CN102745684A - 一种硝化细菌生物氧化石墨及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硝化细菌生物氧化石墨及其制备方法。将石墨分散在水中，形成分散较好的石墨混合液后加入到硝化细菌培养基中，灭菌、冷却、接种培养好的硝化细菌种子液，培养数天，分散的石墨在微生物硝化细菌的作用下引入含氧基团而被氧化；培养完毕，去除氧化过程中产生的菌体、代谢产物及其它离子，真空干燥得到纯净生物氧化石墨。本发明以具有氧化低价态无机氮元素的微生物硝化细菌为菌种，对石墨进行生物氧化，相对传统化学氧化石墨的方法，具有反应条件温和可控，反应过程绿色无污染，制备得到的硝化细菌生物氧化石墨缺陷较少等优点。
Description
技术领域
本发明属于氧化石墨的绿色生物法可控制备技术，特别是一种硝化细菌生物氧化石墨及其制备方法。
背景技术
目前，由于化学氧化法制备氧化石墨烯采用的是强酸和强氧化剂，存在环境污染严重、引入含氧基团的过程中易导致碳骨架原子层面晶格扭曲和畸变、产生缺陷等缺点（Florian B., Jani K. and Arkady V. K. Structural Defects in Graphene. ACS NANO, 2011, 5(1): 26-41），π-π共轭键被大量破坏，碳骨架在原子层面上产生了明显的晶格扭曲和畸变，丧失了许多优异性能。
硝化作用是氮（N）素生物地球化学循环中非常重要的一个环节，也是废水生物脱氮的第一个步骤。一般由两类微生物共同完成：氨氧化细菌和硝化细菌。在氨氧化细菌（AOB）中，特有一种胞内酶——氨单加氧酶（Ammonia monooxygenase，AMO）可催化NH3氧化成羟胺，为该类微生物提供能量。由于自然界中存在的各种单加氧酶的作用底物非常广泛，除NH3外已发现包括烷烃、芳烃及它们的初级衍生物在内的40多种化合物可以作为AMO的底物而抑制NH3的氧化（KEENER W K, ARP D J. Kinetic studies of ammonia monooxygenase inhibition in Nitrosomonas europaea by hydrocarbons and halogenated hydrocarbons in an optimized whole-cell assay. Appl. Environ. Microbiol., 1993, 59:2501-2510.）。即：部分硝化细菌在氧化N素（NH3）化合物的同时，可以对多种C素化合物进行氧化。
与化学反应对照，生物反应大多在水相而非有机相中反应，且具有反应条件温和、微生物产生的酶具有催化高效性和专一性、代谢过程可调控、对环境污染小、易于放大生产等优势。采用生物氧化法制备氧化石墨，氧化条件及过程温和可控、氧化程度相对于化学法较低、氧化产生的结构缺陷较少，可成功克服化学氧化法制备氧化石墨烯的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绿色低缺陷的硝化细菌生物氧化石墨及其制备方法。
一种硝化细菌生物氧化石墨，相对于化学氧化法制备得到的氧化石墨，具有含氧基团比例较低、缺陷较少、石墨的优异特性得以最大程度保持等结构特点和优点，有利于其开发研究，拓展应用范围；而化学氧化法制备的氧化石墨中，氧化程度过高，含有大量的含氧基团，结构缺陷较多，降低了其原本具有的优异性能，限制了其应用范围。
实现本发明的技术解决方案为：一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将石墨分散到水中，超声分散，形成均匀的石墨分散液；
第二步，将第一步所得石墨分散液加入到硝化细菌培养基中，灭菌，冷却，接种，于恒温振荡培养箱中培养数天，进行生物氧化；
第三步，将第二步所得硝化细菌生物氧化石墨静置、离心，采用稀盐酸、乙醇、水多次反复清洗、离心沉淀，溶解去除氧化过程中生成的菌体、代谢产物及其它离子，获得初次生物氧化石墨；
