一種控制膜生物污染殺菌劑的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水處理和膜分離技術領域，如膜生物反應器、微濾、超濾、納濾和反滲透等分離工藝，應用領域涉及污水處理與資源化，飲用水凈化，生物技術等。
【背景技術】
[0002]膜分離技術應用廣泛，然而由于膜污染引起的膜通量和分離性能的下降是膜分離技術所面臨的最嚴重的問題。通常，膜污染可分為:有機污染、無機污染、膠體污染和生物污染。其中，由于生物膜形成而造成的生物污染被認為是最復雜、危害最大的一種膜污染。
[0003]生物膜是指微生物細胞及其分泌的胞外聚合物在介質表面附著后形成的微生物聚集體。一旦形成生物污染，不僅會對公眾健康產生危害，更會對水處理過程特別是膜處理過程造成負面影響。
[0004]目前針對膜生物污染的主要措施有:強氧化性的消毒劑或者紫外輻照進行預處理以及物理化學清洗。然而成熟的生物膜結構堅固，對清洗過程有很強的抵抗力，很難完全去除。此外，頻繁的物理、化學清洗不僅會增加運行成本更會對膜材料本身造成不可逆的破壞。基于以上問題，發展新型有效的殺菌劑來減輕生物污染的危害變得極為重要。
[0005]納米銀優越的抗菌性使其成為最廣泛應用的納米材料之一。目前很多研究表明，納米銀能夠有效地抑制生物膜的形成，促進成熟生物膜的脫落，因此有望發展成為一種有效的生物膜抑制劑或者膜清洗劑來減輕膜過濾系統中生物污染的危害。
[0006]納米銀的制備方法很多，物理法和化學法由于實驗條件簡單、易于調控等優點得到了廣泛地應用。同時這些方法也面臨著諸如納米粒子團聚、高能耗、反應條件苛刻、難于規模化生產及難于從納米銀溶膠中分離出固體的單分散納米銀粉末、最終產品納米銀粉的再分散性差等問題。一般認為納米銀的抗菌性與粒徑成反比，而普通化學法合成的納米銀在粒徑很小或者濃度很高時很容易團聚，大大減少了納米粒子的比表面積，這勢必會影響納米顆粒的性能及應用。
[0007]近年來，生物還原作為一種綠色制備納米銀的方法得到了越來越多的關注。細菌、真菌、藻類及植物提取物等都可以作為生物還原的“納米工廠”。研究者研究了幾種乳酸菌還原合成生物納米銀的能力。將培養成熟的新鮮菌體配制成一定濃度的菌懸液，堿化處理后與一定濃度的銀氨溶液反應，發現乳酸桿菌fermentum LMG 8900)實有最強的還原合成生物納米銀的能力，可以在細胞壁上合成約為11.2 nm、粒徑分布窄的小粒徑納米銀。作者主要研究了分布在細胞表面的納米銀，此生物納米銀在微生物細胞的保護下可以有效地減少團聚，但是較多的細胞成分使干燥后的生物納米銀粉在水溶液中很難均勻分散，同時對此生物納米銀抗菌機制研究表明，大量的生物質成分也許會阻礙納米粒子和受試細菌的直接接觸，從而在某種程度上降低了納米銀的抗菌性能。本申請中同樣使用乳酸桿菌fermenturn 滯(％0為原料,通過對已有報道的方法進行修飾和改進，可以得到含有豐富的、更小粒徑(約6 nm)納米銀的生物銀溶膠。此外，生物法制備的納米銀溶膠也面臨著后續濃縮純化的問題。例如已有報道(申請號200710008639.4)采用加熱蒸發初步濃縮納米銀溶膠，進一步加入大量有機溶劑(乙醇或丙酮)破壞銀溶膠表面水膜穩定性，使其脫水沉淀，用含水有機溶劑多次洗滌來初步去除雜質離子，再在30-60°C下真空干燥得到納米銀粉。然而加熱蒸發易使納米銀在容器中貼壁團聚結塊，會使產量大大降低；反復用有機溶劑洗滌納米粒子也會加大納米粒子團聚的幾率。同時大量有機溶劑的使用會對環境造成不良影響。
