1.本发明涉及环境治理领域，具体涉及一种红壤矿物与耐性细菌复合体对重金属的吸附应用。
背景技术：2.红壤矿物主要有铝硅酸盐类黏土矿物、铁氧化物类矿物与铝氢氧化物类矿物，其比表面积、表面电荷、颗粒大小等方面具有明显的差异。红壤黏土矿物间存在同晶替代现象，表面带有负电荷，颗粒较小且具有丰富孔隙，因而对于土壤中重金属阳离子具有较强的吸附能力，此外红壤黏土矿物还可通过离子交换和离子偶极相互作用、协同作用等对土壤中污染物阴阳离子以及极性污染物进行去除。重金属离子可通过专性吸附和非专性吸附两种方式与黏土矿物结合。专性吸附通常在矿物表面可变电荷位形成内圈络合物，吸附性较强；非专性吸附发生在矿物永久性电荷位形成外圈络合物，吸附性较弱。但矿物因比表面积有限，对重金属吸附效果较弱，无法单独有效且长效的吸附重金属。
3.细菌广泛分布于土壤、水体及大气中，细胞壁表面富含羧基、磷酸基、羟基、胺基和疏基等活性基团，与重金属发生生物吸附、富集、降解等相互作用。而细菌在单独施用到重金属污染处理中大多受到重金属胁迫而活性不高，因此在材料中大多只利用其细胞壁部分进行表面吸附，无法充分发挥其胞内富集作用。
技术实现要素：4.为了克服现有技术存在矿物吸附重金属效率低的问题，本发明的目的之一在于提供一种矿物与细菌复合体，本发明的目的之二在于提供这种矿物与细菌复合体的制备方法，本发明的目的之三在于提供一种重金属吸附剂，本发明的目的之四在于提供这种矿物与细菌复合体在吸附重金属中的应用。
5.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
6.本发明第一方面提供了一种矿物与细菌复合体，矿物与细菌复合体包括矿物和细菌，矿物包括铁氧化物矿物、铝硅酸盐矿物、铝氢氧化物矿物中的至少一种；细菌包括肠杆菌(enterobacter huaxiensis eg16)和枯草芽孢杆菌(bacillus subtilis dbm)中的至少一种。
7.优选的，这种矿物与细菌复合体中，铁氧化物矿物包括针铁矿、赤铁矿、水铁矿中的至少一种；进一步优选的，铁氧化物矿物包括针铁矿、水铁矿中的至少一种；再进一步优选的，铁氧化物矿物为针铁矿。优选的，这种矿物与细菌复合体中，铝硅酸盐矿物包括长石、云母、高岭土、沸石、石榴石中的至少一种；进一步优选的，铝硅酸盐矿物包括长石、云母、高岭土中的至少一种；再进一步优选的，铝硅酸盐矿物为高岭土。
8.优选的，这种矿物与细菌复合体中，铝氢氧化物矿物包括一水软铝石、一水硬铝石和三水铝石中的至少一种；进一步优选的，铝氢氧化物矿物为三水铝石。
9.优选的，这种矿物与细菌复合体的比表面积为0.8-12m2/g；进一步优选的，这种矿
物与细菌复合体的比表面积为5-10m2/g；再进一步优选的，这种矿物与细菌复合体的比表面积为6.8-10m2/g。
10.优选的，这种矿物与细菌复合体中，矿物与细菌的质量比为1：(0.4-0.75)。
11.优选的，这种矿物与细菌复合体中，矿物的粒径≤200μm；进一步优选的，矿物的粒径≤180μm；再进一步优选的，矿物的粒径≤150μm。
12.本发明第二方面提供了一种上述矿物与细菌复合体的制备方法，包括以下步骤：矿物与细菌悬浮液混合，反应，分离得到固体产物，即为上述矿物与细菌复合体。
13.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，细菌悬浮液的ph为4-7；进一步优选的，细菌悬浮液的ph为4-6；再进一步优选的，细菌悬浮液的ph为5。
14.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，细菌悬浮液的od
600
为0.5-1.5；进一步优选的，细菌悬浮液的od
600
为0.8-1.2；再进一步优选的，细菌悬浮液的od
600
为1.0；od
600
是指细菌悬浮液在600nm处的吸光值。
15.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，细菌悬浮液由细菌菌体经超声扩散到磷酸盐缓冲液中，使最终od
600
为0.5-1.5。
16.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，矿物与细菌悬浮液的质量体积比为1g：(60-120)ml；进一步优选的，矿物与细菌悬浮液的质量体积比为1g：(80-100)ml。
17.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，反应温度为20-30℃；进一步优选的，反应温度为22-28℃；再进一步优选的，反应温度为25℃。
