黃孢原毛平革菌改性農(nóng)業(yè)廢棄物制備溢油吸附劑的特性

彭丹　李如艷　苗育

摘要[目的]構(gòu)建農(nóng)業(yè)廢棄物制備溢油吸附劑的方法。[方法]

利用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）改性，將玉米秸稈、玉米芯、木屑作為原材料制備出可生物降解的溢油吸附劑。用XRD和SEM表征，比較改性前后3種材料的結(jié)構(gòu)變化。[結(jié)果]溫度為37 ℃，最佳培養(yǎng)基為小米和麥麩固體培養(yǎng)基，改性時間為21 d，改性玉米秸稈、玉米芯、木屑吸油量分別為9.03、7.69、6.26 g/g。 [結(jié)論]該研究可為真菌改性農(nóng)業(yè)廢棄物制備吸附劑提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)廢棄物；吸油劑；黃孢原毛平革菌；改性；溢油

中圖分類號X712文獻標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）20-0073-04

Abstract[Objective] The aim was to build a method of preparing oil sorbents from agriculture wastes.[Method]

Preparation of biodegradable oil adsorbent was prepared with corn straw， corn cob， scrap as raw material， and modified by Phanerochaete chrysosporium. XRD and SEM were used to characterize the structure changes of the three materials before and after modification. [Result]When the temperature was 37 ℃， the medium was solid medium of millet bran and the time of modification was 21 days， the oil absorption of modified corn straw， corncob and sawdust were 9.03， 7.69 and 6.26 g/g，respectively. [Conclusion]This study provides a theoretical basis for the preparation of adsorbent from fungal modified agricultural wastes.

Key wordsAgriculture wastes；Oil sorbent；Phanerochaete chrysosporium；Modificaton；Oil spill

石油是人類生產(chǎn)生活的主要能源，在石油的勘探、開采、精煉、運輸、儲存和使用過程中經(jīng)常會發(fā)生許多石油泄漏事故。 在泄漏時，大量原油被釋放，造成河流、海洋和海岸的污染[1]。通常采用原位燃燒、分散劑、撇渣器、生物菌劑降解、吸附劑和生物修復(fù)技術(shù)等益油治理技術(shù)，其中，使用吸油劑是一種高效、經(jīng)濟和環(huán)保的方法[2]。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生數(shù)量眾多的植物性生物質(zhì)廢棄物（PBW），對于這些生物質(zhì)廢棄物的處置通常采用丟棄或焚燒的方法，而在這些處置過程會對環(huán)境造成嚴重的二次污染[3]。PBW主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，對廢水中的重金屬離子、染料和有機污染物具有較高吸附能力。 將農(nóng)業(yè)廢棄物制備成吸附劑不僅提供了低成本的吸附劑，還解決了環(huán)境中廢棄物的處理問題[4]。

與無機礦物材料和有機合成材料相比，農(nóng)業(yè)廢棄物具有很大的吸附溢油的潛力[5-6]。農(nóng)業(yè)廢棄物可以通過進行化學(xué)修飾（如酰化和熱改性等）提高其吸附油的能力，并降低材料親水性[7-8]。 Sun等[9-10]利用乙酸酐作為改良甘蔗渣和麥秸吸附能力的改性劑，Angelova等[11]利用碳化稻殼進行油污染凈化研究。但在化學(xué)改造過程中，通常使用大量的化學(xué)試劑，容易對環(huán)境和人類造成危害?？紤]到這些缺點，一些學(xué)者開展了生物改性技術(shù)的研究[12-13]。

筆者在前期研究中，采用纖維素酶為改良劑，以玉米秸稈為材料制備改性溢油吸附劑，其改性條件溫和，改性后材料吸油量顯著提高（6倍左右）[14]。隨后采用黑曲霉、綠色木霉改性玉米秸稈固態(tài)發(fā)酵，結(jié)果表明，改性后的玉米秸稈吸油能力是未改性材料的3倍左右[15]。為了探討木質(zhì)素降解菌對農(nóng)業(yè)廢棄物的改性效果，筆者采用黃孢原毛平革菌固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈、玉米芯和木屑，研究改性條件對農(nóng)業(yè)廢棄物吸油效果的影響。

