真菌制備溢油吸附劑的綠色技術(shù)研究

彭丹，歐陽(yáng)帆，苗育，李如艷

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院, 廣東 深圳 518172）

真菌制備溢油吸附劑的綠色技術(shù)研究

彭丹，歐陽(yáng)帆，苗育，李如艷

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院, 廣東 深圳 518172）

本研究以玉米秸稈為原材料（RCS），利用黑曲霉（Aspergillus niger）與綠色木霉（Trichoderma viride）對(duì)秸稈進(jìn)行改性制備高效吸油劑。考察了溫度、時(shí)間對(duì)改性效果的影響，尋求最佳改性條件，建立真菌制備吸油劑的綠色技術(shù)。

真菌；玉米秸稈；吸油劑

人類(lèi)對(duì)能源的需求隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步與日俱增，其中石油資源是被利用最多的能源。雖然石油資源給人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了許多便利，但是人們?cè)诳碧?、開(kāi)采、運(yùn)輸、加工等過(guò)程中會(huì)造成環(huán)境污染[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均有1000萬(wàn)噸／年的石油通過(guò)海運(yùn)輸往世界各地，其中經(jīng)由各種途徑泄漏至海洋中的石油烴為600萬(wàn)噸／年。漏油進(jìn)入環(huán)境后會(huì)發(fā)生一系列的環(huán)境化學(xué)行為（見(jiàn)圖1），如不采取及時(shí)有效的措施，將會(huì)擴(kuò)大污染范圍，加劇處理難度[2]。

圖1 溢油的環(huán)境化學(xué)行為Fig.1 Environmental chemistry behavior of oil spill

對(duì)于溢油污染的修復(fù)技術(shù)，主要包括：物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)以及三種修復(fù)技術(shù)的結(jié)合技術(shù)，其中在應(yīng)急處理措施中，主要采用物理修復(fù)措施。吸油劑的應(yīng)用是物理修復(fù)措施中最為常見(jiàn)的。

吸油劑可以按組成成分劃分為無(wú)機(jī)型和有機(jī)型吸油材料，有機(jī)型材料由天然生物質(zhì)材料和合成有機(jī)材料組成。與無(wú)機(jī)吸油材料相比，有機(jī)吸油材料應(yīng)用更為廣泛。天然有機(jī)生物質(zhì)吸附劑包括泥炭蘚、秸稈、木屑、羊毛、花生殼等。將廢棄的農(nóng)業(yè)材料或副產(chǎn)品制備成各種吸附材料應(yīng)用到污染修復(fù)中，是眾多研究熱點(diǎn)之一。農(nóng)業(yè)廢棄物吸附劑可以吸收比自身重量重3到15倍的油量[3]，但是，它們表現(xiàn)出既吸水又吸油的特性，從而容易下沉不利于回收。

為了提高農(nóng)業(yè)廢棄物的利用效率，即提高材料的親油性能并降低親水性，研究人員多采用物理、化學(xué)或者生物方法對(duì)原材料進(jìn)行改性，物理、化學(xué)的方法使用最為廣泛。乙?；亲畛Ｓ玫母男赞k法。Sun 等[4,5]設(shè)計(jì)沒(méi)有有機(jī)溶劑的反應(yīng)體系，利用乙酸酐乙?；静荩瑢⒔斩捓w維中的羥基自由基轉(zhuǎn)化為乙?；瑥亩苽涑龃姿岬静荩蛊涫杷阅芴岣?。但是，在化學(xué)改性過(guò)程中，要使用大量的有毒化學(xué)試劑，使其在制備吸油材料過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，因此，本研究擬開(kāi)發(fā)微生物改性技術(shù)，將生物質(zhì)基農(nóng)業(yè)廢棄物制備高效能的溢油吸附劑，應(yīng)用于溢油事故污染水體的修復(fù)過(guò)程中。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1） 實(shí)驗(yàn)原材料

本研究選用玉米秸稈作為原材料進(jìn)行研究，收集于廣州大學(xué)城穗石村的農(nóng)田，去除葉子后在自來(lái)水下沖洗，風(fēng)干后將秸稈用植物粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，然后用篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，本實(shí)驗(yàn)選用的秸稈粒徑為20-40目。將備用材料置于烘箱內(nèi)，于60℃下烘干至恒重，取出冷卻保存在干燥器中。

實(shí)驗(yàn)原油取自廣州石油化工集團(tuán)。模擬實(shí)際漏油環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)前將原油置于通風(fēng)櫥內(nèi)48 h，讓輕質(zhì)化合物揮發(fā)，從而獲得真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（本實(shí)驗(yàn)所用油品的性質(zhì)見(jiàn)表1所示）。實(shí)驗(yàn)中用到的主要化學(xué)試劑購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。

