硫酸鹽還原菌制備納米硫化鎘的研究*

高 艷，白紅娟**，貢 俊，宋霄敏

(1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030051；2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué) 環(huán)境經(jīng)濟(jì)系，山西 太原 030006)

由于納米CdS微粒在光、電、磁、催化等方面有巨大的應(yīng)用潛能(如發(fā)光二極管、傳感器、光催化等領(lǐng)域)[1]，因而引起人們的高度重視。

制備CdS納米晶的方法有水熱法[2]、溶劑熱法[3]、模板法[4]、氣相沉積法[5]，微乳液法[6]等。但以上方法往往要在高溫高壓無氧等苛刻的條件下進(jìn)行，或者需要利用毒性較大的原料及有機(jī)溶劑。

一些研究者開始轉(zhuǎn)向微生物法合成納米材料，如2004年Sweeney等人的研究則表明大腸桿菌(E.coli)在含有CdCl2和Na2S的培養(yǎng)基中在細(xì)胞內(nèi)形成了纖鋅礦結(jié)構(gòu)的納米CdS晶體，并且E.coli在生長的穩(wěn)定期形成納米晶體的速度是對數(shù)增長期的20倍[7]。此外中北大學(xué)的白紅娟教授在2009年利用固定化光合細(xì)菌合成了納米硫化鎘，并對其影響因素和光致發(fā)光特性進(jìn)行了研究[8]。

作者利用硫酸鹽還原菌合成了納米硫化鎘，該微生物法具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的物理和化學(xué)納米合成技術(shù)相比，納米生物合成技術(shù)清潔、無毒、環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展，反應(yīng)條件溫和可控，不需添加任何還原劑，效率高等優(yōu)點(diǎn)成為納米合成領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 菌種

硫酸鹽還原菌，由山西財(cái)經(jīng)大學(xué)環(huán)境經(jīng)濟(jì)系惠贈(zèng)。

1.1.2 試劑

采用的試劑有氯化鎘(CdCl2)、氫氧化鈉(NaOH)：以上試劑均為分析純，市售。

1.1.3 基礎(chǔ)培養(yǎng)基

硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成[10]：NH4Cl 1.0 g，MgSO4·7H2O 2.0 g，Na2SO41.0 g，乳酸鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%)3.5 mL，酵母膏1.0 g，CaCl2·2H2O 0.1 g，K2HPO40.5 g，抗壞血酸0.1 g，蒸餾水1 000 mL，pH調(diào)節(jié)為7.4。以上試劑均為國產(chǎn)市售分析純。

1.1.4 儀器設(shè)備

JA2003型電子天平：上海佰欒儀器儀表有限公司；LDZX-50KBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠；303-2電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；TD-3500型X射線衍射儀：上海滬峰化工有限公司；JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)：日本電子公司JEOL；牛津能譜儀：牛津儀器(上海)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SRB的富集培養(yǎng)

將一定量的硫酸鹽還原菌(SRB)接種到裝有基礎(chǔ)培養(yǎng)基的透明瓶中，振蕩混勻，封口，置于30 ℃黑暗恒溫箱靜止培養(yǎng)。每4～5 d將一定量上層液接入新鮮培養(yǎng)液中。隨著轉(zhuǎn)接次數(shù)增加，SRB 得以不斷富集。經(jīng)20 d 富集培養(yǎng)后，每5 d 取50 mL 上層液接入500 mL 新鮮培養(yǎng)液之中，作為SRB 的日常保存和培養(yǎng)液使用。

1.2.2 納米硫化鎘的制備

納米硫化鎘生成培養(yǎng)基組成：ρ(NH4Cl)= 1.0 g/L，ρ(MgSO4·7H2O)= 2.0 g/L，ρ(Na2SO4)=1.0 g/L，φ(乳酸鈉)=3.5 mL/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%)，ρ(酵母膏)=1.0 g/L，ρ(CaCl2·2H2O) =0.1 g/L，ρ(K2HPO4)=0.5 g/L，ρ(抗壞血酸)=0.1 g/L，將一定量CdCl2與上述培養(yǎng)基組分一同溶于蒸餾水中，使ρ(Cd2+)=170 mg/L，進(jìn)行高溫高壓滅菌后，在無菌條件下，接種一定量的硫酸鹽還原菌。分別考察不同pH值、溫度和接種量對合成納米硫化鎘的影響。調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH值分別為5.0，6.0，7.0，8.0和9.0，考察pH值變化對納米硫化鎘生成的影響；將培養(yǎng)物分別置于15，25和35 ℃，考察培養(yǎng)溫度變化對納米硫化鎘生成的影響；改變菌液接種量分別為5%、10% 和20%，考察接種量變化對納米硫化鎘生成的影響。規(guī)定條件為：厭氧黑暗培養(yǎng)(5 L三角瓶裝滿培養(yǎng)物，蓋橡皮塞；黑暗，靜置)，pH=7.0，溫度30 ℃，接種量為10%。反應(yīng)7～10 d后，瓶底有大量黃色硫化物沉淀產(chǎn)生，并沉降下來。然后傾去上層清液，對所獲得的沉淀底物進(jìn)行離心并收集積累于瓶底的沉淀物(2 000 r/min，10 min)，蒸餾水洗滌5次，100 ℃真空干燥獲得固體粉末。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸鹽還原菌制備納米硫化鎘的優(yōu)化條件研究