18.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，反应在振荡条件下进行，振荡时间为0.4-4h；进一步优选的，振荡时间为0.5-2h；再进一步优选的，振荡时间为1h。
19.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，反应在恒温振荡箱中进行，振荡转速为100-200rpm；进一步优选的，振荡转速为140-180rpm；再进一步优选的，振荡转速为160rpm。
20.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，分离采用离心分离，离心时间为5-15min；进一步优选的，离心时间为8-12min；再进一步优选的，离心时间为10min。
21.优选的，这种矿物与细菌复合体的制备方法中，分离采用离心机，离心机转速为3000-5000rpm；进一步优选的，离心机转速为3500-4500rpm；再进一步优选的，离心机转速为4000rpm。
22.本发明第三方面提供了一种重金属吸附剂，重金属吸附剂包括上述矿物与细菌复合体。
23.本发明第四方面提供了上述矿物与细菌复合体和/或上述重金属吸附剂在吸附重金属中的应用。
24.优选的，上述矿物与细菌复合体和/或上述重金属吸附剂在吸附镉、铅、铜、锌中的应用；进一步优选的，上述矿物与细菌复合体和/或上述重金属吸附剂在吸附镉、铅中的应用；再进一步优选的，上述矿物与细菌复合体和/或上述重金属吸附剂在吸附镉中的应用。
25.本发明第五方面提供了一种吸附废水中重金属的方法，包括以下步骤：将上述矿物与细菌复合体和/或上述重金属吸附剂与重金属废水混合，反应，去除废水中重金属。
26.优选的，这种吸附废水中重金属的方法中，重金属废水的重金属浓度为10-100mg/l；进一步优选的，重金属废水的重金属浓度为15-50mg/l；再进一步优选的，重金属废水的
重金属浓度为20-30mg/l；更进一步优选的，重金属废水的重金属浓度为23-25mg/l。
27.优选的，这种吸附废水中重金属的方法中，反应时的ph为4.0-7.0；进一步优选的，反应时的ph为6.0-7.0。
28.优选的，这种吸附废水中重金属的方法中，矿物与细菌复合体与重金属废水中重金属的质量比为1：(0.01-0.015)；进一步优选的，矿物与细菌复合体与重金属废水中重金属的质量比为1：(0.011-0.013)；再进一步优选的，矿物与细菌复合体与重金属废水中重金属的质量比为1：0.012。
29.本发明的有益效果是：
30.本发明利用红壤矿物和重金属耐性细菌形成复合体，利用矿物为细菌提供屏障，使得细菌受重金属迫害程度降低，形成复合体后，在高浓度重金属胁迫下，肠杆菌eg16和芽孢杆菌dbm的抵御机制仍是低胁迫重金属响应机制，复合体的形成为细菌提供了保护屏障，使其能具有发挥生物功能的潜力；在吸附重金属过程中，利用矿物与细菌表面进行吸附的同时，还能发挥细菌胞内富集与钝化的效果；相对于普通矿物对重金属的吸附，吸附效果更好。
31.具体的，本发明选用颗粒小比表面积大的红壤矿物作为复合体基本材料，相较于其他矿物，具有更多比表面积和孔隙供微生物附着和重金属吸附。
32.具体的，本发明分别选用两株多金属耐性细菌作为复合体基本材料，其中肠杆菌enterobacter huaxiensis eg16可耐受250mg/l镉金属胁迫及较高水平铜铅锌胁迫，可分泌铁载体在体外螯合重金属，同时可利用体内硫蛋白与重金属结合，使其钝化，对于重金属吸附主要机理为体内富集与钝化，吸附同时还可分泌植物促生物质；枯草芽孢杆菌bacillus subtilis dbm可耐受50mg/l铜，250mg/l铅及较高水平镉锌胁迫，胁迫环境下dbm可释放大量胞外多聚体螯合重金属，对于重金属吸附主要机理为表面及eps(胞外聚合物)吸附，吸附同时还可分泌植物促生物质，因此该两种材料较其他材料，具有更高的吸附活性。
附图说明
33.图1为实施例中针铁矿xrd图。
34.图2为实施例中高岭土xrd图。
35.图3为实施例中三水铝石xrd图。
36.图4为肠杆菌属eg16不同镉胁迫下生长曲线图。
37.图5为肠杆菌属eg16在100mg/l镉环境下电镜图。
38.图6为铜胁迫下枯草芽孢杆菌dbm生长曲线图。
39.图7为铅胁迫下枯草芽孢杆菌dbm生长曲线图。
40.图8为枯草芽孢杆菌dbm扫描电镜图。
41.图9为矿物与肠杆菌属eg16复合体在不同ph时的zeta电位图。