第四步，将第三步得到的硝化细菌生物氧化石墨沉淀于水中超声，静置或离心，分别对上清液及沉淀进行真空干燥，制备得到不同氧化程度的纯净硝化细菌生物氧化石墨。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，第一步中石墨质量浓度为0.1%-8%，超声时间为10-360 min。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，第二步中石墨浓度为0.02-0.8mg/mL。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，第二步中硝化细菌培养基成分包括 (NH4)SO4 0.24g/L，琥珀酸钠 2.81g/L，维氏盐溶液50mL/L，pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌15-30min，灭菌温度为118-123℃；接种量为2%-20%、培养温度25-35℃、转速为50-220r/min、培养时间为1天-10天。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，第二步中培养基维氏盐溶液成分和含量为：K2HPO4·3H2O 6.5g/L，MgSO4·7H2O 2.5g/L，NaCl 2.5g/L，FeSO4·7H2O 0.05g/L，MnSO4·H2O 0.04g/L。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，第三步中离心转速为5000-13000r/min，离心时间为15-60min；稀盐酸浓度为0.1-6mol/L，乙醇质量浓度为5%-100%。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，第四步超声处理时间为20-120min，离心转速为500-10000r/min，离心时间为5-30min；真空干燥采用普通真空干燥或真空冷冻干燥，普通真空干燥温度为室温-100℃；或真空冷冻干燥温度为-20-（-80）℃，真空度≦150Pa，干燥时间0.5-24h。
本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，所得到的氧化石墨可进行多次生物氧化，以提高其生物氧化程度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）利用硝化细菌的生物氧化作用对石墨进行生物氧化，通过生物氧化酶及电子载体的作用进行电子传输，实现石墨的生物氧化，避免化学法中使用强酸及强氧化剂而导致的氧化石墨烯及石墨烯的缺陷；（2）硝化细菌生物氧化法制备氧化石墨相对化学法可降低其氧化程度，保持石墨原有优异特性；（3）本发明一种硝化细菌生物氧化石墨及其制备方法反应条件温和，制备过程绿色无污染，并具有较好的工业应用前景和价值。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
附图1是本发明一种硝化细菌生物氧化石墨制备方法的流程示意图。
附图2是本发明实施例1一种硝化细菌生物氧化石墨和化学氧化石墨的拉曼光谱对比图。
附图3是本发明实施例1一种硝化细菌生物氧化石墨的透射电子显微镜图片。
具体实施方式
结合附图1，本发明一种硝化细菌生物氧化石墨，由以下制备方法得到：
第一步，将石墨分散到水中，超声分散，形成均匀的石墨分散液；
第二步，将第一步所得石墨分散液加入到硝化细菌培养基中，灭菌，冷却，接种，于恒温振荡培养箱中培养数天，进行生物氧化；
第三步，将第二步所得硝化细菌生物氧化石墨静置、离心，采用稀盐酸、乙醇、水多次反复清洗、离心沉淀，溶解去除氧化过程中生成的菌体、代谢产物及其它离子，获得初次生物氧化石墨；
第四步，将第三步得到的硝化细菌生物氧化石墨沉淀于水中超声，静置或离心，分别对上清液及沉淀进行真空干燥，制备得到不同氧化程度的纯净硝化细菌生物氧化石墨。
实施例1：本发明一种生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤： 第一步，石墨预处理。在250mL三角瓶中加入1.0g石墨，向三角瓶中加入去离子水至100g，在250W超声波清洗机中，于室温下超声处理2h，得到分散性能较好的石墨分散液；
第二步，配制硝化细菌液体培养基1.0L，向培养基中加入15g第一步分散好的1%石墨分散液，分装至4个1.0L三角瓶中，每瓶装液量为250mL，所含石墨浓度为0.15mg/mL。其中，1.0L的硝化细菌液体培养基中包括(NH4)SO4 0.24g，琥珀酸钠 2.81g，维氏盐溶液50mL（维氏盐溶液成分、含量为：K2HPO4·3H2O 6.5g/L，MgSO4·7H2O 2.5g/L，NaCl 2.5g/L，FeSO4·7H2O 0.05g/L，MnSO4·H2O 0.04g/L。），pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌，灭菌温度121℃，蒸汽压力0.1MPa，灭菌时间30min；灭菌完毕后，冷却至室温，以10%接种量接种新鲜的硝化细菌种子液；放置于30℃恒温培养振荡箱中，160r/min振荡培养5天，进行生物氧化；