1材料與方法

1.1材料供試原料為取自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)試驗田的玉米秸稈（RCS）、玉米芯（RCC），水清洗風(fēng)干后，用小型植物粉碎機破碎，篩分成20～40目材料，備用。供試黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）來自于美國賓州立生物化學(xué)系Dr.Tien實驗室，于4 ℃下保存在PDA斜面培養(yǎng)基上。原油來自廣州石化集團，在試驗前，將原油置于通風(fēng)櫥內(nèi)揮發(fā)48 h以備用。供試原油性質(zhì)：黏度0.028 Pa/s，密度0.852 g/cm3。

1.2方法

1.2.1黃孢原毛平革菌改性培養(yǎng)基。

1.2.1.1Badal Ⅲ 液體培養(yǎng)基。

為了提高黃孢原毛平革菌生長，促進其次級代謝，將Badal Ⅲ液體培養(yǎng)基加入裝有25 g RCS、RCC和木屑（RWC）的錐形瓶中，于37 ℃培養(yǎng)。Badal Ⅲ 培養(yǎng)基成分：5.0 g MgSO4，1.0 g CaCl2，20.0 g K2HPO4，100 mL 微量元素混合液[3.0 g MgSO4，1.0 g NaCl，0.1 g CoCl，0.1 g CuSO4，10 mg H3BO3，1.5 g 次氮基三乙酸，0.5 g MnSO4，0.1 g FeSO4·7H2O，0.1 g ZnSO4·7H2O，10 mg AlK（SO4） ·12H2O，10 mg Na2MoO4·2H2O]。

1.2.1.2 固體培養(yǎng)基。選用Dr.Tien實驗室配方，將Nature Pantry公司（State College，USA）的小米和麥麩按2∶1的質(zhì)量比裝入250 mL錐形瓶，接種PC后在30 ℃培養(yǎng)5～7 d，而后轉(zhuǎn)移至25 g RCS、RCC、RWC中，在37 ℃下培養(yǎng)[16]。

1.2.2改性前后材料表征。

1.2.2.1BET比表面積測定。

利用美國麥克儀器公司全自動快速比表面積分析儀（ASPS2020），根據(jù)BET方程測定計算固態(tài)發(fā)酵前后RCS的比表面積變化。

1.2.2.2SEM掃描電子顯微鏡觀察。

將噴金后的待觀察RCS材料置于樣品載物臺中，用日本日立公司S-3700N觀測改性前后材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

1.2.2.3XRD分析。

利用日本理學(xué)公司（D/max-ⅢA）X-射線衍射儀，在2θ角為10°～40°對改性前后RCS進行掃描（掃描速度為3°/min）。RCS中結(jié)晶區(qū)所占百分比用CrI表示，計算公式如下：

CrI=I002-IamI002×100

式中，CrI為結(jié)晶度指數(shù)；Iam為纖維素非結(jié)晶區(qū)衍射峰的強度（18.7°處）；I002為纖維素002結(jié)晶區(qū)衍射峰的強度（22.5°處）。

1.2.3吸油量的測定。

該研究在前人研究的基礎(chǔ)上，采用重量法作為吸油量測定的方法。①稱量吸油劑質(zhì)量：0.2 g改性后的RCS；②稱量恒重的表面皿質(zhì)量、200目吸油網(wǎng)的質(zhì)量，分別記為m1（g）和m2（g）；③室溫下，將吸油劑置于吸油網(wǎng)上，并沒入不含原油的水體中，將吸油裝置放在60～70 r/min振蕩1 h；④取出瀝干10 min后，置于表面皿中稱量，記為m3（g）。利用以下公式計算得到單位質(zhì)量秸稈的吸油量：

q（g/g）=m3-m1-m2m材料

2結(jié)果與分析

2.1黃孢原毛平革菌改性培養(yǎng)基比較

據(jù)觀察，與液體培養(yǎng)基相比，黃孢原毛平革菌優(yōu)選固體培養(yǎng)基。根據(jù)營養(yǎng)含量和操作方便性，小米和麥麩提供的營養(yǎng)成分更完整，黃孢原毛平革菌生長需要的蛋白質(zhì)、糖、維生素、脂肪酸和微量元素都能由小米和麥麩介質(zhì)提供，且這種培養(yǎng)基的性價比更高。同時，小米和麥麩培養(yǎng)基供氣效果更好，在小米顆粒之間可形成氣囊，能提供更大的空間，以增強真菌的粘附。Ofori等[17-18]研究表明，增加曝氣可以改善黃孢原毛平革菌的木質(zhì)素降解活性。相比之下，液體培養(yǎng)基會使木質(zhì)材料粘合而造成真菌生長缺氧。