42.图10为矿物与枯草芽孢杆菌dbm复合体在不同ph时的zeta电位图。
43.图11为三种矿物在不同ph下对镉的吸附量图。
44.图12为矿物与肠杆菌属eg16复合体在不同ph下对镉的吸附量图。
45.图13为矿物与枯草芽孢杆菌dbm复合体在不同ph下对镉的吸附量图。
46.图14为矿物与肠杆菌属eg16复合体吸附镉时langmuir模型图。
47.图15为矿物与枯草芽孢杆菌dbm复合体吸附镉时langmuir模型图。
48.图16为矿物、矿物与细菌复合体与cd(ii)的结合方式及比例示意图。
具体实施方式
49.以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
50.细菌培养及菌体收集
51.实验前将已活化16h的细菌接种到牛肉膏-蛋白胨培养基(牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，nacl5.0g，水1l，ph 7.2)中，在30℃和150rpm条件下振荡培养24小时至稳定期，4000rpm离心10分钟收集菌体，收集的菌体用高纯水洗涤三次以除去残余的培养基后重新悬浮在磷酸缓冲液中，获得od
600
值为1.0的细菌悬浮液。
52.矿物准备
53.针铁矿、高岭石和三水铝石均购自sigma-aldrich公司。实验中使用的所有矿物均过100目筛(粒径《150微米)备用。矿物粉末送中山大学测试中心进行x射线衍射(xrd)分析，针铁矿xrd图谱见图1，高岭土xrd图谱见图2，三水铝石xrd图谱见图3，通过jade 6.0软件与jcpds数据库中相应矿物的标准特征衍射峰进行比对，吻合较好，证实三种矿物纯度均较高。
54.菌种信息
55.肠杆菌enterobacter huaxiensis eg16已在现有文献《survival strategies of the plant-associated bacterium enterobacter sp.strain eg16 under cadmium stress》(doi:10.1128/aem.03689-15)中公开，肠杆菌eg16可耐受250mg/l cd，细菌形态为椭圆球状，图4为肠杆菌属eg16在不同镉胁迫下生长曲线，图5为肠杆菌属eg16在100mg/l镉胁迫下的电镜图。
56.枯草芽孢杆菌bacillus subtilis dbm筛选自韶关多金属污染农田土壤，该菌株名称为枯草芽孢杆菌(bacillus subtilis dbm)，分类命名为bacillus subtilis，于2021年12月21日保藏于广州市先烈中路100号大院59号楼5楼的广东省微生物菌种保藏中心，保藏编号为gdmcc no：62155。枯草芽孢杆菌dbm可耐受50mg/l cu和250mg/l pb，细菌形态为短杆状，图6为铜胁迫下枯草芽孢杆菌dbm生长曲线，图7为铅胁迫下枯草芽孢杆菌dbm生长曲线，图8为枯草芽孢杆菌dbm扫描电镜图。
57.实施例1
58.复合体的制备
59.在ph 5，10mm kno3和25℃下，配置od
600
＝1的细菌悬液，加入一定量的细菌悬液和矿物于50ml离心管中，控制总体积为15ml，各复合体中的细菌悬液和矿物的具体加入量见表1。加样后置于恒温振荡箱中160rpm振荡1小时，得到细菌-矿物复合体悬液。将悬液置于离心机中4000rpm离心10分钟后收集沉淀，得到制备好的复合体。
60.表1复合体中矿物与细菌的添加量
[0061][0062]
形成复合体后的比表面积请见表2。其中针铁矿与细菌形成的复合体比表面积最高，高岭石次之。
[0063]
表2复合体的比表面积
[0064][0065]
复合体在不同ph时的zeta电位如图9-10所示，复合体由于其zeta电位随ph升高而降低，最优吸附ph在6-7之间。
[0066]
复合体吸附镉
[0067]
对比针铁矿、高岭石、三水铝石与两种细菌构成复合体以及单一矿物体系对镉的吸附，其中复合体设置2g/l浓度体系，矿物设置6.6g/l浓度体系，分别对应处理24mg/l镉溶液。研究不同ph对复合体吸附镉的影响，图11为三种矿物在不同ph下对镉的吸附量，图12为矿物与eg16复合体在不同ph下对镉的吸附量，图13为矿物与dbm复合体在不同ph下对镉的吸附量，单一矿物体系矿物吸附量基本在0.05-0.15mg/g不等，ph7时可达最大值0.45mg/g。而eg16和dbm形成复合体在ph7体系时最大吸附量可达4.05mg/g和3.57mg/g。
[0068]
在ph为5.0条件下，对比0.1mm和1mm镉浓度下，对比矿物本身，耐性菌与矿物复合体能吸附更多的镉，具体如表3所示。
