微生物亲和型炭纤维生物膜载体的制备及其对水中微生物固着机理的研究

发布时间：2020-11-12 12:18

　　 微生物在材料表面的粘附与固着是自然界的普遍现象,在医学、环境等多领域有广泛应用。通过研究微生物的固着机理,选择科学的方法抑制或促进载体表面微生物的固着性能,从而实现载体对微生物固着的功能化可控,对相关领域中功能材料的研制意义重大。在环境保护领域,生物膜污水处理技术是一种高效的污水处理方法,其中,选择合适的生物膜载体材料是该处理技术的关键。而生物膜法污水处理技术的应用在我国起步时间较晚,对水中微生物在载体表面的固着机理研究相对较少,限制了载体材料在生物膜法中的应用发展。相关研究证明,炭材料普遍具有良好的生物相容性,极有可能成为微生物亲和性好、微生物固着能力强的新型生物膜载体材料。其中,炭纤维的表面物化性能稳定,耐微生物分解与腐蚀能力强,是极具潜力的生物膜载体材料备选。本论文通过选择多种表面处理方法,对聚丙烯腈基炭纤维进行单重及复合的多方位功能化表面改性,制备具有高微生物亲和性的炭纤维生物膜载体,并通过炭纤维表面化学成分、官能团种类、亲水性、粗糙度、电负性等表面特性的变化,以及微生物在不同炭纤维表面的宏观固着与微观粘附情况,综合分析炭纤维载体表面不同表面特性对水中微生物粘附固着的影响,研究水中微生物在载体表面的固着机理,得到如下主要结论：1、采用硝酸液相氧化法对聚丙烯腈基炭纤维进行梯度氧化表面改性,结果表明该方法是可用于制备微生物亲和型炭纤维生物膜载体的有效表面改性方法,其中硝酸氧化时间为2h的改性效果最佳,可在微生物固着2h内形成完整的生物膜,并在24 h达到227.0%的挂膜率；适量增加炭纤维表面极性含氧官能团可提高其表面亲水性,从而大大提高炭纤维载体的微生物亲和性,并大幅度增强炭纤维表面的微生物固着能力,其中炭纤维表面羧基是影响微生物粘附与固着的关键因素；炭纤维表面的微生物固着是表面亲水性和电负性两者共同作用的结果,微生物更倾向于粘附在表面含氧量和亲水性适中的炭纤维载体上,平衡含水率为6.13%时微生物固着效果最佳。2、采用硫酸阳极氧化与马来酸酐电聚合的处理手段对聚丙烯腈基炭纤维进行电化学表面改性,结果表明硫酸阳极氧化与马来酸酐电聚合是两种可用于制备微生物亲和型炭纤维生物膜载体的有效改性方法,通过氧化以及电聚合的形式增加炭纤维表面含氧量,均可提高炭纤维载体的微生物亲和性,其中硫酸阳极氧化的效果更佳；微生物在炭纤维表面固着过程中,初期表现出粘附的微生物不断增多,当生物膜的生长与消亡达到平衡时挂膜率趋于稳定；在炭纤维改性前的表面上浆剂清洗过程中,与无水乙醇相比,丙酮的清洗效果更好。3、采用次氯酸氧化与尿素接枝手段对聚丙烯腈基炭纤维进行复合表面改性,结果表明该复合表面改性法是可用于制备微生物亲和型炭纤维生物膜载体的有效表面改性方法,可在微生物固着2h内形成完整生物膜,尤其适用于微生物在炭纤维表面短期快速固着；炭纤维经改性后表面含氧及含氮官能团的增加,均有助于表面亲水性的提高：亲水性较差时,提高炭纤维表面亲水性有助于增强炭纤维对微生物的固着能力：炭纤维表面粗糙度的变化对微生物的固着有一定影响,炭纤维表面光滑度的提高在一定程度上限制了炭纤维表面微生物亲和性的发挥；SEM的分辨率虽远远高于LCM,但由于LCM选用共轭焦点技术逐层扫描成像,纵深分辨率高,所得炭纤维形貌的立体感更强,故对于微米级炭纤维样品而言,更适用于LCM观察表面形貌。4、采用混酸(硝酸与硫酸)液相氧化、马来酸酐接枝与钙离子吸附的手段对聚丙烯腈基炭纤维进行多重表面改性,结果表明该多重表面改性法是可用于制备微生物亲和型炭纤维生物膜载体的有效表面改性方法,可在1h内使微生物快速覆盖其表面,适用于微生物在炭纤维表面短期快速固着；表面具有极性含氧基团的炭纤维经钙离子吸附改性后,已吸附的金属阳离子可在同呈负电性的炭纤维表面与胞外多聚物之前起到静电桥接作用,从而提高微生物的固着强度；炭纤维表面吸附的金属阳离子还可通过表面络合作用与离子粘结作用增强炭纤维载体对微生物的粘附与固着能力；通过傅立叶变换红外光谱表征表面化学特性时,反射FTIR法与溴化钾压片法均可表征炭纤维表面有机官能团,但在检测官能团含量较低的样品时,溴化钾压片的FTIR测试所得的振动吸收峰强度更高,检测到的有机官能团种类更全。5、采用经过表面改性的微生物亲和型炭纤维与未经表面改性的普通炭纤维作为载体材料用于生物膜法污水处理,选用化学需氧量(COD)去除率评价污水处理效果,并与传统活性污泥污水处理法进行对比,从而研究载体的微生物亲和性对生物膜法污水处理效果的影响。结果表明,传统活性污泥法与生物膜法均可大量减少污水中的有机污染物含量,其中以各种炭纤维为载体的生物膜法的COD去除率要普遍高于活性污泥法；在生物膜法污水处理过程中,生物膜载体表面的挂膜率与污水处理能力呈正相关,生物膜载体的微生物亲和性越好,表面固着的微生物量越大,则污水处理后的COD去除率越高。6、选用经过表面改性的微生物亲和型炭纤维与未经表面改性的普通炭纤维作为载体材料进行微生物固着后,利用超声振荡器对载体表面微生物施加作用力并进行剥落；采用超声振荡后炭纤维载体残余挂膜率表征微生物的固着强度,并对载体的微生物亲和性进行评价。结果表明：超声振荡受力过程中,微生物亲和性较好的炭纤维,载体与微生物之间的粘附强度相对较高,则更易于发生外层微生物的剥离,内层微生物依旧固着在炭纤维表面；微生物亲和性较差的炭纤维,载体与微生物之间的粘附强度相对较低,则更易于发生生物膜整片脱落；炭纤维载体表面对微生物的固着强度,与炭纤维的微生物亲和性高低呈正相关。本论文的主要成果有：采用多重复合表面处理手段,多方位改变炭纤维载体表面的元素含量、官能团种类以及电负性等表面性能,研究了影响微生物粘附的关键因素以及水中微生物在载体表面的固着机理。得到了可大幅度提高炭纤维载体微生物亲和性的表面改性工艺,制备了微生物固着量大、固着强度高、污水处理效果好的新型炭纤维生物膜载体材料,并对适用于炭纤维表面微生物的固着强度的表征方法进行了创新性探索与尝试。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X703
【部分图文】：

