环境科学  2015, Vol. 36 Issue (4): 1374-1378   PDF    
引用本文
许晴, 侯正浩, 田秀蕾, 牛春梅, 郭延凯, 廉静, 郭建博. 醌基功能型高分子生物载体(PET-AQS)制备及催化生物反硝化特性研究[J]. 环境科学, 2015, 36(4): 1374-1378.
XU Qing, HOU Zheng-hao, TIAN Xiu-lei, NIU Chun-mei, GUO Yan-kai, LIAN Jing, GUO Jian-bo. Preparation and Characterization of Quinone Functional Polymer Biocarrier (PET-AQS) for Biodenitrification Catalysis[J]. Environmental Science, 2015, 36(4): 1374-1378.
醌基功能型高分子生物载体(PET-AQS)制备及催化生物反硝化特性研究
许晴1, 侯正浩1, 田秀蕾2, 牛春梅1, 郭延凯2, 廉静2, 郭建博1,2     
1. 河北科技大学材料科学与工程学院, 石家庄 050018;
2. 河北科技大学环境科学与工程学院, 河北省污染防治生物技术实验室, 石家庄 050018
收稿日期: 2014-09-25; 修订日期: 2014-11-26.
基金项目： 河北省高校百名优秀创新人才支持计划项目(BR2-211); 河北省杰出青年科学基金项目(E2012208012); 国家自然科学基金青年科学基金项目(51208170); 河北省高等学校高层次人才科学研究项目(GCC2014045)
作者简介：许晴(1988~),女,硕士研究生,主要研究方向高分子功能材料,E-mail:tkldwx@163.com
通讯联系人,郭建博,jianbguo@163.com
摘要：通过化学合成,将蒽醌磺酸钠(AQS)固定在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上形成醌基功能型高分子生物载体并研究其在生物反硝化上的应用. 通过红外光谱衰减全反射法(ATR-IR)和能谱(EDS)分析,醌基基团成功固定在高分子表面,且醌基质量摩尔浓度为0.1406 mmol ·g-1. 醌基功能型高分子生物载体(PET-AQS)能加速生物反硝化,且速率常数Kx与载体投加浓度呈零级反应动力学. 在投加PET-AQS 0.0562 mmol的反硝化体系中,循环使用10次,反硝化速率均是空白体系的1.2倍以上,表明PET-AQS具有良好的重复利用稳定性,有利于实际应用.
关键词： 功能生物载体     氧化还原介体     高分子材料     固定化     反硝化    
Preparation and Characterization of Quinone Functional Polymer Biocarrier (PET-AQS) for Biodenitrification Catalysis
XU Qing1, HOU Zheng-hao1, TIAN Xiu-lei2, NIU Chun-mei1, GUO Yan-kai2, LIAN Jing2, GUO Jian-bo1,2     
1. School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China;
2. Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China
Abstract: Anthraquinone sodium sulfonate (AQS) was immobilized on polyethylene terephthalate (PET) by chemical synthesis, forming quinone functional polymer biocarrier (PET-AQS), and its characteristics in biodenitrification catalysis were analyzed. Quinone group was demonstrated to be successfully immobilized on the surface of the polymer and the concentration of immobilized quinone was 0.1406 mmol ·g-1 by Attenuated Total Reflectance Spectrometry (ATR-IR) and Energy Dispersive Spectrometry (EDS). The PET-AQS could accelerate biodenitrification. The relationship between the denitrification rate constant (Kx) and the PET-AQS concentration (cPET-AQS) obeyed the pseudo-zero order kinetics. After ten rounds of recycling in the biodenitrification system with approximately 0.0562 mmol quinone, the denitrification rate was kept at more than 1.2 times of the blank system. This indicated that PET-AQS exhibited a good operational stability and was beneficial to practical application.
Key words: functional biocarrier     redox mediator     polymer material     immobilization     denitrification    

随着现代工业的快速发展，引发的环境问题也日益严峻. 其中大量含硝酸盐氮废水成为主要的水体污染源[1,2]. 水体中硝酸盐氮超标，导致一些藻类过量繁殖进而引起水体富营养化，水生生物死亡，威胁人类身体健康[3, 4, 5]. 目前，生物法是具有实际应用前景的反硝化处理方法[6, 7, 8]. 但生物法也存在着反应速率慢，处理周期长的问题，因而提高生物反硝化效率成为研究的热点.