第三步，将第二步硝化细菌生物氧化完毕的发酵培养液静置，12000r/min转速离心30min；向获得的混合物沉淀中加入3mol/L稀盐酸100mL，搅拌均匀，以12000r/min转速离心30min，倾去上清液，沉淀用100mL 质量浓度为20%的乙醇溶液清洗，12000r/min转速离心30min后，用去离子水清洗沉淀，离心；向生物氧化石墨沉淀中加入0.5mol/L稀盐酸40mL，再次酸洗、离心、水洗；用去离子水清洗、离心至pH为中性为止；
第四步，将第三步获得的纯净硝化细菌生物氧化石墨分散于50mL去离子水中，用250W超声波清洗机超声处理3h，静置过夜，分别对上清液和沉淀进行离心分离，离心转速为8000r/min，离心时间为30min；分别放置于普通真空干燥箱中，80℃，真空度≦80Pa，干燥24h，制备得到纯净硝化细菌生物氧化石墨。
对得到的硝化细菌生物氧化石墨进行拉曼光谱测试，并与化学法比较，如附图2所示。硝化细菌生物氧化石墨和化学氧化石墨在1350cm-1和1580cm-1左右分别出现了D峰和G峰两个特征峰，硝化细菌生物氧化法获得的D/G明显小于化学氧化法，表明硝化细菌生物氧化程度相对化学法较低；同时，D峰也为缺陷峰，反映石墨层片的无序性，硝化细菌生物氧化法获得的D峰较弱，其存在的缺陷较少。硝化细菌生物氧化石墨在2700 cm-1左右存在较强的2D峰，表明其石墨化程度相对较高，保持了石墨原有优异特性，而化学氧化法的2D峰则相对较弱。
对得到的硝化细菌生物氧化石墨进行透射电子显微镜（TEM）观察，如附图3所示。可以明显看出生物氧化石墨片层结构变薄，特别是在边缘部分则更加明显，具有较少层数的分层结构。
实施例2：本发明一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：
第一步，石墨预处理。在250mL三角瓶中加入2.0g石墨，向三角瓶中加去离子水至100g，放入250W超声波清洗机中，于室温下超声处理4h，得到分散性能较好的石墨混分散液；
第二步，配制硝化细菌液体培养基1.0L，向培养基中加入10g第一步分散好的石墨混合液，分装至4个1.0L三角瓶中，每瓶装液量为250mL，所含石墨浓度为0.2mg/mL。其中，1.0L的硝化细菌液体培养基中包括(NH4)SO4 0.24g，琥珀酸钠 2.81g，维氏盐溶液50mL（含量同实施例1第二步），pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌，灭菌温度121℃，蒸汽压力0.1MPa，灭菌时间25min；灭菌完毕后，冷却至室温，以12%接种量接种新鲜的硝化细菌种子液；放置于29℃恒温培养振荡箱中，140r/min振荡培养6天，进行生物氧化；
第三步，将第二步硝化细菌生物氧化完毕的发酵培养液静置，10000r/min转速离心30min；向获得的混合物沉淀中加入1mol/L稀盐酸120mL，搅拌均匀，反应0.5h，以10000r/min转速离心30min，倾去上清液，去离子水清洗沉淀，质量浓度为10%乙醇清洗沉淀，12000 r/min转速离心30min；向硝化细菌生物氧化石墨沉淀中加入0.3mol/L稀盐酸50mL，再次酸洗、离心、水洗；用去离子水清洗、离心至pH为中性为止；
第四步，将第三步获得的纯净生物氧化石墨分散于100mL去离子水中，用250W超声波清洗机超声处理2h，静置过夜，分别对上清液和沉淀进行离心分离，离心转速为9000r/min，离心时间为30min；分别放置于真空冷冻干燥仪中，-45℃，真空度≦50Pa，干燥24h，制备得到纯净生物氧化石墨。
实施例3：本发明一种生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：
第一步，石墨预处理。在250mL三角瓶中加入0.5g石墨，向三角瓶中加去离子水至100g，放入250W超声波清洗机中，于室温下超声处理1h，得到分散性能较好的石墨分散液；
第二步，配制硝化细菌液体培养基1.0L，向培养基中加入10g第一步分散好的石墨混合液，分装至4个1.0L三角瓶中，每瓶装液量为250mL，所含石墨浓度为0.05mg/mL。其中，1.0L的9K液体培养基中包括(NH4)SO4 0.24g，琥珀酸钠 2.81g，维氏盐溶液50mL（同实施例1第二步），pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌，灭菌温度121℃，蒸汽压力0.1MPa，灭菌时间20min；灭菌完毕后，冷却至室温，以8%接种量接种新鲜的硝化细菌种子液；放置于31℃恒温培养振荡箱中，140r/min振荡培养5天，进行生物氧化；
