玄武巖纖維表面改性對(duì)生物膜附著性能的影響

張曉穎，榮新山, 2，徐吉成，周向同, 2，吳智仁, 2

(1 江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2 江蘇大學(xué) 環(huán)境健康與生態(tài)安全研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3 鎮(zhèn)江市高等專科學(xué)校 醫(yī)藥與化材學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

生物膜法是一種常見的水處理工藝，其實(shí)質(zhì)是利用附著生長(zhǎng)在載體表面的微生物代謝作用對(duì)污/廢水中的污染物進(jìn)行吸附、轉(zhuǎn)化和分解，進(jìn)而達(dá)到凈化污/廢水的目的[1]。微生物附著在載體表面生長(zhǎng)繁殖，并通過(guò)自身代謝作用分泌的胞外聚合物(EPS，主要成分為多糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂類等)相互黏結(jié)形成膜狀聚集體[2]。因此，載體是生物膜的主體部分，其表面性能可直接影響生物膜中微生物的種類、數(shù)量、活性、傳質(zhì)和污/廢水處理效果，所以研發(fā)合適載體至關(guān)重要[3-4]。Guo等[5]報(bào)道了親水性的載體有助于微生物的初始黏附，進(jìn)而促進(jìn)生物膜的形成和生長(zhǎng)。Fernández等[6]的研究表明在載體表面引入親水基團(tuán)可以明顯改善微生物的初始黏附能力和生物活性。

目前，常見的生物載體可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類[7-9]。玄武巖纖維(basalt fiber, BF)是一種新型的無(wú)機(jī)纖維生物膜載體，其主要成分為SiO2,Al2O3,CaO,MgO和FexOy等氧化物，直徑一般為7～20μm[10]。由于BF具有成本低、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異和力學(xué)性能突出等優(yōu)勢(shì)，在生物載體研究領(lǐng)域已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注[11-14]。然而，BF是一種無(wú)機(jī)纖維，表面無(wú)羧基、羥基等極性親水基團(tuán)，在水中不易分散，呈現(xiàn)疏水性，其生物親和性一般，進(jìn)而影響其在污/廢水處理中作為生物載體的掛膜效果。因此，通過(guò)引入親水基團(tuán)，對(duì)BF進(jìn)行表面改性處理，增強(qiáng)BF的生物親和性，提高BF表面生物膜的附著性能，具有重要的研究意義。

殼聚糖是一種含有大量氨基(—NH2)和羥基(—OH)等親水基團(tuán)的天然堿性多糖[15]，具有來(lái)源豐富、安全無(wú)毒、生物親和性好和微生物固定效率高等優(yōu)點(diǎn)，已在生物膜載體領(lǐng)域中受到廣泛的重視[16-17]。低濃度的殼聚糖溶液的黏度較高，在干燥過(guò)程中分子排列規(guī)整易形成氫鍵，從而形成殼聚糖膜。因此，本工作采用殼聚糖對(duì)BF表面進(jìn)行改性處理，利用其本身的黏附能力使親水性基團(tuán)包裹在BF表面，制得改性玄武巖纖維(surface-modified basalt fiber, MBF)。MBF表面富含殼聚糖中的親水基團(tuán)，具有良好的親水性，有助于胞外聚合物附著在表面，促進(jìn)更多的生物量附著，從而形成均勻致密的生物膜，進(jìn)而提高污/廢水處理效率。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玄武巖纖維，CBF13-1200，江蘇綠材谷新材料科技有限公司，直徑13μm，線密度1200tex；冰醋酸、氫氧化鈉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；殼聚糖，生物試劑，山東優(yōu)索化工科技有限公司；去離子水，自制。

1.2 BF表面處理

將一定量的殼聚糖加入到0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) 的稀CH3COOH溶液中，在30℃下持續(xù)攪拌5h，配制成1%的殼聚糖溶液[18]。向殼聚糖溶液中滴加0.2%的NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH值為7.5，得到白色混濁的殼聚糖凝膠。稱取一定量的BF(mBF)，加入到殼聚糖凝膠中，均勻通入CO2氣體，在30℃下浸泡4h后取出，移至75℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥。干燥后的BF樣品即為表面涂覆殼聚糖的MBF(mMBF)，MBF制備示意圖見圖1。殼聚糖的包裹率ω按式(1) 計(jì)算。

圖1 MBF的制備示意圖Fig.1 Scheme for the preparation of MBF

(1)

1.3 載體性能表征

結(jié)構(gòu)表征：采用傅立葉變換紅外光譜儀(ATAVAR360型)分析BF表面改性前后的官能團(tuán)的變化，以KBr壓片法制樣，掃描波長(zhǎng)范圍 4000～400cm-1；采用X射線光電子譜儀(ESCALABTM 250Xi型)分析纖維的化學(xué)組成成分，測(cè)試條件為單色AlKα衍射，測(cè)試電壓15kV，真空系統(tǒng)壓力10-7Pa，以C1s的284.6eV為能量校正標(biāo)準(zhǔn)。

