CN108018280B - 一种微生物缓释载体的构建方法 - Google Patents

一种微生物缓释载体的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微生物缓释载体的构建方法，属于生态工程和环境工程领域。本发明提供了一种适用于河道水体并能够缓慢释放的微生物包埋载体，所述载体含有活性炭10‑50g/L，壳聚糖5‑50g/L，海藻酸钠10‑50g/L，应用该载体固定化微生物，能够制备达到工业化生产的载体硬度与强度。且制备获得的生物微胶囊在30天内释放量达85％以上，菌存活率为6.5％，有效活菌种数经验证后达到为108cfu/g，可对污水中的氨氮达到80％的去除率并且对环境零污染。且本发明中载体材料易得，成本低廉，工艺简单，易于制备，经济效益巨大。

Description

一种微生物缓释载体的构建方法
技术领域
本发明涉及一种微生物缓释载体的构建方法，属于生态工程和环境工程领域。
背景技术
氨氮是造成水体营养化的主要环境因素，为了减少氨氮污染带来的危害，一般采用微生物的方法控制水质。传统的微生物法与其他物理化学处理方法相比虽然具有其独特的优越性，但是由于在传统的微生物处理工艺中，微生物通常是在水中以悬浮状态生长的，因而存在***内降解菌有效浓度低、反应启动慢、菌体易流失、与环境竞争力弱、抗有毒污染能力差和对废水水质水量适应性差等缺点。而且微生物受外界环境的影响较大，抗不良环境冲击能力差，一旦***受损难以恢复，因此处理效果不稳定；而固定化微生物技术不仅有利于优势菌种的固定，提高难降解有机物的降解效率，还能在微生物装置内维持高浓度的生物量，易于固液分离，具有一定的优越性。
目前用于制备固定化微生物的方法很多，主要有吸附法、共价结合法、胶联法、包埋法等。要完成微生物的固定化，关键是要选择一种合适的生物载体，这种载体应具有如下特点：1)具有稳定的网状空隙结构，在一定PH值和温度下，不容易被破坏；2)能够控制固定化微生物颗粒的大小和孔隙度；3)固定化方法简单、易行，固定化条件尽可能温和；4)载体所使用的材料价廉易得，固定化成本低；5)在生化反应器内长时间运转过程中，固定化***具有良好的机械稳定性和化学稳定性；6)载体对微生物来说是惰性的，不会损伤细胞；7)固定化***使底物、产物和其他代谢产物能够自由扩散；8)单位体积的固定化***拥有尽可能多的微生物，以便更好地起到生物催化作用。
目前虽然有许多有关于载体的科研成果，但这些成果在有着比较好的工业应用效果的同时，也存在着一定的问题，例如目前经过煅烧造粒的载体，成本过高，难以实现工业化应用，且同时由于是经过煅烧的载体，自身硬度比较大，不易溶解，难以达到稳定的微生物缓释效果。例如目前应用范围较广泛的PVA载体，本身有着很好的可塑性，且有着优良的微生物包埋效果与缓释效果，但是材料本身却容易污染环境。再例如目前同样应用较为广泛的由凹凸棒以及海藻酸钠等材料制备而成的载体，本身含水量过大，只能以液体保存的方式进行储存，储存运输成本过高，同样难以实现工业化。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种适用于河道水体，并能够缓慢释放的微生物包埋载体，所述载体含有活性炭10-50g/L，壳聚糖5-50g/L，海藻酸钠10-50g/L，三者的质量比例范围控制在8：3-4：8。
在本发明的一种实施方式中，所述载体还含有塑型剂，所述塑型剂为CaCl2，质量浓度为1-50g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述载体还含有交联剂，所述交联剂为戊二醛，质量浓度为1-50％。
