，然后將吸附在活性炭載菌上的柴油進(jìn)行降解。隨著固定化細(xì)菌對(duì)柴油的不斷降解，吸附的柴油降解后活性炭載菌的吸附能力得以恢復(fù)，確保了活性炭載菌對(duì)柴油具有長(zhǎng)期高效的去除效率。此外，與固定化降解菌的其他載體材料相比, 活性炭載菌被證明在去除溶液中的柴油方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　圖3：降解菌、活性炭和活性炭載菌的柴油去除率比較。

　　活性炭載菌吸附降解柴油廢水，采用富集培養(yǎng)技術(shù)，成功分離并富集了原生柴油降解菌，并將降解菌細(xì)胞固定在活性炭表面制備了活性炭載菌材料。高通量測(cè)序結(jié)果表明，柴油降解菌在活性炭上固定后表現(xiàn)出更大的豐度和多樣性。SEM和FTIR光譜結(jié)果表明，穩(wěn)定在活性炭上的細(xì)菌在柴油降解中具有很強(qiáng)的氧化能力。與自由懸浮的降解菌細(xì)胞和活性炭相比，活性炭載菌對(duì)柴油的去除效率顯著提高(86.35%)。在使用活性炭載菌的整個(gè)吸附-生物降解過(guò)程中，活性炭充當(dāng)柴油的捕集器和降解細(xì)菌的生物載體，確保柴油的高去除效率。特別是，當(dāng)吸附的柴油化合物被固定化細(xì)菌生物降解時(shí)，活性炭的吸附能力可以恢復(fù)。活性炭固定化柴油降解細(xì)菌被證明對(duì)柴油具有吸附-生物降解作用，代表了一種從廢水中去除柴油的有前途的方法。

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