表面形貌：采用掃描電子顯微鏡(S-4800型)和原子力學(xué)顯微鏡(Prima型)表征BF和MBF的微觀形貌和表面粗糙度。

親水性：將玄武巖纖維絲固定在接觸角儀(SDC-200型)的固定架兩端，用納升級(jí)微量注射器將水滴滴至纖維絲上，用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定表面改性前后玄武巖纖維的接觸角。

分散性能分析：將BF和MBF浸沒(méi)在裝有去離子水的燒杯中，觀察其在水中的分散情況，并用相機(jī)記錄。

1.4 生物膜附著性能評(píng)價(jià)

掛膜實(shí)驗(yàn)前取某污水處理廠活性污泥在恒溫反應(yīng)器(1L，30℃)中培養(yǎng)24h，混合液污泥濃度(MLSS)約為4000mg/L，用Na2CO3溶液將混合液的pH值調(diào)節(jié)至7.5。將干燥的BF和MBF樣品(m1)置于混合液中，連續(xù)曝氣至掛膜平衡，取出并烘干至恒重(m2)。掛膜率R按式(2) 計(jì)算[19]。

(2)

掛膜實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，R取3次結(jié)果的平均值。采用徠卡顯微鏡(DM2500型)和掃描電子顯微鏡對(duì)掛膜后BF和MBF樣品進(jìn)行觀察，分析二者表面附著的生物膜生長(zhǎng)情況。

掛膜反應(yīng)結(jié)束后，將掛膜后的纖維樣品采用乙醇溶液輕輕搓洗，烘干，采用掃描電子顯微鏡觀察纖維是否出現(xiàn)斷絲、老化等現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

2.1 BF表面涂覆殼聚糖的機(jī)理分析

2.2 BF和MBF的表面官能團(tuán)分析

對(duì)表面處理前后的玄武巖纖維進(jìn)行紅外表征，結(jié)果見圖2。如圖2所示，在BF的紅外光譜圖中，445cm-1處對(duì)應(yīng)的是Si—O—Si(或Si—O—Al)的彎曲振動(dòng)和Ca—O伸縮振動(dòng)峰的耦合帶，在755cm-1和995cm-1處分別對(duì)應(yīng)的是Si—O—Si的對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，在3425cm-1處較弱的吸收峰歸屬于水分子的伸縮振動(dòng)[20]。

圖2 BF和MBF的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of BF and MBF

對(duì)比BF的紅外光譜，MBF的紅外光譜中在898cm-1處出現(xiàn)糖苷基的特征吸收峰；在1423cm-1和2875cm-1處分別歸屬于—CH2—的彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)吸收峰；在1560cm-1處歸屬于—NH2伸縮振動(dòng)吸收峰；在1651cm-1處為酰胺鍵伸縮振動(dòng)吸收峰；在2920cm-1處為次甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰；在3400cm-1處為—OH和N—H伸縮振動(dòng)重疊的多重吸收峰[21]。上述結(jié)果表明殼聚糖已成功涂覆在BF表面。

2.3 BF和MBF的成分分析

圖3 XPS的譜圖 (a)BF和MBF的全譜；(b)MBF的Si2p;(c)MBF的C1s;(d)MBF的N1sFig.3 XPS spectra (a)survey spectra of BF and MBF;(b)Si2p of MBF;(c)C1s of MBF;(d)N1s of MBF

2.4 BF和MBF的表面形貌分析

采用掃描電鏡對(duì)BF和MBF進(jìn)行表面分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，BF表面光滑，無(wú)凸起物。MBF的表面較為粗糙，出現(xiàn)一些凸起物，這些是殼聚糖在MBF表面涂覆時(shí)聚集所導(dǎo)致的。由表1可以看出，殼聚糖的包裹率為(23.32±0.51)%。由原子力學(xué)顯微鏡測(cè)得表面粗糙度Ra由84.47nm(BF)增加至209.04nm(MBF)。表面粗糙度的增加有利于增大微生物與纖維載體的接觸面積，可促進(jìn)微生物在MBF表面的附著。

圖4 BF(a)和MBF(b)的SEM圖Fig.4 SEM images of BF(a) and MBF(b)

表1 BF和MBF的表面粗糙度和掛膜率Table 1 Surface roughness degree and the microorganism immobilization rate of BF and MBF

圖5 BF(a)和MBF(b)的接觸角圖片F(xiàn)ig.5 Water contact angle images of BF (a) and MBF (b)

2.5 BF和MBF的親水性和水中分散性分析

玄武巖纖維表面處理前后的接觸角分析結(jié)果見圖5。由圖5可知，BF呈現(xiàn)疏水狀態(tài)，接觸角為125.31°。MBF的接觸角為66.62°，具有明顯的親水性。這是由于經(jīng)過(guò)殼聚糖改性的玄武巖纖維表面含有大量的親水基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)改善BF親水性的目的，而親水性的載體有利于微生物的初始黏附，因此，MBF具有較好的生物親和性。