在本发明的一种实施方式中，所述的微生物固定化载体还含有Fe、Cu、Zn中至少一种金属离子的微生物生长因子溶液。
本发明的第二个目的是提供一种生物微胶囊，所述微胶囊以所述微生物包埋载体为载体，含有氨氧化菌，该生物微胶囊在30天内释放量达85％以上，菌体浓度维持在20g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述微胶囊以所述微生物包埋载体为载体固定化氨氧化菌微生物，所述氨氧化菌以菌粉形式包埋，包埋后的生物微胶囊中菌体的质量百分比为80％。
在本发明的一种实施方式中，所述生物微胶囊以活性炭10-50g/L，壳聚糖5-50g/L，海藻酸钠10-50g/L为载体成分，三者的质量比例范围控制在8：3-4：8。
本发明的第三个目的是提供所述生物微胶囊的制备方法，包括如下步骤(1)配制质量浓度为1-50g/L的塑型剂CaCl2溶液；(2)按活性炭10-50g/L，壳聚糖5-50g/L，海藻酸钠10-50g/L的终浓度充分搅匀；(3)在所述的微生物固定化载体中直接加入干重50g的菌体，菌体数量为4×1011CFU/g，得到微生物凝胶液；(4)将步骤(3)得到的微生物凝胶液以(15-25)滴/分钟速度加入到步骤(1)得到的塑型剂中，形成微生物活性颗粒；(5)将步骤(4)得到的微生物活性颗粒用(3)中的5％戊二醛溶液按体积比1:50在室温下交联24h；(6)将步骤(5)得到的微生物活性颗粒用无菌水浸泡48h后处理、洗净残留药液后，增殖培养得到生物微胶囊。
在本发明的一种实施方式中，所述的步骤(2)中固定化载体的原料为海藻酸钠40g/L，壳聚糖15g/L，活性炭40g/L。
在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)得到的1L微生物固定化溶液中接入干重50g的正处于对数生长期的菌体，同时加入按体积计5％的微生物生长因子溶液充分搅拌均匀。
在本发明的一种实施方式中，所述微生物生长因子溶液含有：Fe、Cu、Zn中至少一种金属离子及牛肉膏、磷酸氢二钾。
在本发明的一种实施方式中，所述的步骤(4)中以15～25滴/分钟的速度将步骤(3)得到的微生物凝胶液加入到步骤(1)得到的塑型剂中，用220rpm转速的磁力搅拌器搅拌24h形成活性颗粒。
在本发明的一种实施方式中，步骤(5)中得到的活性颗粒在室温下静置后，再以无菌水浸泡48h，冲洗净残留药液后，增殖培养，即得到固定化微生物产品。
本发明的第四个目的是提供所述生物微胶囊在水体处理中的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述应用为：处理水体中的氨氮，使废水中的氨氮浓度得到一定程度的降低。
有益效果：本发明的创新点在于完全使用了对环境友好型材料，能够制备达到工业化生产的载体硬度与强度。且该生物微胶囊在30天内释放量达85％以上，菌存活率为6.5％，有效活菌种数经验证后达到为108cfu/g，可对污水中的氨氮达到80％的去除率并且对环境零污染。且本发明中载体材料易得，成本低廉，工艺简单，易于制备，经济效益巨大。
附图说明
图1为实施例9构建的载体图。
具体实施方式