第三步，将第二步生物氧化完毕的发酵培养液静置，12000r/min转速离心30min；向获得的混合物沉淀中加入2mol/L稀盐酸100mL，搅拌均匀，反应1h，12000r/min转速离心25min，沉淀用质量浓度50%乙醇溶液清洗，以12000r/min转速离心30min，倾去上清液，去离子水清洗沉淀，离心；向硝化细菌生物氧化石墨沉淀中加入0.2mol/L稀盐酸40mL，再次酸洗、离心、水洗；用去离子水清洗、离心至pH为中性为止；将获得的初次氧化石墨沉淀再次加入到硝化细菌培养基中，重复第二步实验步骤，进行再次氧化；
第四步，将第三步获得的纯净硝化细菌生物氧化石墨分散于100mL去离子水中，用250W超声波清洗机超声处理1h，3000r/min离心10min，分别对得到的上清液和沉淀进行离心分离，离心转速为10000r/min，离心时间为25min；分别放置于真空冷冻干燥仪中，-45℃，真空度≦50Pa，干燥24h，制备得到纯净硝化细菌生物氧化石墨。
实施例4：本发明一种生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：
第一步，石墨预处理。在250mL三角瓶中加入8.0g石墨，向三角瓶中加去离子水至100g，放入250W超声波清洗机中，于室温下超声处理1h，得到分散性能较好的石墨分散液；
第二步，配制硝化细菌液体培养基1.0L，向培养基中加入10g第一步分散好的石墨混合液，分装至4个1.0L三角瓶中，每瓶装液量为250mL，所含石墨浓度为0.8mg/mL。其中，1.0L的9K液体培养基中包括(NH4)SO4 0.24g，琥珀酸钠 2.81g，维氏盐溶液50mL（同实施例1第二步），pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌，灭菌温度123℃，灭菌时间15min；灭菌完毕后，冷却至室温，以20%接种量接种新鲜的硝化细菌种子液；放置于35℃恒温培养振荡箱中，150r/min振荡培养5天，进行生物氧化；
第三步，将第二步生物氧化完毕的发酵培养液静置，13000r/min转速离心15min；向获得的混合物沉淀中加入6mol/L稀盐酸100mL，搅拌均匀，反应1h，5000r/min转速离心60min，沉淀用质量浓度20%乙醇溶液清洗，以5000r/min转速离心60min，倾去上清液，去离子水清洗沉淀，离心；向硝化细菌生物氧化石墨沉淀中加入0.1mol/L稀盐酸50mL，再次酸洗、离心、水洗；用去离子水清洗、离心至pH为中性为止；将获得的初次氧化石墨沉淀再次加入到硝化细菌培养基中，重复第二步实验步骤，进行再次氧化；
第四步，将第三步获得的纯净硝化细菌生物氧化石墨分散于100mL去离子水中，用250W超声波清洗机超声处理1h，8000r/min离心5min，分别对得到的上清液和沉淀进行离心分离，离心转速为5000r/min，离心时间为30min；分别放置于真空冷冻干燥仪中，-50℃，真空度≦50Pa，干燥12h，制备得到纯净硝化细菌生物氧化石墨。
实施例5：本发明一种生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：
第一步，石墨预处理。在250mL三角瓶中加入0.1g石墨，向三角瓶中加去离子水至100g，放入250W超声波清洗机中，于室温下超声处理1h，得到分散性能较好的石墨分散液；
第二步，配制硝化细菌液体培养基1.0L，向培养基中加入2g第一步分散好的石墨混合液，分装至4个1.0L三角瓶中，每瓶装液量为250mL，所含石墨浓度为0.02mg/mL。其余同实施例3第二步；
第三步，同实施例3第三步；
第四步，同实施例3第四步。
实施例6：本发明一种生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：
第一步，同实施例5第一步；
第二步，同实施例5第二步；
第三步，将第二步生物氧化完毕的发酵培养液静置，5000r/min转速离心60min；向获得的混合物沉淀中加入0.5mol/L稀盐酸100mL，搅拌均匀，反应1h，5000r/min转速离心60min，沉淀用5%乙醇溶液清洗，以12000r/min转速离心15min，倾去上清液，去离子水清洗沉淀，离心；向硝化细菌生物氧化石墨沉淀中加入0.1mol/L稀盐酸50mL，再次酸洗、离心、水洗；用去离子水清洗、离心至pH为中性为止；将获得的初次氧化石墨沉淀再次加入到硝化细菌培养基中，重复第二步实验步骤，进行再次氧化；
第四步，同实施例5第四步。
Claims (10)
1.一种硝化细菌生物氧化石墨，其特征在于所述氧化石墨由以下步骤制备：