[0008]而本申請就是克服以上缺陷，提供一種清潔、無毒、環境友好的生物還原制備、超濾離心收集純化在水溶液中高度分散的小粒徑(均值6 nm)生物納米銀抗菌劑的方法。
【發明內容】
[0009]本發明的目的旨在提供一種新型納米銀殺菌劑的制備方法，作為一種預處理方法或者膜清洗劑應用于膜過濾系統中，提高整個系統的抗生物污染性能，延長膜組件的使用壽命。
[0010]本發明涉及的新型殺菌劑是利用一種微生物細胞成分為還原劑和保護劑來制備的生物納米銀粉末。所制得的納米銀粉粒徑很小(平均粒徑6納米)，在水溶液中有很好的再分散性和穩定性。通過小粒徑納米銀與細菌(大腸桿菌、銅綠假單胞菌)相互作用，有效地降低受試細菌的成活率，明顯減少細菌在膜材料表面的附著及成膜量；生物納米銀與成熟生物膜作用后也能有效地促進生物膜從膜材料表面的脫落。
[0011]本發明所述的水溶性納米銀粉的制備方法如下:
將擴大培養的乳酸桿菌fermen turn 滯(％0菌泥冷凍干燥,研磨制成干菌粉備用；
將微生物干菌粉配置成I?20 g/L菌懸液，加入NaOH調節pH，使菌懸液[0H]—1終濃度為0.2?0.4 mo I L_\再與銀氨溶液混合，銀氨溶液終濃度為I?20 g/L，在10?70 V搖床中振蕩培養12?48 h，得到含微生物體和納米銀膠體的混合液；將微生物體和納米銀膠體的混合液初步離心分離，棄去大塊微生物殘片，收集上清液得到穩定的深黃色至黑色的生物質銀溶膠；進一步用截流分子量在1000-10000的超濾離心管離心分離生物質銀溶膠中大部分水分及Na+ ,Ag+、0H_、N03_等離子，得到高度濃縮純化的生物質銀溶膠；將上述高濃度生物質銀溶膠在高真空下冷凍干燥，研磨得到生物納米銀粉。
[0012]本發明工藝簡單，綠色環保，不需要添加除銀氨溶液、氫氧化鈉以外的化學試劑，超濾離心法可以有效地去除體系中的雜離子及水份，清洗和濃縮一步實現。所制得的生物納米銀粉末中銀的含量在50% (ff%)以上，粒徑分布均勻，在水溶液中有高度的再分散性和穩定性。該生物納米銀粉具有良好的抑菌、抑制生物膜及促進成熟生物膜脫落的作用，針對膜生物污染難題，在膜分離技術領域具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明制備的生物納米銀粉在水中分散的TEM圖。圖中標尺為20nm。
[0014]圖2-1為未經生物納米銀處理的大腸桿菌飽滿完整的桿狀形貌圖；圖2-2為生物納米銀處理后TEM觀察到的大腸桿菌圖，細胞出現不同程度地質壁分離、扭曲變形。
【具體實施方式】
[0015]實施例1: 乳酸桿菌菌懸液的配制:稱取2.0 g研細的干菌粉加入60 mL去離子水，攪拌振蕩混合均勻備用；銀氨溶液的配制:稱取15.74 g硝酸銀，加入適量去離子水溶解，滴加5%的氨水直到產生的棕褐色沉淀剛好消失，用去離子水定容至100 mL;配制2 mol L—1的氫氧化鈉溶液。
[0016]在250 mL的錐形瓶中將菌懸液60 mL、NaOH溶液20 mL、銀氨溶液20 mL混合均勻，最終反應體系中菌粉濃度為20 g/L,Ag+濃度為20 g/L，[0ΗΓ1濃度為0.4 mol L'將混合液置于30°C搖床中(180rpm)振蕩培養24h，得到含有微生物殘體和納米銀溶膠的混合液；將混合液初步離心分離(7000 rpm)，棄去菌體殘片，收集上清液得到生物質銀溶膠。