微胶囊的制备方法：(1)配制1L质量浓度为1-50g/L的塑型剂CaCl2溶液；(2)按活性炭10-50g/L，壳聚糖5-50g/L，海藻酸钠10-50g/L的终浓度充分搅匀，获得微生物固定化载体溶液；(3)在步骤(2)制备的微生物固定化载体中直接加入干重50g的菌体，得到微生物凝胶液；(4)将步骤(3)得到的微生物凝胶液以(15-25)滴/分钟速度加入到步骤(1)得到的塑型剂中，形成微生物活性颗粒；(5)将步骤(4)得到的微生物活性颗粒用(3)中的5％戊二醛溶液按体积比1:50在室温下交联24h；(6)将步骤(5)得到的微生物活性颗粒用无菌水浸泡48h后处理、洗净残留药液后，增殖培养得到生物微胶囊。
机械强度的评价方法：将载体的张力负荷或压力负荷不断增加至试样断裂。将断裂时的负荷除以载体的横截面积就可得出抗张强度或抗压强度。
实施例中的微生物菌剂为氨氧化菌(菌体数量为4×1011CFU/g)，通过购买河北互生肥料科技有限公司的菌剂得到。
实施例1：
使用配方(均按终浓度计)：将50g/L的海藻酸钠，20g/L的活性炭，50g/L的微生物菌剂，在pH 6，40℃的条件下滴入终浓度为50g/L的氯化钙溶液中。所制备的载体能够初步具备载体的形貌，但是根据机械强度的评价方法得到自身机械强度6.67N/cm2，大规模制备商品化时不能够支撑自身的重量。
实施例2：
使用配方(均按终浓度计)：8g/L壳聚糖，5g/L氯化钙，10g/L活性炭，50g/L的微生物菌剂，在pH 3.5，室温的条件下滴入3％质量分数的NaOH(3g氢氧化钠加入100mL水中)和乙酸乙酯按20比1混合的溶液中。所制备的载体能够初步具备载体的形貌，但是根据机械强度的评价方法得到自身机械强度8.61N/cm2，容易垮塌。
实施例3：
使用配方(均按终浓度计)：8g/L壳聚糖，5g/L氯化钙，2g/L纤维素，50g/L的微生物菌剂，在pH 3.5，室温的条件下滴入3％质量分数的NaOH(3g氢氧化钠加入100mL水中)和乙酸乙酯按20比1混合的溶液中。所制备的载体能够初步具备载体的形貌，但是根据机械强度的评价方法得到自身机械10.41N/cm2，容易垮塌。
实施例4：
使用配方(均按终浓度计)：20g/L壳聚糖，5g/L氯化钙，6g/L可降解塑料，50g/L的微生物菌剂，在pH 3.5，室温的条件下滴入3％质量分数的NaOH(3g氢氧化钠加入100mL水中)和乙酸乙酯按20比1混合的溶液中。所制备的载体能够初步具备载体的形貌，但是根据机械强度的评价方法得到自身机械7.76N/cm2，容易垮塌。
实施例5：
使用配方(均按终浓度计)：壳聚糖20g/L，氯化钙5g/L，秸秆50g/L，50g/L的微生物菌剂，在pH 7，室温的条件下入3％质量分数的NaOH(3g氢氧化钠加入100mL水中)和乙酸乙酯按20比1混合的溶液中。所制备的载体能够初步具备载体的形貌，但是根据机械强度的评价方法得到自身机械强度9.90N/cm2，容易垮塌。
实施例6：
使用配方(均按终浓度计)：向pH 3.5醋酸溶液加入壳聚糖5g/L，活性炭10g/L，海藻酸钠20g/L，微生物菌剂50g/L，充分搅匀，使用NaOH溶液将调节溶液至pH 7，在室温的条件下滴入50g/L的氯化钙溶液中。所制备的载体经风干后，根据机械强度的评价方法得到机械强度36.32N/cm2较好，自溶性符合要求，弹性较好。经过载体性能测试，经该载体对微生物菌剂进行包埋后，菌存活率为6.5％，有效活菌种数经验证后达到为108cfu/g，经河道模拟冲击30天，载体剩余量21％。且该生物微胶囊在30天内释放量达65％以上。
实施例7：
对壳聚糖含量进行优化