[0069]
表3 0.1mm与1mm镉浓度下复合体吸附重金属cd(ii)比较
[0070][0071]
矿物-eg16复合体吸附复合langmuir模型如图14所示，矿物-dbm复合体吸附复合langmuir模型如图15所示，图14-15说明化学吸附为限速步骤。
[0072]
根据红外光光谱，对矿物及其复合体参与镉吸附的官能团进行统计，如下表4所
示，吸附前后络合物中明显的峰是移动峰。参考相应的细菌和矿物质的官能团，可以得到参与吸附的官能团。未标记的峰是未改变的或未出现的峰，表明它们不参与吸附。不同矿物及矿物与细菌复合体的吸附方式如附图16所示，图中横坐标中fe表示针铁矿，g表示高岭土，al表示三水铝石，fe-eg16表示针铁矿-eg16，g-eg16表示高岭土-eg16，al-eg16表示三水铝石-eg16，fe-dbm表示针铁矿-dbm，g-dbm表示高岭土-dbm，al-dbm表示三水铝石-dbm，矿物与细菌复合体中近1/3以物理方式吸附cd，近1/3以离子交换方式吸附cd，剩余的主要以胞内富集和同晶置换方式吸附。
[0073]
表4矿物及其复合体参与cd(ii)吸附的官能团
[0074]
[0075][0076]
通过表4中复合体参与吸附的表面官能团可以得到，由于矿物组分表面官能团类型单一，在矿物与细菌复合体吸附cd(ii)的过程中，细菌组分参与cd(ii)吸附的官能团更多，包括羧基、羰基、羟基和磷酸基团。表明在化学络合作用中，细菌组分的贡献更大。与单独矿物不同的是，针铁矿与细菌复合体、高岭石与细菌复合体表面并没有氢键的形成，而在三水铝石与细菌复合体吸附cd(ii)前后观测到h2o分子的波动，表明存在氢键的作用。
[0077]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种矿物与细菌复合体，其特征在于，所述的矿物与细菌复合体包括矿物和细菌，所述的矿物包括铁氧化物矿物、铝硅酸盐矿物、铝氢氧化物矿物中的至少一种；所述的细菌包括肠杆菌(enterobacter huaxiensis)和枯草芽孢杆菌(bacillus subtilis)中的至少一种。2.根据权利要求1所述的矿物与细菌复合体，其特征在于，所述的矿物与细菌复合体的比表面积为0.8-12m2/g。3.根据权利要求1所述的矿物与细菌复合体，其特征在于，所述的矿物与细菌的质量比为1：(0.4-0.75)。4.根据权利要求1所述的矿物与细菌复合体，其特征在于，所述的矿物的粒径≤200μm。5.一种权利要求1-4任一项所述的矿物与细菌复合体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：矿物与细菌悬浮液混合，反应，分离得到固体产物，即所述的矿物与细菌复合体。6.根据权利要求5所述的矿物与细菌复合体的制备方法，其特征在于，所述的细菌悬浮液的od
600
为0.5-1.5。7.一种重金属吸附剂，其特征在于，所述的重金属吸附剂包括权利要求1-4任一项所述的矿物与细菌复合体。8.权利要求1-4任一项所述的矿物与细菌复合体和/或权利要求7所述的重金属吸附剂在吸附重金属中的应用。9.一种吸附废水中重金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-4任一项所述的矿物与细菌复合体和/或权利要求7所述的重金属吸附剂与重金属废水混合，反应，去除废水中重金属。10.根据权利要求9所述的吸附废水中重金属的方法，其特征在于，所述的矿物与细菌复合体与重金属废水中重金属的质量比为1：(0.01-0.015)。
技术总结本发明公开了一种红壤矿物与耐性细菌复合体对重金属的吸附应用。一种矿物与细菌复合体，矿物与细菌复合体包括矿物和细菌，矿物包括铁氧化物矿物、铝硅酸盐矿物、铝氢氧化物矿物中的至少一种；细菌包括具有重金属耐性的肠杆菌(Enterobacter huaxiensis)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中的至少一种。本发明利用矿物和细菌形成复合体，利用矿物为细菌提供屏障，使得细菌受重金属迫害程度降低，使其既能利用菌体表面进行吸附，也可充分发挥其胞内富集的效果，相对于矿物对重金属的吸附，吸附效果更好。附效果更好。
技术研发人员：李雅莹 林庆祺 倪卓彪 王诗忠 顾文杰 杨少海 仇荣亮
受保护的技术使用者：华南农业大学 中山大学
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/5
