改性碳納米管吸附水中腸道菌群的研究

萬洪善+袁芹

摘要：以1-乙基-3（3-二甲基氨基丙基）碳化二亞胺（EDC）為相偶聯(lián)劑，通過海藻酸鈉（SAL）對(duì)碳納米管（CNTs）進(jìn)行修飾和改性，選取水中腸道菌群作為對(duì)象，研究改性碳納米管對(duì)水中微生物的吸附效果，探討了溶液pH值、吸附時(shí)間和吸附劑量對(duì)吸附過程的影響。結(jié)果表明，CNTs經(jīng)海藻酸鈉改性后，對(duì)腸道菌群的吸附能力提高，當(dāng)溶液pH值7.0時(shí)，具有最大吸附率，在初始90min內(nèi)保持較高的吸附速率，且吸附率隨著吸附劑量的增加而增大，改性碳納米管（SAL-MWCNT-COOH）吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，吸附率從78.6%提高到89.6%。

關(guān)鍵詞：碳納米管；表面改性；大腸桿菌；吸附

中圖分類號(hào)：TQ424.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0395-03

粉末活性炭（PAC）是目前飲用水凈水處理的常用材料，但PAC凈水存在微生物泄漏使水二次污染的問題。近年來，納米水處理技術(shù)在國內(nèi)外取得了一定的效果。納米材料，如碳納米管（CNTs），具有特殊的水處理能力并且能夠有效地去除化學(xué)污染物和生物污染物[1]。CNTs作為一種新型材料，經(jīng)世界范圍內(nèi)眾多學(xué)者的研究驗(yàn)證，具有非常優(yōu)秀的吸附性能，甚至大大超過當(dāng)前制水行業(yè)普遍使用的活性炭[2-5]。近年來，隨著CNTs抗菌性能的發(fā)現(xiàn)，其在水處理抗菌領(lǐng)域的潛在應(yīng)用漸漸引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的化學(xué)消毒劑不同，CNTs應(yīng)用于水中抗菌并不會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物（DBPs）問題。此外，由于其巨大的比表面積，CNTs對(duì)水中細(xì)菌具有極強(qiáng)的吸附性能，CNTs對(duì)水中病菌可能具有濃縮和滅活雙重性能[6]。因此，CNTs在水處理抗菌領(lǐng)域可能具有良好的應(yīng)用前景。但CNTs的長度一般在幾百納米到數(shù)十微米之間，在其吸附微污染物后，采用常規(guī)水處理工藝中的分離方法，很難將CNTs完全從水中分離出來，而微小尺寸的CNTs對(duì)水環(huán)境造成二次微污染勢(shì)必對(duì)人體的健康造成不良的影響[7]，這些問題嚴(yán)重地限制了CNTs在水處理中的實(shí)際應(yīng)用。

本試驗(yàn)以水中常見細(xì)菌大腸桿菌（Escherichiacoil）作為對(duì)象，以1-乙基-3（3-二甲基氨基丙基）碳化二亞胺（EDC）為相偶聯(lián)劑，在水介質(zhì)、弱酸性條件下，采用超聲波輔助法接枝水溶性高分子海藻酸鈉（alginatesodium，SAL），得到修飾的碳納米管復(fù)合物，研究SAL-MWCNTS-COOH復(fù)合材料對(duì)腸道菌群的吸附性能。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

MWCNT（多壁碳納米管，XFM13，南京先豐納米科技材料有限公司）；大腸桿菌E.coil（來源于連云港市第一人民醫(yī)院）；LB培養(yǎng)基，自制；SAL（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）（sigma-aldrich公司）；其他試劑均為分析純。JEM-100CXⅡ透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM，日本電子株式會(huì)社）；BL6-180型高功率數(shù)控超聲波清洗器（上海比朗儀器有限公司）；SX-500型滅菌鍋（sigma-aldrich公司）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1SAL-MWCNT-COOH復(fù)合物的制備SAL-MWCNT-COOH復(fù)合物的制備參照文獻(xiàn)[8]。