理效率及可靠性。国内常用的生物膜载体多用高分子材料制备，且形式多样，如悬挂??型生物填料、悬浮型生物填料和固定型填料等。其中悬挂型应用最为广泛，又可分为??软性、半软性和组合填料。图１－＿１４为三种典型填料实物图，相对应性能对比如表１－１??

西南交通大学博士研究生学位论文?第１７页??固着，其中不可逆固着是一个较长期现象，微生物与载体表面间架桥形成牢固的粘着，??能形成特定的立体粘接丨６９］。随着紧密层（不可逆固着）的形成，微生物开始繁殖并由??另外的细胞附着进而形成小菌落，产生大量细胞外聚合物‘（ＥＰＳ），这种聚合物拥有配??为体和受体，将大大有助于微生物和载体表面之间的粘附这两个典型固着阶段示??意图如图１－１６所７１＾。??

?酸改性后，含氧官能团己成功生成在炭纤维表面。??炭纤维硝酸改性前（ＣＦ－０）后（ＣＦ－ａｃｉｄ）的ＦＴＩＲ光谱如图２－３所示：介于３６００?ｃｍ＂＇??和３１００?ｃｍ－＇之间的宽峰为０Ｈ伸缩振动［１＾；在１４００?ｃｍ＂＇和１０００?ｃｍ－＇之间的一些ｉ叠??吸收峰表明样品表面具有Ｃ－０－Ｃ、Ｃ－０－Ｎ或＞Ｃ－Ｎ基团出现在１６１０?ｃｍ－＇和１２４０??ｃｍ＂＇的两个吸收峰归因于按基中的Ｃ＝０和Ｃ－０振动对比图２－３中的两条红外光??谱可知
【参考文献】

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本文编号：2880739