使用配方(均按终浓度计)：向pH 3.5醋酸溶液加入壳聚糖浓度分别为5、10、15、20g/L，活性炭10g/L，海藻酸钠20g/L，微生物菌剂50g/L，充分搅匀，使用NaOH溶液将调节溶液至pH 7，在室温的条件下滴入50g/L的氯化钙溶液中。所制备的载体经风干后，发现15g/L的壳聚糖制成的载体效果最好，根据机械强度的评价方法得到机械强度40.61N/cm2最，自溶性符合要求，弹性较好。经过载体性能测试，经该载体对微生物菌剂进行包埋后，菌存活率为10.3％，有效活菌种数经验证后达到为108cfu/g，经河道模拟冲击30天，载体剩余量26.7％。且该生物微胶囊在30天内释放量达77％以上。
实施例8：
对活性炭含量进行优化
使用配方(均按终浓度计)：向pH 3.5醋酸溶液加入壳聚糖15g/L，活性炭浓度分别为10、20、30、40、50g/L，海藻酸钠20g/L，微生物菌剂50g/L，充分搅匀，使用NaOH溶液将调节溶液至pH 7，在室温的条件下滴入50g/L的氯化钙溶液中。所制备的载体经风干后，发现40g/L的活性炭制成的载体效果最好，根据机械强度的评价方法得到机械强度48.23N/cm2，自溶性符合要求，弹性较好。经过载体性能测试，经该载体对微生物菌剂进行包埋后，菌存活率为15.7％，有效活菌种数经验证后达到为108cfu/g，经河道模拟冲击30天，载体剩余量18.3％。且该生物微胶囊在30天内释放量达82％以上。
实施例9：
对海藻酸钠含量进行优化：
使用配方向(均按终浓度计)：pH 3.5醋酸溶液加入壳聚糖15g/L，活性炭40g/L，微生物菌剂50g/L，海藻酸钠添加量分别为20、30、40、50g/L，充分搅匀，使用NaOH溶液将调节溶液至pH 7，在室温的条件下滴入50g/L的氯化钙溶液中。所制备的载体经风干后，结果如图1所示，载体其机械强度较大，密度与水相等，可以在水体中实现悬浮发现40g/L的海藻酸钠制成的载体效果最好，根据机械强度的评价方法得到机械强度47.33N/cm2较好，自溶性符合要求，弹性较好。经过载体性能测试，经该载体对微生物菌剂进行包埋后，菌存活率为19.5％，有效活菌种数经验证后达到为108cfu/g，经河道模拟冲击30天，载体剩余量41％。且该生物微胶囊在30天内释放量达85％以上。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种生物微胶囊，其特征在于，由微生物包埋载体包埋微生物构成；
所述微生物包埋载体由活性炭10-50g/L，壳聚糖5-20g/L，海藻酸钠20-50g/L，塑型剂CaCl21-50g/L，质量浓度为1-50％的交联剂戊二醛；其中，活性炭、壳聚糖和海藻酸钠三者的质量比例范围控制在8：3-4：8；所述微生物为氨氧化菌；
所述氨氧化菌在微胶囊中所占的质量百分比为50～80％。
2.一种制备权利要求1所述生物微胶囊的方法，其特征碍于，包括如下步骤(1)配制塑型剂溶液；(2)将终浓度为10-50g/L活性炭、5-20g/L壳聚糖、20-50g/L海藻酸钠混合搅匀；(3)向步骤(2)的混合液中加入干重30～50g的氨氧化菌菌体，得到微生物凝胶液；(4)将步骤(3)得到的微生物凝胶液以滴加至步骤(1)得到的塑型剂中，形成微生物活性颗粒；(5)将步骤(4)得到的微生物活性颗粒与浓度5％的戊二醛溶液按体积比1:50在室温下交联20～26h；(6)将步骤(5)得到的微生物活性颗粒浸泡、洗净、增殖培养得到生物微胶囊。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中以15～25滴/分钟的速度将步骤(3)得到的微生物凝胶液加入到步骤(1)得到的塑型剂溶液中，用磁力搅拌器搅拌。
4.权利要求1～3任一所述的生物微胶囊在水体处理中的应用。
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