圖6為玄武巖纖維表面處理前后在水中分散效果的照片。表面涂覆殼聚糖前，BF在水中不易分散，呈聚集狀態(tài)，這是因?yàn)锽F表面親水性較差，無(wú)法與水分子之間形成氫鍵作用力。而MBF在水中的分散性得到明顯的改善，主動(dòng)分散為扇狀。這是因?yàn)镸BF表面涂覆了殼聚糖，引入了大量的—OH和—NH2親水基團(tuán)，將BF的表面由疏水性轉(zhuǎn)變成親水性，從而提高了其在水中的分散性。提升纖維載體在水中的分散效果有助于增大污水中有機(jī)物與纖維載體的有效接觸面積，進(jìn)而促進(jìn)更多的微生物附著在載體表面，達(dá)到提高污/廢水處理效率的目的。

圖6 BF (a) 和MBF (b) 在水中分散的效果圖Fig.6 Photos of the dispersion in water of BF (a) and MBF (b)

2.6 BF和MBF的生物膜附著性能分析

圖7為BF和MBF曝氣掛膜后的效果圖。由圖7可知，MBF的生物膜附著量明顯增加，說(shuō)明微生物更傾向于附著在親水性的玄武巖纖維表面，玄武巖纖維的生物親和性得到明顯改善。此外，對(duì)比BF的掛膜率(129.27±1.23)%，MBF增加至(179.92±2.63)%(見表1)，且掛膜量提高了39.18%。這主要是由于改善親水性有利于降低污水中的有機(jī)物與改性后玄武巖纖維的水接觸角，為微生物提供良好的生存環(huán)境，促進(jìn)更多的微生物吸附并附著在MBF表面；另一方面，改善MBF的親水性可提高M(jìn)BF在水中的分散性能，可明顯增加微生物與纖維之間的有效接觸面積，進(jìn)而加快微生物在MBF表面的固定，促使生物膜在MBF表面生長(zhǎng)、繁殖。

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)BF和MBF表面形成的生物膜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察分析，結(jié)果見圖8。如圖8所示，MBF和BF在掛膜后均未出現(xiàn)斷絲老化現(xiàn)象，纖維完整無(wú)損，說(shuō)明兩者具有良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。此外，MBF表面形成的生物膜較為均勻，且出現(xiàn)菌膠團(tuán)，表明生物膜生長(zhǎng)良好，生物活性較高。殼聚糖因具有微生物可降解性，在生物膜形成過(guò)程中，表層的殼聚糖會(huì)逐步被微生物代謝分解；原附著在載體上的生物膜逐漸成熟、脫落，后續(xù)微生物依附于胞外聚合物形成新的生物膜，維持動(dòng)態(tài)平衡。將掛膜后的BF和MBF置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。MBF表面被胞外聚合物緊緊包裹，而BF表面形成的生物膜稀松不均勻，只有少許胞外聚合物附著。結(jié)果表明，經(jīng)殼聚糖改性處理的玄武巖纖維可促使微生物初始黏附，使得更多的胞外聚合物吸附在載體表面，進(jìn)而促進(jìn)更多的生物量附著，從而形成均勻致密的生物膜。

圖7 BF(a)和MBF(b)的掛膜效果圖Fig.7 Photos of microorganism immobilization test of BF (a) and MBF (b)

圖8 BF(a)和MBF(b)的OM照片F(xiàn)ig.8 Optical micrographs of BF (a) and MBF (b)

圖9 掛膜后BF(a)和MBF(b)的SEM圖Fig.9 SEM images of BF (a) and MBF (b) after the microorganism immobilization tests

采用乙醇溶液對(duì)掛膜后的樣品輕輕搓洗，烘干后對(duì)樣品進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，MBF仍保持BF本身優(yōu)異的力學(xué)性能，二者表面均未出現(xiàn)斷絲、老化等現(xiàn)象。因此，為了確保殼聚糖改性玄武巖纖維的優(yōu)異性能，可再次涂覆殼聚糖后反復(fù)使用。

圖10 乙醇洗滌后BF(a)和MBF(b)的SEM圖Fig.10 SEM images of BF (a) and MBF (b) after washed with C2H5OH

3 結(jié)論

(2)BF表面光滑，MBF表面覆蓋著殼聚糖薄膜，MBF的表面粗糙度為209.04nm，水接觸角為66.62°，掛膜率為(179.92±2.63)%。

(3)由殼聚糖改性的玄武巖纖維，親水性和水中分散性得到明顯改善，改性后的玄武巖纖維表面形成的生物膜致密均勻，生物膜附著量增加，活性較高，有利于提高污/廢水處理效果。