第一步，将石墨分散到水中，超声分散，形成均匀的石墨分散液；
第二步，将第一步所得石墨分散液加入到硝化细菌培养基中，灭菌，冷却，接种，于恒温振荡培养箱中培养数天，进行生物氧化；
第三步，将第二步所得硝化细菌生物氧化石墨静置、离心，采用稀盐酸、乙醇、水多次反复清洗、离心沉淀，溶解去除氧化过程中生成的菌体、代谢产物及其它离子，获得初次生物氧化石墨；
第四步，将第三步得到的硝化细菌生物氧化石墨沉淀于水中超声，静置或离心，分别对上清液及沉淀进行真空干燥，制备得到不同氧化程度的纯净硝化细菌生物氧化石墨。
2.根据权利要求1所述的硝化细菌生物氧化石墨，其特征在于第一步中所述的石墨质量浓度为0.1%-8%，超声时间为10-360 min。
3.根据权利要求1所述的硝化细菌生物氧化石墨，其特征在于第二步中所述的石墨浓度为0.02-0.8mg/mL；硝化细菌培养基成分包括 (NH4)SO4 0.24g/L，琥珀酸钠 2.81g/L，维氏盐溶液50mL/L，pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌15-30min，灭菌温度为118-123℃；接种量为2%-20%、培养温度25-35℃、转速为50-220r/min、培养时间为1天-10天。
4.根据权利要求3所述的硝化细菌生物氧化石墨，其特征在于所述的维氏盐溶液成分和含量为：K2HPO4·3H2O 6.5g/L，MgSO4·7H2O 2.5g/L，NaCl 2.5g/L，FeSO4·7H2O 0.05g/L，MnSO4·H2O 0.04g/L。
5.根据权利要求1所述的硝化细菌生物氧化石墨，其特征在于第三步中所述的离心转速为5000-13000r/min，离心时间为15-60min；稀盐酸浓度为0.1-6mol/L，乙醇质量浓度为5%-100%。
6.根据权利要求1所述的硝化细菌生物氧化石墨，其特征在于第四步中所述的超声处理时间为20-120min，离心转速为500-8000r/min，离心时间为5-30min；真空干燥采用普通真空干燥或真空冷冻干燥，普通真空干燥温度为室温-100℃；真空冷冻干燥温度为-20-（-80）℃，真空度≦150Pa，干燥时间0.5-24h。
7.一种硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
第一步，将石墨分散到水中，超声分散，形成均匀的石墨分散液；
第二步，将第一步所得石墨分散液加入到硝化细菌培养基中，灭菌，冷却，接种，于恒温振荡培养箱中培养数天，进行生物氧化；
第三步，将第二步所得硝化细菌生物氧化石墨静置、离心，采用稀盐酸、乙醇、水多次反复清洗、离心沉淀，溶解去除氧化过程中生成的菌体、代谢产物及其它离子，获得初次生物氧化石墨；
第四步，将第三步得到的硝化细菌生物氧化石墨沉淀于水中超声，静置或离心，分别对上清液及沉淀进行真空干燥，制备得到不同氧化程度的纯净硝化细菌生物氧化石墨。
8.根据权利要求7所述的硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，其特征在于第一步中所述的石墨质量浓度为0.1%-8%，超声时间为10-360 min；第二步中所述的石墨浓度为0.02-0.8mg/mL；硝化细菌培养基成分包括 (NH4)SO4 0.24g/L，琥珀酸钠 2.81g/L，维氏盐溶液50mL/L，pH7.0，高压蒸汽湿热灭菌15-30min，灭菌温度为118-123℃；接种量为2%-20%、培养温度25-35℃、转速为50-220r/min、培养时间为1天-10天。
9.根据权利要求8所述的硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，其特征在于所述的维氏盐溶液成分和含量为：K2HPO4·3H2O 6.5g/L，MgSO4·7H2O 2.5g/L，NaCl 2.5g/L，FeSO4·7H2O 0.05g/L，MnSO4·H2O 0.04g/L。
10.根据权利要求7所述的硝化细菌生物氧化石墨的制备方法，其特征在于第三步中所述的离心转速为5000-13000r/min，离心时间为15-60min；稀盐酸浓度为0.1-6mol/L，乙醇质量浓度为5%-100%；第四步中所述的超声处理时间为20-120min，离心转速为500-10000r/min，离心时间为5-30min；真空干燥采用普通真空干燥或真空冷冻干燥，普通真空干燥温度为室温-100℃；真空冷冻干燥温度为-20-（-80）℃，真空度≦150Pa，干燥时间0.5-24h。
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