[0017]將生物質銀溶膠用超濾離心管(截流分子量在5000)在7000 rpm離心，在離心力作用下，水分及雜質離子(Na+ ,Ag+、0H_、N03_)透過超濾膜，生物銀則被截留，同步實現生物質銀溶膠的濃縮與純化。銀溶膠濃縮至約20 mL左右，用高真空冷凍干燥機進行干燥，研磨得到含生物質的水溶性納米銀粉。
[0018]銀粉中銀的質量分數約為60%。在透射電鏡下觀察水中再次分散的納米銀粉(如圖1)，大部分銀顆粒呈球形，分散性良好。借助Gatan Pleasanton軟件對納米銀圖片進行測量，獲得圖片中每個顆粒的粒徑，用SPSS 18.0軟件進行粒徑分布統計，結果表明生物銀的平均粒徑約為6.0nm。用一定濃度的生物納米銀對大腸桿菌進行混合接觸后，投射電鏡(TEM)觀察可見空白對照樣(圖2-1)中，大腸桿菌細胞飽滿完整，呈現典型的桿狀結構，而經處理后的細胞(圖2-2)出現不同程度的質壁分離、扭曲變形，部分細胞內物質流失嚴重。
[0019]雖然本發明通過優選實例來對本發明進行公開，但是在不偏離所附的權利要求書中限定的本發明的領域和范圍的情況下，所描述的實施例的許多修改、變化和改變是可行的。因此，意圖的是本發明不限于所描述的實施例，而是本發明具有所附的權利要求書的語言及其等效物所限定的全部范圍。
【主權項】
1.一種能夠有效控制膜生物污染的殺菌劑的微生物還原制備方法，其特征在于包括以下步驟: O將擴大培養的乳酸桿菌(Lac1AaciBw1S fermen turn LMG滯<%0冷凍干燥研磨成干菌粉備用； 2)將乳酸菌菌粉配制成菌懸液，加入NaOH調節pH，再與銀氨溶液混合，在10?70V下振蕩反應，得到含有微生物菌體和納米銀溶膠的混合液； 3)將含有乳酸菌和納米銀溶膠的混合液在500-7000rpm離心分離，除去微生物殘片，收集上清液得到生物質銀溶膠； 4)用截流分子量在1000-10000的超濾離心管在500-7000rpm對生物質銀溶膠進行離心，在離心力作用下，水分及雜質離子透過超濾膜滲出，實現濃縮和去除雜質離子，濃縮液經真空冷凍干燥后，經研磨得到含生物質的水溶性生物納米銀粉。
2.如權利要求1所述的控制生物污染殺菌劑的制備方法，其特征在于步驟2中菌懸液終濃度為I?20 g/L。
3.如權利要求1所述的控制生物污染殺菌劑的制備方法，其特征在于步驟2中銀氨溶液的終濃度(以Ag+濃度表示)為I?20 g/L。
4.如權利要求1所述的控制生物污染殺菌劑的制備方法，其特征在于步驟2中[0ΗΓ1終濃度為0.2?0.4 mo I L'
5.如權利要求1所述的控制生物污染殺菌劑的制備方法，其特征在于步驟2振蕩反應時間為12?48h。
【專利摘要】本發明涉及一種控制膜生物污染殺菌劑的制備方法。通過乳酸桿菌在常溫下將Ag+還原為Ag0納米顆粒，進而實現優異的膜生物污染抑制劑及膜清洗劑的制備。將乳酸桿菌菌粉制成菌懸液，調節堿度后再與銀氨溶液混合，在10～70℃下反應12～48h，得到含微生物體和納米銀膠體的混合液，經初步離心去除大片生物殘體，用超濾離心管進一步對生物銀溶膠進行濃縮、去除Na+、Ag+、OH-、NO3-等雜質離子，最后經真空冷凍干燥得到在水溶液中分散良好的生物納米銀。此納米銀有良好的抗菌、抑制生物膜及促進成熟生物膜脫落的效果。
【IPC分類】A01N59-16, A01P1-00, A01N63-02, B01D65-02, B01D65-06
【公開號】CN104624054
【申請號】CN201310547155
【發明人】張凱松, 張曼瑩
【申請人】中國科學院城市環境研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月8日