從圖1可見，黃孢原毛平革菌生長14 d后，在小米和麥麩培養(yǎng)基中改性的RCS吸油量高于在液體培養(yǎng)基中改性，這是由于小米和麥麩培養(yǎng)基提供了更好的改性環(huán)境，使真菌生長良好，改性后的RCS吸油量可達7.87 g/g。

2.2黃孢原毛平革菌改性時間對吸油能力的影響

選用小米和麥麩培養(yǎng)基，黃孢原毛平革菌在37 ℃分別改性RCS、RCC和RWC，改性時間為7～28 d，比較改性時間對材料吸油能力的影響。從圖2可以看出，延長改性時間，RCS、RCC和RWC的吸油量均有增加，它們的最大吸油量出現(xiàn)在改性21 d，分別為9.03、7.69、6.26 g/g。采用黃孢原毛平革菌固態(tài)發(fā)酵改性RCS、RCC和RWC，可使材料的吸油量提高75.3%、85.7%和78.9%，其中RCC的吸油能力提升稍有優(yōu)勢。

2.3吸油劑的表征

黃孢原毛平革菌在37 ℃將RCS、RCC和RWC改性21 d制成吸附劑用于吸附水體中溢油，3種吸附劑分別為PCCS、PCCC和PCWC。根據(jù)XRD分析（表1），RCS經(jīng)黃孢原毛平革菌改性后，結(jié)晶度指數(shù)下降了6.60%。從圖3可以看出，RCS表面纖維緊致光滑，而PCCS表面形成了許多凹槽，層片狀結(jié)構(gòu)被撐開，這樣秸稈的比表面積增大，為油分子的吸附提供更多位點[19]。

從圖4可以看出，RCC結(jié)構(gòu)致密[20]，但材料的結(jié)晶度是三者中最小。RCC經(jīng)過黃孢原毛平革菌改性后結(jié)構(gòu)有顯著變化，內(nèi)部呈現(xiàn)多孔狀結(jié)構(gòu)，其中還形成空管狀結(jié)構(gòu)，而緊致的層片狀結(jié)構(gòu)被撐開，這樣有利于容納更多的油分子。RCC經(jīng)黃孢原毛平革菌改性后，結(jié)晶度指數(shù)下降了26.30%。

從圖5可以看出，RWC的纖維呈現(xiàn)規(guī)則性，形成緊密交織的表面，而PCWC纖維束間的木質(zhì)素被黃孢原毛平革菌部分降解，使得RWC形成層狀原纖維層[21]。RWC經(jīng)黃孢原毛平革菌改性后，結(jié)晶度指數(shù)下降了8.50%。由此可見，CrI的下降程度與材料的吸油量提升程度成正比，這說明材料的結(jié)晶度越小，油分子越容易被吸附，從而吸油量越大。

2.4材料的毛細管作用力

毛細管作用力可以衡量材料的潤濕性[22]。 將1 cm×20 cm的玻璃管填充20～60目RCS、RCC和RWC，其下端用玻璃棉封閉。將裝有材料的玻璃管浸沒在機油中。當(dāng)玻璃管內(nèi)油面與燒杯中的油面一致時，開始計時，做油面上升高度與時間關(guān)系曲線（圖6）。研究表明，毛細管作用是潤濕性、堆積密度以及顆粒粒徑的多元函數(shù)[23-24]。在堆積密度和粒徑相同時，3種材料的潤濕性與油面上升速度成正比。從圖6可以看出，改性后的RCC和RWC疏水性提升，而RCS的疏水性未見明顯變化。這可能是由于材料來源不同，毛細管作用力存在差異，同一植物的不同組織毛細管力也存在顯著差異[25-26]。

