活性炭國家專精特新“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、運輸和使用過程中的泄漏，會對土壤和水造成嚴重污染。柴油本質(zhì)上是劇毒的，因為它包含幾種致突變和致癌的化合物。在水中，柴油的存在對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)達的微孔結(jié)構(gòu)、大的比表面積和許多官能團，已被廣泛應(yīng)用作為膜生物反應(yīng)器過程中微生物細胞的載體。本研究使用微米級活性炭 固定化柴油降解菌來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擴增和測序步驟的結(jié)果，10個優(yōu)勢降解菌株包括6種短鏈單胞菌、2種葡萄球菌和不動桿菌。建議篩選出的細菌具有以柴油為碳源在溶液中生長和增殖的功能。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速度和最大的種群，有助于增強細菌的適應(yīng)性，提高柴油的降解效率。因此，在以下實驗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)后對柴油的去除率。

　　活性炭載菌的SEM觀察

　　通過高分辨率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菌細胞都附著在活性炭顆粒的表面，并且沒有游離細胞存在于溶液中(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 ，表明對細菌定殖的吸附能力更高。并且活性炭對帶負電的細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)生的細胞外聚合物形成了一種類似生物膜的結(jié)構(gòu)(圖2C)，可以促進降解細菌的固定。因此，細菌細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細菌分泌細胞外聚合物。降解菌可以緊密附著在活性炭表面，增強了活性炭載菌對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)降解細菌;(B)活性炭;(C)活性炭載菌。

　　活性炭載菌對柴油的吸附-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降解菌或活性炭相比，活性炭載菌對柴油的去除效率有顯著提高，這表明活性炭載菌對柴油的去除具有吸附-生物降解作用。吸附-生物降解過程可以用兩個步驟來說明。在第一階段，活性炭對柴油的吸附發(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提供了很大的生存空間。一旦細菌成功粘附并定植在活性炭上，生物降解過程就可以在后續(xù)階段開始，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行降解。隨著固定化細菌對柴油的不斷降解，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柴油具有長期高效的去除效率。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。

　　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，并將降解菌細胞固定在活性炭表面制備了活性炭載菌材料。高通量測序結(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)定在活性炭上的細菌在柴油降解中具有很強的氧化能力。與自由懸浮的降解菌細胞和活性炭相比，活性炭載菌對柴油的去除效率顯著提高(86.35%)。在使用活性炭載菌的整個吸附-生物降解過程中，活性炭充當柴油的捕集器和降解細菌的生物載體，確保柴油的高去除效率。特別是，當吸附的柴油化合物被固定化細菌生物降解時，活性炭的吸附能力可以恢復(fù)。活性炭固定化柴油降解細菌被證明對柴油具有吸附-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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