1.2.2測(cè)試與表征在掃描電鏡和透射電鏡上完成。

1.2.3SAL-MWCNT-COOH復(fù)合物吸附+大腸桿菌的試驗(yàn)將E.coil活化后置于LB液體培養(yǎng)基中，在37℃下恒溫培養(yǎng)24h。取干熱滅菌后的200mL錐形瓶4個(gè)，編號(hào)為1～4，分別加入一定量的生理鹽水，然后在2～4號(hào)中加入一定量的吸附材料，超聲分散10min，1號(hào)為空白對(duì)照。在1～4號(hào)錐形瓶中加入純化后的大腸桿菌菌液，菌液初始含量C0為104～106CFU/mL，恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。取1～4號(hào)錐形瓶上層液體，膜濾，濾液稀釋103倍，取稀釋后菌液1mL接種于編號(hào)為1～4號(hào)的固體培養(yǎng)基上，涂布均勻后，在37℃條件下培養(yǎng)24h，然后取出計(jì)數(shù)。

吸附劑吸附后，溶液中剩余自由E.coil的總菌含量計(jì)數(shù)方法：總菌含量=（固體培養(yǎng)基上菌落數(shù)×稀釋倍數(shù)）/所測(cè)樣品溶液體積。

2結(jié)果與討論

2.1改性碳納米管的掃描電鏡圖

從圖1中可以清晰地觀察到碳納米管以纖維狀形態(tài)存在，碳納米管大都是以單根的形式存在，彎曲程度較大、碳管較長，相互纏繞，形成網(wǎng)絡(luò)狀。

2.2改性碳納米管的透視電鏡

通過透射電鏡觀察可知，未處理過的MWNTs存在著較

嚴(yán)重的纏結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象（圖2-a），而MWCNT-SAL復(fù)合物分散性明顯提高，基本達(dá)到單根分散程度（圖2-b）。

2.3吸附試驗(yàn)及結(jié)果

2.3.1吸附效果的平板菌落圖

采用平板菌落法進(jìn)行吸附性能測(cè)試。

圖3是大腸桿菌在相同條件下經(jīng)過3種吸附劑吸附后，形成的平板菌落圖。從圖3中可以看出，碳納米管經(jīng)過羧基化、海藻酸鈉改性后吸附效果明顯提高，其中圖3-c吸附效果最好，生成的菌落數(shù)最少。

2.3.2pH值對(duì)吸附效果的影響

分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號(hào)錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號(hào)錐形瓶中加入待處理菌液，溫度37℃，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩4h后取樣，檢測(cè)pH值對(duì)吸附效果的影響。在研究pH值對(duì)吸附劑吸附去除E.coil的影響時(shí)，應(yīng)考慮到E.coil的適宜生存條件，防止E.coil因過酸或過堿而死亡而影響試驗(yàn)結(jié)果，取pH值為5.0～9.0，研究pH值對(duì)E.coil去除率的影響（圖4）。

從圖4可以看出，pH值7.0時(shí)吸附效果最好，pH值超過7.0以后，隨著pH值增大，吸附率逐漸減小，這可能與E.coil和CNTs的零電荷點(diǎn)（pHpzc）有關(guān)。E.coil的pHpzc=4.4，因此在試驗(yàn)條件pH值=5.0～9.0下，E.coil表面帶負(fù)電荷。當(dāng)反應(yīng)液pH值pHpzc，CNTs表面電荷將會(huì)排斥E.coil。隨著溶液pH值從pH值=5.0越來越接近CNTs的pHpzc，CNTs表面所帶正電荷越來越少，而E.coil表面的負(fù)電荷越來越多，因此在pH值7.0附近電荷相吸作用達(dá)到極大值。這與文獻(xiàn)[5]的報(bào)道相符。