3結(jié)論與討論

（1）該研究比較了培養(yǎng)基對黃孢原毛平菌改性玉米秸稈RCS的影響，小米和麥麩固體培養(yǎng)基提供的營養(yǎng)成分更完整，同時，供氣效果更好，改性后RCS吸油量高于液體培養(yǎng)基改性。

（2）經(jīng)過黃孢原毛平菌改性21 d，RCS、RCC、RWC的吸油量分別為9.03、7.69、6.26 g/g，分別提高75.3%、85.7%和78.9%，其中RCC的吸油能力提升稍有優(yōu)勢。

（3）通過SEM、XRD分析比較了3種農(nóng)業(yè)廢棄物的結(jié)構(gòu)變化，為黃孢原平毛革菌改性農(nóng)業(yè)廢棄物制備溢油吸附劑提供理論基礎(chǔ)。

（4）毛細管作用是潤濕性、堆積密度以及顆粒粒徑的多元函數(shù)。在堆積密度和粒徑相同時，3種材料的潤濕性與油面上升速度成正比。改性后的RCC和RWC疏水性提升，而RCS的疏水性未見明顯變化。

（5）該試驗表明，利用木質(zhì)素降解菌改性農(nóng)業(yè)廢棄物，改性條件溫和，對環(huán)境影響小，吸油效果明顯，并能解決農(nóng)業(yè)固廢的處置問題。

參考文獻

[1]

NDUKA J K，EZENWEKE L O，EZENWA E T.Comparison of the mopping ability of chemically modified and unmodified biological wastes on crude oil and its lower fractions[J].Bioresource technology，2008，99（16）：7902-7905.

[2] FRANCA A S，OLIVEIRA L S，NUNES A A，et al.Microwave assisted thermal treatment of defective coffee beans presscake for the production of adsorbents[J].Bioresource technology，2010，101（3）：1068-1074.

[3] HUSSEIEN M，AMER A A，ELMAGHRABY A，et al.Availability of barley straw application on oil spill clean up[J].International journal of environmental science & technology，2009，6（1）：123-130.

[4] SUHAS，GUPTA V K，CARROTT P J M，et al.Cellulose：A review as natural，modified and activated carbon adsorbent[J].Bioresource technology，2016，216：1066-1076.

[5] CHOI H M，CLOUD R M.Natural sorbents in oil spill cleanup[J].Environmental science & technology，1992，26（4）：772-776.

[6] CHOI H M，KWON H J，MOREAU J P.Cotton nonwovens as oil spill cleanup sorbents[J].Textile research journal，1993，63（4）：211-218.

[7] BALTRENAS P，VAISˇIS V.Experimental investigation of thermal modification influence on sorption qualities of biosorbents[J].Journal of environmental engineering and landscape management，2005，13（1）：3-8.

[8] BANERJEE S S，JOSHI M V，JAYARAM R V.Treatment of oil spill by sorption technique using fatty acid grafted sawdust[J].Chemosphere，2006，64（6）：1026-1031.

[9] SUN R C，SUN X F，SUN J X，et al.Effect of tertiary amine catalysts on the acetylation of wheat straw for the production of oil sorptionactive materials[J].Comptes rendus chimie，2004，7（2）：125-134.

[10] SUN X F，SUN R C，SUN J X.Acetylation of sugarcane bagasse using NBS as a catalyst under mild reaction conditions for the production of oil sorptionactive materials[J].Bioresource technology，2004，95（3）：343-350.

[11] ANGELOVA D，UZUNOV I，UZUNOVA S，et al.Kinetics of oil and oil products adsorption by carbonized rice husks[J].Chemical engineering journal，2011，172（1）：306-311.

[12] CHAO A C，SHYU S S，LIN Y C，et al.Enzymatic grafting of carboxyl groups on to chitosanto confer on chitosan the property of a cationic dye adsorbent[J].Bioresource technology，2004，91（2）：157-162.

[13] GARCIAUBASART J，COLOM J F，VILA C，et al.A new procedure for the hydrophobization of cellulose fibre using laccase and a hydrophobic phenolic compound[J].Bioresource technology，2012，112（3）：341-344.

[14] PENG D，LAN Z L，GUO C L，et al.Application of cellulase for the modification of corn stalk：Leading to oil sorption[J].Bioresource technology，2013，137（6）：414-418.