表1 油基本性質(zhì)Tab. 1 Basic properties of crude oil

（2）真菌來(lái)源

本實(shí)驗(yàn)采用一株綠色木霉（Trichoderma viride）和黑曲霉（Aspergillus niger），綠色木霉來(lái)源為廣東省微生物菌種保藏中心GIM3.141，黑曲霉為本實(shí)驗(yàn)室保藏菌株，菌株在4℃下保存于馬鈴薯斜面培養(yǎng)基上。

（3）培養(yǎng)基組成

本實(shí)驗(yàn)對(duì)于黑曲霉改性和綠色木霉改性分別采用不同的培養(yǎng)基：

（1）黑曲霉的培養(yǎng)基

將玉米秸稈進(jìn)行黑曲霉改性時(shí)的，所使用的固體發(fā)酵培養(yǎng)基為察氏培養(yǎng)基（Czapek-Dox Medium），其主要的組成見(jiàn)表2。

表2 察氏培養(yǎng)基配方Tab. 2 Czapek-Dox Medium

（2）綠色木霉?fàn)I養(yǎng)液

綠色木霉改性時(shí)添加Mandel營(yíng)養(yǎng)液（見(jiàn)表3）。

表3 Mandel 營(yíng)養(yǎng)液Tab.3 Nutrient solution formulaof Mandel

1.2 吸油量的測(cè)定

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用重量法作為吸油量測(cè)定的方法。

稱(chēng)量吸油劑重量：0.2 g改性后的玉米秸稈；

稱(chēng)量恒重的表面皿重量、200目吸油網(wǎng)的重量，分別記為m1（g）和m2（g）；

室溫下，將吸油劑置于吸油網(wǎng)上，并沒(méi)入含原油的水體中，將吸油裝置在60-70 rpm的搖床中振蕩1h；

取出瀝干10min后，置于表面皿中稱(chēng)量，記為m3（g）。利用式1，可計(jì)算得到單位質(zhì)量材料的吸油量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)綠色木霉和黑曲霉兩種真菌的最適生長(zhǎng)環(huán)境為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，考察環(huán)境因子時(shí)間和溫度對(duì)兩種真菌改性玉米秸稈制備吸油劑的影響。實(shí)驗(yàn)步驟如下：將經(jīng)過(guò)121℃高溫濕熱滅菌的玉米秸稈（干重量為1.5g）置于100ml錐形瓶中，添加一定量的菌懸液和外加營(yíng)養(yǎng)液，然后翻動(dòng)秸稈使其混勻，在以下條件下利用兩種真菌對(duì)玉米秸稈進(jìn)行改性[6]。

在溫度為30 ℃下，固液比（即玉米秸稈重量：營(yíng)養(yǎng)液體積，g/ml）為1:3時(shí)，在不同的改性時(shí)間下取出玉米秸稈，測(cè)定改性后材料的吸油量，時(shí)間水平設(shè)為2、4、6、8、10和12d，比較吸油量確定最佳改性時(shí)間；溫度水平選擇在25、30、35和40℃下，確定最佳改性溫度。每個(gè)水平均做兩個(gè)平行樣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 培養(yǎng)時(shí)間對(duì)改性玉米秸稈吸油量的影響

根據(jù)柱狀圖2分析，黑曲霉改性前6天，玉米秸稈的吸油量隨著改性時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高，吸油量在第6天達(dá)到最高，為14.86 g/g，隨后，吸油量隨著改性時(shí)間的延長(zhǎng)反而稍有下降，吸油量也基本維持在13-14 g/g。由圖3可知，綠色木霉改性玉米秸稈在第6天時(shí)吸油量達(dá)到峰值，為11.57g/g，相比黑曲霉改性6天的玉米秸稈，改性效果較差，但兩種真菌改性后秸稈吸油量均較原材料有大幅度增長(zhǎng)，分別提高了125.8%和75.84%。6天后，隨著改性時(shí)間延長(zhǎng)玉米秸稈吸油量有所下降，但與玉米秸稈原材料相比仍有明顯提升。

圖2 黑曲霉改性與玉米秸稈制備的吸附劑的吸油量變化Fig.2 Oil Sorption of con stalk modified by a Niger

圖3 綠色木霉改性時(shí)間對(duì)吸油量的影響Fig.3 Effect of modification time on the oil sorption by Trichoderma viride

2.2 培養(yǎng)溫度對(duì)改性玉米秸稈吸油量的影響

溫度是影響真菌活力的主要因素之一，根據(jù)圖4所示，黑曲霉隨著溫度上升，生長(zhǎng)代謝能力受到促進(jìn)，酶產(chǎn)量逐漸達(dá)到最佳，在30℃時(shí)活性最佳，此溫度下改性的玉米秸稈效果最佳，吸油量為13.91 g/g。根據(jù)圖5所示，綠色木霉在25℃時(shí)活性最佳，此溫度下改性的玉米秸稈效果最佳，吸油量為13.84 g/g。而后，隨著溫度的升高，玉米秸稈吸油量呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)比，溫度過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，真菌的生長(zhǎng)代謝受到抑制，酶的活性及產(chǎn)酶量都低，黑曲霉和綠色木霉最佳最生長(zhǎng)溫度分別為28-37℃和25-35℃，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在最佳溫度下，黑曲霉和綠色木霉改性玉米秸稈吸油量比原材料分別提高了125.8%和110.33%。