2.3.3吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號(hào)錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號(hào)錐形瓶中加入待處理菌液，調(diào)節(jié)菌液pH值為7.0，溫度37℃，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩，檢測(cè)吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可見，SAL-MWCNT-COOH復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH與MWCNTs之間。90min時(shí)，3種吸附劑的吸附率分別為34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增長迅速，這是由于MWCNT經(jīng)過改性后，碳納米管表面產(chǎn)生了許多官能團(tuán)，如羥基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面積和孔容積亦有所增加，有利于水溶性大腸桿菌的吸附去除。120min以后，吸附率增長緩慢，當(dāng)?shù)?60min時(shí)，3種吸附劑吸附率基本達(dá)到最大值而不再變化，分別為37.2%、57.8%、83.0%。

2.3.4吸附劑量對(duì)吸附效果的影響

當(dāng)菌液pH值調(diào)節(jié)為7.0，在溫度37℃下，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩90min，檢測(cè)吸附劑量對(duì)吸附效果的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可知，當(dāng)吸附劑的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]時(shí)，3種吸附劑的吸附率隨著吸附劑量的增

多而快速增大；吸附劑的量大于5.0mg以后，吸附率增加緩慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3種吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，MWCNTs吸附率從38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率從78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于兩者之間。在相同條件下，隨著吸附劑量的增加，其吸附率逐漸增大，主要是由于吸附劑的量增多，增加了有效官能團(tuán)和吸附的活性位點(diǎn)，從而提高了MWCNTs大腸桿菌的吸附作用。但是，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，并不是吸附劑量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。

3結(jié)論

MWCNTs經(jīng)SAL修飾后，提高了分散性、表面積和孔容積。

pH值為7.0時(shí)，MWCNTs吸附大腸桿菌的吸附平衡時(shí)間為90min；當(dāng)吸附劑的量小于2.5mg時(shí)，吸附率隨著吸附劑量的增多而快速增大，吸附劑的量大于5.0mg后，吸附率增加緩慢，海藻酸鈉-碳納米管復(fù)合物的量從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，吸附率從78.6%提高到89.6%。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，并不是吸附劑的量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。（3）碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定它在吸附方面必有良好的應(yīng)用前景，在實(shí)際應(yīng)用中有望為能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供解決途徑。

參考文獻(xiàn)：

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[7]劉福強(qiáng).碳納米管海藻酸鈉復(fù)合材料對(duì)污水中重金屬離子的吸附性能研究[D].青島：青島大學(xué)，2010.

[8]萬洪善，劉妍.奧沙利鉑-殼聚糖-海藻酸鈉-多壁碳納米管復(fù)合物的體外緩釋行為[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（7）：299-302.endprint

2.3.3吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號(hào)錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號(hào)錐形瓶中加入待處理菌液，調(diào)節(jié)菌液pH值為7.0，溫度37℃，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩，檢測(cè)吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可見，SAL-MWCNT-COOH復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH與MWCNTs之間。90min時(shí)，3種吸附劑的吸附率分別為34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增長迅速，這是由于MWCNT經(jīng)過改性后，碳納米管表面產(chǎn)生了許多官能團(tuán)，如羥基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面積和孔容積亦有所增加，有利于水溶性大腸桿菌的吸附去除。120min以后，吸附率增長緩慢，當(dāng)?shù)?60min時(shí)，3種吸附劑吸附率基本達(dá)到最大值而不再變化，分別為37.2%、57.8%、83.0%。

2.3.4吸附劑量對(duì)吸附效果的影響

當(dāng)菌液pH值調(diào)節(jié)為7.0，在溫度37℃下，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩90min，檢測(cè)吸附劑量對(duì)吸附效果的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可知，當(dāng)吸附劑的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]時(shí)，3種吸附劑的吸附率隨著吸附劑量的增