目前，提高反硝化速率的研究方向包括反应器构造的优化[9]、 新型反硝化原理和技术探索[10]和优势菌的筛选[11]等，其中介体催化反硝化新技术成为关注热点[12]. 近年来研究表明，醌类氧化还原介体能加速一些难降解污染物的生物转化过程，而醌基基团是加速生物转化污染物过程的主要活性官能团[13, 14, 15]. 其能够从氧化态与还原态之间进行可逆转化，进而加速生物代谢过程中电子传递速率或改变电子传递途径[16, 17, 18, 19]. 赵丽君等[20]利用蒽醌磺酸钠(AQS)调控亚硝酸盐反硝化特性，研究表明AQS在反硝化过程中起到辅酶和加速反硝化过程中的电子传递速率的作用. 李海波等[21]研究表明AQS、 蒽醌-2-磺酸钠(AQDS)等水溶性醌类氧化还原介体催化生物反硝化研究. 但是水溶性醌类氧化还原介体需要连续投加保持生物转化效率，导致对水环境造成二次污染，原料浪费以及成本增加的问题. 与之相比，非水溶性醌类氧化还原介体得到广泛关注，Guo等[22,23]采用海藻酸钙包埋，Cervantes等[16]采用离子交换树脂物理化学吸附，Lu等[24]采用聚氨酯和聚酯化学接枝等方法制备非水溶介体[25]. 然而，以上方法也存在一些缺点例如海藻酸钙/琼脂机械强度不高，离子交换树脂易发生解吸附等缺点.

本研究综合以上的优缺点，鉴于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的高分子材料化学性质稳定、 物理机械性能优良、 具有生物相容性和耐疲劳性的特征，及其在酸、 碱条件打开酯键，形成羧基和羟基官能基团，易于通过化学方法固定AQS的特性，制备醌基功能型高分子生物载体(PET-AQS),并且利用该功能生物载体进行生物反硝化的基础实验研究.

1 材料与方法 1.1 主要试剂

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，石家庄恒佳丝网制品有限公司； 9,10-蒽醌-2-磺酸钠(AQS)，重庆跨越(集团)股份有限公司； 乙二胺，天津市大茂化学试剂有限公司； 氯磺酸，成都艾科试剂有限公司. 其他实验试剂均采用分析纯，天津市永大化学试剂有限公司.

1.2 醌基修饰聚对苯二甲酸乙二醇酯

通过对聚对苯二甲酸乙二醇酯胺解，在载体表面形成大量的胺基，采用化学方法实现9,10-蒽醌-2-磺酰氯(ASC)与PET的合成，制备出醌基修饰聚对苯二甲酸乙二醇酯.

将2 g PET(2 cm×2 cm)和100 mL乙二胺加入到150 mL四口圆底磨口烧瓶中，同时，加入32.5 mmol氢氧化钠作为催化剂，升温至40℃，反应5 h后停止. 将产物-胺化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-NH2)用蒸馏水冲洗3~5次，直至表面呈中性，再放置于60℃干燥箱干燥备用. 9,10-蒽醌-2-磺酰氯(ASC)由9,10-蒽醌-2-磺酸钠(AQS)制备合成，合成方法参照文献[26].

将一定量ASC充分溶解在90 mL二氯甲烷，再将此溶液与PET-NH2加入到四口圆底磨口烧瓶中，使得PET-NH2 ∶ASC=1 ∶5.5，同时再加入30 mL 8 mmol ·L-1的氢氧化钠溶液，升温至40℃，反应5 h后停止. 将产物-醌基功能型高分子生物载体(PET-AQS)分别用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和蒸馏水洗涤3~5次，直至表面呈中性，再放置于60℃干燥箱干燥备用.

1.3 醌基功能型高分子生物载体催化生物反硝化研究

菌种来自本实验室驯化分离的反硝化菌种Paracoccus versutus菌株GW1(GenBank登录序号： GU111570). 将菌株GW1按10%接种量接到250 mL反硝化培养基[26]中35℃恒温摇床中140r ·min-1培养，待菌液初始浊度为0.3左右，加入硝酸盐的储备液及一定量的PET-AQS，使得最终混合液中硝酸盐的浓度为300mg ·L-1(每组实验设置2个平行样，每组实验重复3次). 此反硝化实验在35℃恒温生化培养箱中静置培养，确保厌氧条件，每2 h进行取样测定.

1.4 分析方法

采用红外光谱衰减全反射法(ATR-IR，Nicolet6700/FT-Raman modules，美国)测定醌基修饰前后聚对苯二甲酸乙二醇酯的化学结构； 采用能谱分析(EDS，KYKY-AMRAY-1000B，德国)测定修饰在功能生物载体上醌基含量； 硝酸盐氮采用紫外分光光度法测定[27]，亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定[27](UV-2600，上海天美)； 氧化还原电位采用ORP电极(雷磁)测定； pH采用酸度计测定(DELTA-320，上海梅特勒).

2 结果与讨论 2.1 红外光谱和能谱分析

PET和PET-AQS的红外光谱图如图 1所示. 与PET相比，PET-AQS在波数为1 542.3 cm-1处出现新的吸收峰，是乙二胺胺解PET形成酰胺基团N—H的弯曲振动； 在波数为1 675.1 cm-1处的吸收峰代表醌基两个C O在一个环上的伸缩振动，而在PET的红外光谱图中无此基团的存在，证明醌基基团已经成功地接枝在聚对苯二甲酸乙二醇酯载体上.