圖4 黑曲霉培養(yǎng)溫度對(duì)吸油量的影響Fig.4 Effect of modification temperature on the oil sorption by Aspergillus Niger

圖5 綠色木霉培養(yǎng)溫度對(duì)吸油量的影響Fig.5 Effect of modification temperature on the oil sorption Trichoderma viride

2.3 掃描電子顯微鏡（SEM）表征

從掃描電鏡圖6觀察可以知道，玉米秸稈原材料（RCS）的表面結(jié)構(gòu)致密平整，內(nèi)部纖維緊密排列，而玉米秸稈經(jīng)過(guò)黑曲霉改性后（ANCS），材料表面呈現(xiàn)凹槽，內(nèi)部孔隙增加，纖維間被真菌菌絲脹開(kāi)，增加了材料的比表面積，孔隙和比表面積為玉米秸稈吸附溢油提供了更多的位點(diǎn)，所以提高了秸稈的吸油量。綠色木霉改性后的玉米秸稈（TVCS）表面變得粗糙多褶，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未如ANCS一樣打開(kāi)，這也是TVCS吸油量小于ANCS的原因。電鏡圖為兩種真菌改性玉米秸稈吸油能力提供了理論依據(jù)，從微觀結(jié)構(gòu)變化說(shuō)明改性后的玉米秸稈比原材料吸油量和吸油速度提高的原因。

圖6 RCS、ANCS、TVCS的掃描電鏡圖Fig.6 SEM of RCS、ANCS、TVCS

3 結(jié)束語(yǔ)

黑曲霉和綠色木霉改性玉米秸稈制備吸油劑的時(shí)間均在第6天最佳，而對(duì)于溫度的影響，兩種真菌呈現(xiàn)不同的響應(yīng)，黑曲霉在30℃最佳，而綠色木霉為25℃。比較真菌改性前后玉米秸稈的吸油量，均有顯著提升，說(shuō)明利用真菌改性技術(shù)是制備吸油劑的一條綠色途徑。

[1] Annunciado, T.R., T.H. Sy denstricker, and S.C. Amico, Experimental investigation of various vegetable fibers as sorbent materials for oil spills[J]. Marine pollution bulletin, 2005. 50(11): 1340-6.

[2] Payne, K.C., et al., Oil spills abatement: factors affecting oil uptake by cellulos ic fibers[J]. Environmental science & technology, 2012. 46(14): 7725-30.

[3] Zou, J., Magnetic pomelo peel as a new absorption material for oil polluted water[J]. Desalination and Water Treatment, 2016. 57(27): 12536-12545.

[4] Sun, X.F., R.C. Sun, and J.X. Sun, Acetylation of rice straw with or without catalysts and its characterization as a natural sorbent in oil spill cleanup[J]. Journal of Agri cultural and Food Chemistry, 2002. 50(22): 6428-6433.

[5] Sun, X.F., R.C. Sun, and J.X. Sun, Acetylation of sugarcane bagasse using NBS as a catalyst under mild reaction conditions for the production of oil sorption-active materials[J]. Bioresource Technology, 2004. 95(3): 343-50.

[6] 藍(lán)舟琳, 彭丹，郭楚玲等, 綠色木霉改性玉米秸稈溢油吸附劑的制備及其性能研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2013. 34(4): 1605-1610. LAN Zhoulin, PENG Dan, GUO Chuling, et al., Preparation and Performance Investigation of Trichodermaviride-Modified Corn Stalk as Sorbent Materials for Oil Spills[J]. ENVIRONMENTAL SCIENCE, 2013. 34(4): 1605-1610. (in Chinese)

The research of preparing oil sorbent by fungus in a green way

PENG Dan, OUYANG Fan, YU Miao, LI Ruyan
（School of Traffic and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172 , P.R.China）

In this research, the corn straw was used as raw material, and modified by Aspergillus Niger and Trichodermaviride to preparation of high efficient oil s orbent. The influence of tem perature and time on the modification was investigated, and the optimum modification conditions were found. The green preparation of oil sorbent by fungus was established.

Fungus; Corn straw; Oil sorbent

X52

：A

1672-6332（2017）01-0033-05

【責(zé)任編輯：高潮】

2017-03-28

深圳市科技計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：JCYJ20150417094158012；JCYJ20160415114215737）；深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院第六批教育教學(xué)研究課題（項(xiàng)目編號(hào)：2016jgqn03）

彭丹（1983-），女（漢），湖南湘潭人，博士，講師，主要研究方向：水污染修復(fù)技術(shù)。E-mail：pengd@sziit.edu.cn