在溫度30 ℃、接種量10%時(shí)，pH值變化對納米硫化鎘生成的影響見圖1。

pH圖1 pH值變化對納米硫化鎘生成的影響

由圖1可見，在pH=7.0的中性條件下Cd2+表現(xiàn)出最大的轉(zhuǎn)化率，過酸過堿Cd2+轉(zhuǎn)化率都呈下降之勢，酸性條件尤甚。從菌的生長情況來看，過酸過堿確實(shí)導(dǎo)致上層培養(yǎng)液的濁度降低，菌數(shù)減少。雖然SRB能夠在pH=4.5～9.5生存，但其最適pH=6.5～7.5。在pH值中性條件下，SRB菌活性最強(qiáng)，Cd2+轉(zhuǎn)化率也最高。

在pH=7、接種量10%時(shí)，不同溫度下Cd2+的轉(zhuǎn)化率見圖2。

t/℃圖2 培養(yǎng)溫度變化對納米硫化鎘生成的影響

由圖2可見，30 ℃培養(yǎng)溫度下Cd2+具有最大轉(zhuǎn)化率；溫度過低導(dǎo)致Cd2+的轉(zhuǎn)化率下降。這是由于SRB 菌的最適生長溫度為30～37 ℃，在此溫度下SRB 菌的活性最大，故Cd2+的轉(zhuǎn)化效率最高。

在pH=7、溫度30 ℃時(shí)，不同接種量條件下Cd2+的轉(zhuǎn)化率見圖3。

接種量/%圖3 接種量變化對納米硫化鎘生成的影響

由圖3可知，Cd2+的轉(zhuǎn)化率隨接種量的增加而增大。接種量小，菌數(shù)減少，對有機(jī)底物的利用力有限，致使Cd2+的轉(zhuǎn)化率降低。

2.2 硫酸鹽還原菌生成納米硫化鎘的物相、形貌和組成分析

2.2.1 X射線衍射分析

30 ℃時(shí)硫酸鹽還原菌合成產(chǎn)物的XRD 圖見圖4。

2θ/(°)圖4 最佳條件下制備的納米CdS顆粒XRD圖

圖4中，該樣品無明顯的雜峰，在2θ=26.6°，44.1°，52.1°附近出現(xiàn)了對應(yīng)的特征峰，與XRD 標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片(42-1411)相符合，其晶面分別為(111)，(220)，(311)。樣品的衍射峰尖銳,并且沒有出現(xiàn)雜質(zhì)峰,表明樣品結(jié)晶性良好,晶型單一。

2.2.2 掃描電鏡分析

對制得的納米硫化鎘顆粒進(jìn)行掃描電鏡分析，見圖5。

圖5 最佳條件下制備的納米CdS顆粒的SEM圖

由圖5SEM圖片可以看出：硫化鎘微粒呈球形，粒徑尺寸較小，微粒的平均粒徑約為10 nm。

2.2.3 能譜定量分析

收獲產(chǎn)物的EDS能譜見圖6。

E/keV圖6 最佳條件下納米CdS顆粒的EDS譜圖

由圖6可見，沉淀物質(zhì)由Cd和S 2種元素組成，而且Cd和S的原子數(shù)之比為1∶1，表明其化學(xué)組成為CdS，沒有雜質(zhì)，純度高。能譜的測定需要在銅網(wǎng)碳膜上進(jìn)行，故譜圖中有Cu和C 2種元素。

3 結(jié) 論

(1) 利用硫酸鹽還原菌建立了生物合成納米CdS的途徑，Cd2+可以直接和硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的硫化物反應(yīng)生成納米硫化鎘顆粒，通過對轉(zhuǎn)化率研究，合成納米硫化鎘的最佳條件：pH值為 7，溫度為30 ℃，接種量為20%。

(2) 通過對最佳條件下合成的產(chǎn)物進(jìn)行XRD、SEM和EDS表征，表明了所獲得的產(chǎn)物為分布均勻的球形納米硫化鎘粒子，平均粒徑約為10 nm。該方法具有較高的應(yīng)用價(jià)值和研究前景。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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