多而快速增大；吸附劑的量大于5.0mg以后，吸附率增加緩慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3種吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，MWCNTs吸附率從38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率從78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于兩者之間。在相同條件下，隨著吸附劑量的增加，其吸附率逐漸增大，主要是由于吸附劑的量增多，增加了有效官能團(tuán)和吸附的活性位點(diǎn)，從而提高了MWCNTs大腸桿菌的吸附作用。但是，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，并不是吸附劑量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。

3結(jié)論

MWCNTs經(jīng)SAL修飾后，提高了分散性、表面積和孔容積。

pH值為7.0時(shí)，MWCNTs吸附大腸桿菌的吸附平衡時(shí)間為90min；當(dāng)吸附劑的量小于2.5mg時(shí)，吸附率隨著吸附劑量的增多而快速增大，吸附劑的量大于5.0mg后，吸附率增加緩慢，海藻酸鈉-碳納米管復(fù)合物的量從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，吸附率從78.6%提高到89.6%。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，并不是吸附劑的量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。（3）碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定它在吸附方面必有良好的應(yīng)用前景，在實(shí)際應(yīng)用中有望為能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供解決途徑。

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2.3.3吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

分別稱取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理鹽水的2～4號(hào)錐形瓶中，室溫下超聲分散10min，然后在1～4號(hào)錐形瓶中加入待處理菌液，調(diào)節(jié)菌液pH值為7.0，溫度37℃，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩，檢測(cè)吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可見，SAL-MWCNT-COOH復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH與MWCNTs之間。90min時(shí)，3種吸附劑的吸附率分別為34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增長迅速，這是由于MWCNT經(jīng)過改性后，碳納米管表面產(chǎn)生了許多官能團(tuán)，如羥基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面積和孔容積亦有所增加，有利于水溶性大腸桿菌的吸附去除。120min以后，吸附率增長緩慢，當(dāng)?shù)?60min時(shí)，3種吸附劑吸附率基本達(dá)到最大值而不再變化，分別為37.2%、57.8%、83.0%。

2.3.4吸附劑量對(duì)吸附效果的影響

當(dāng)菌液pH值調(diào)節(jié)為7.0，在溫度37℃下，以200r/min轉(zhuǎn)速振蕩90min，檢測(cè)吸附劑量對(duì)吸附效果的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可知，當(dāng)吸附劑的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]時(shí)，3種吸附劑的吸附率隨著吸附劑量的增

多而快速增大；吸附劑的量大于5.0mg以后，吸附率增加緩慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3種吸附劑從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，MWCNTs吸附率從38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率從78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于兩者之間。在相同條件下，隨著吸附劑量的增加，其吸附率逐漸增大，主要是由于吸附劑的量增多，增加了有效官能團(tuán)和吸附的活性位點(diǎn)，從而提高了MWCNTs大腸桿菌的吸附作用。但是，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，并不是吸附劑量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。

3結(jié)論

MWCNTs經(jīng)SAL修飾后，提高了分散性、表面積和孔容積。

pH值為7.0時(shí)，MWCNTs吸附大腸桿菌的吸附平衡時(shí)間為90min；當(dāng)吸附劑的量小于2.5mg時(shí)，吸附率隨著吸附劑量的增多而快速增大，吸附劑的量大于5.0mg后，吸附率增加緩慢，海藻酸鈉-碳納米管復(fù)合物的量從2.5mg增加到12.5mg時(shí)，吸附率從78.6%提高到89.6%。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，并不是吸附劑的量越大越好，綜合考慮吸附劑的量和吸附效果，5.0mg吸附劑的量比較適宜。（3）碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定它在吸附方面必有良好的應(yīng)用前景，在實(shí)際應(yīng)用中有望為能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供解決途徑。

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[8]萬洪善，劉妍.奧沙利鉑-殼聚糖-海藻酸鈉-多壁碳納米管復(fù)合物的體外緩釋行為[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（7）：299-302.endprint