微生物与纳米材料组装复合体降解有机污染物的研究

难降解有机污染物引起的环境污染越来越成为影响人类生存与健康的重大问题。研究新的有效控制难降解有机污染物的方法及所涉及机理已成为国内外十分关注的重要课题之一。本项目拟以可有效降解环境有机污染物的菌株Sphingomonas sp. XLDN2-5为研究对象，以Fe3O4纳米颗粒、Fe2O3纳米颗粒、碳纳米管等纳米材料为固定化载体，利用纳米材料和纳米结构本征的敏感特性，通过交联、共价或吸附等结合方式实现纳米材料与微生物的复合。目标是制备新结构、新性能和高稳定性的微生物/纳米材料复合体的新型固定化细胞；考察微生物/纳米材料复合体的降解活性、稳定性；探讨纳米材料与细胞间相互作用；考察反应器中微生物/纳米材料复合体对有机污染物的降解行为及其再生方法。该申请项目的研究为纳米材料固定化细胞应用于难降解有机污染物的生物修复奠定一定的理论基础。

本项目旨在将传统固定化技术与纳米技术相结合研究新的有效降解有机污染物的方法及所涉及机理。首先制备表征了Au、Al2O3和Fe3O4等纳米颗粒。以咔唑高效降解菌Sphingomonas sp. XLDN2-5为研究对象，以Fe3O4、Fe2O3、Al2O3等纳米颗粒及多壁碳纳米管为载体，成功构建了微生物细胞/纳米颗粒复合体。.与游离细胞相比，微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体具有良好的咔唑降解活性。而微生物细胞/Fe2O3纳米颗粒复合体、微生物细胞/Al2O3纳米颗粒复合体、微生物细胞/碳纳米管复合体的咔唑降解活性均有不同程度的降低。另外，Fe3O4纳米颗粒具有超顺磁性，可以利用外加磁场对微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体进行回收利用。.微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体咔唑降解性能的详细研究表明，该复合体具有比游离细胞更宽广的温度和pH范围；当加入LogP小于4的有机溶剂可使游离细胞和复合体均失去咔唑降解能力，LogP 6.6的十二烷可提高该复合体的咔唑降解性能。另外，复合体的咔唑降解性能随着重复利用次数的增加显著提高。在4℃保存100天后，复合体仍具有较高的咔唑降解性能。.纳米材料与Sphingomonas sp. XLDN2-5细胞之间的相互作用机制研究表明，四种纳米材料对微生物细胞的抑菌效应均表现出浓度依赖性。Zeta电位结果表明四种纳米材料与Sphingomonas sp. XLDN2-5细胞表面均带负电荷，静电斥力的存在可减弱低浓度下纳米材料对微生物细胞的毒性作用。对Fe3O4纳米颗粒与微生物细胞之间的相互作用机制进行了详细研究。透射电子显微镜结果表明，Fe3O4纳米颗粒不仅在细胞表面吸附还能穿透细胞膜渗入到细胞内。且Fe3O4纳米颗粒作用后，细胞中谷胱甘肽的含量随Fe3O4纳米颗粒浓度升高而降低，表明细胞内的氧化还原环境遭到破坏。激光共聚焦显微镜观察发现Fe3O4纳米颗粒作用后的Sphingomonas sp. XLDN2-5细胞中出现一定的DNA损伤。.以微生物细胞/Fe3O4纳米颗粒复合体为研究对象，建立了柱状反应器模型和微生物燃料电池反应器模型。在柱状反应器中，随着使用批次的增加，咔唑的降解率显著降低，柱状反应器堵塞严重。而利用微生物燃料电池降解咔唑取得了较好的结果，在降解咔唑同时产生电能，起到了污染物资源化利用的效果。