图 1 PET和PET-AQS的红外光谱图Fig. 1 Fourier infrared spectra of PET and PET-AQS

PET、 PET-NH2和PET-AQS的元素组成及其质量分数如表 1所示. 与PET相比，PET-NH2的元素中有N，表示PET进行了胺解反应，且胺基的含量为4.23mmol ·g-1. 与PET-NH2相比，PET-AQS的元素中有S，表示醌基(9,10-蒽醌-2-磺酰氯)已

经与PET-NH2中的胺基反应，形成磺酰胺基团，且醌基的质量摩尔浓度为0.140 6mmol ·g-1. 红外光谱和能谱均证明醌基成功修饰聚对苯二甲酸乙二醇酯，合成了醌基功能型高分子生物载体PET-AQS.

表 1 PET、 PET-NH2和PET-AQS的能谱分析Table 1 Energy spectrum analysis of PET,PET-NH2,and PET-AQS
2.2 PET-AQS浓度对菌株GW1反硝化过程的影响

设置4种不同醌基量的PET-AQS，分别为0、 0.056 2、 0.168 7和0.281 2 mmol，考察PET-AQS浓度对菌株GW1反硝化的影响. 实验结果如图 2所示，在0~0.281 2 mmol范围内，随着PET-AQS投加量的增加对硝酸盐降解的加速效果越明显，硝酸盐14 h的去除率由52.72%增加到73.57%.

结果表明，在一定范围内增加醌基的投加量，能加速生物反硝化作用. 同时，由实验可以得出速率常数Kx [mg ·(L ·h)-1]随着醌基浓度的增加而增加. 通过Origin软件进行线性拟合，硝酸盐降解速率与醌基浓度呈正相关关系： 

Kx=6.651 0 ·cPET-AQS+8.565 7

R2=0.962 0

图 2 PET-AQS浓度对硝酸盐降解的影响Fig. 2 Effect of PET-AQS concentration on nitrate degradation
2.3 PET-AQS的重复利用稳定性

采用PET-AQS对硝酸盐生物降解进行循环实验，验证其重复利用稳定性. 实验结果如图 3所示，在循环使用10次实验过程中，PET-AQS体系的反硝化速率(v PET-AQS)均是空白体系的反硝化速率(v空白)的1.2倍以上. 且随着实验次数的增加，反硝化速率比值没有剧烈波动，说明在重复循环使用过程中PET-AQS的化学结构没有发生变化，醌基没有流失. 本实验验证了PET-AQS具有良好的重复利用稳定性和生物相容性，也证实醌基与PET的化学合成酰胺键稳定牢固.

图 3 PET-AQS调控反硝化重复实验效果Fig. 3 Accelerating effect of PET-AQS on denitrification for repeat experiments
2.4 PET-AQS调控反硝化过程中pH和ORP的变化

反硝化作用是反硝化细菌的产碱及硝酸盐呼吸的过程，所以测定反硝化实验中的pH和ORP的变化，有利于考察PET-AQS对加速反硝化作用. 在PET-AQS调控生物反硝化过程中pH和ORP的变化如图 4、 图 5所示.

图 4 反硝化过程中pH的变化Fig. 4 Change of pH during the denitrification process

图 5 反硝化过程中ORP的变化Fig. 5 Change of ORP during the denitrification process

由图 4结果可以得出，在反硝化过程中，体系的pH随着硝酸盐浓度的降低逐渐增高，并且最终达到稳定，这是由于反硝化过程中产生HCO-3/CO2-3共轭酸碱对，对体系溶液的碱度达到稳定[28]. 然而，空白对照体系与添加PET体系的pH稳定值相差不大，稳定在9.4左右. 添加PET-AQS体系的pH稳定值比空白对照体系的pH要高，为9.6左右，表明PET-AQS在反硝化过程中能加速硝酸盐降解，反硝化效率高，所以该体系的最终稳定pH要比空白对照体系高.

氧化还原电位(ORP)可以表征反硝化体系中硝酸盐呼吸反应的宏观的氧化-还原特性. 在反硝化初期，溶液中包含微量的溶解氧和氮的氧化物，导致体系ORP迅速降低[29]，如图 5所示. 随着反硝化进行，体系中硝酸盐降解占据主导反应，最终体系的ORP达到硝酸盐的氧化-还原电位. 空白对照体系的ORP最终稳定在-375 mV，PET-AQS体系的ORP下降趋势比空白体系快，且最终稳定在-400 mV. 即PET-AQS能促进反硝化作用，使体系进入较低的稳定还原态环境，有利于硝酸盐的生物还原.

3 结论

(1) 通过红外光谱衰减全反射法和能谱分析，醌基功能型高分子生物载体(PET-AQS)成功合成，且醌基的质量摩尔浓度为0.140 6 mmol ·g-1.

(2) PET-AQS作为生物功能载体能加速生物反硝化作用，且硝酸盐降解速率常数与载体投加浓度呈线性正相关性： Kx=6.651 0·cPET-AQS+8.565 7 (R2=0.962 0).

(3) 研究表明，投加PET-AQS的反硝化体系与空白对照相比，体系的pH增加较快，最终稳定值高0.2左右； 体系最终稳定的ORP要低25 mV； PET-AQS循环重复使用，表明PET-AQS具有良好的重复利用稳定性和生物相容性.

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