一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物及其应用论文和设计-张海坤

全文摘要

本发明属于环境工程水处理技术领域，具体一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物及其应用。本发明涉及到的微生物为海洋盐单胞细菌Halomonassp.X3，保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：武汉大学，保藏时间为2019年5月30日，保藏编号为：CCTCCM2019409。本发明菌株为从海洋沉积物中筛选得土著微生物，其能够以焦锑酸钾和硫代硫酸钠或亚硫酸钠为前体制备纳米硫化锑。通过本发明微生物获得的纳米硫化锑呈西兰花状，能够作为光催化剂用于加速偶氮染料类化合物的光降解。当前硫化锑的制备多采用化学法，本发明首次利用微生物制备形貌可控的硫化锑，具较强的创新性。

主设计要求

1.一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物，其特征在于：微生物为海洋细菌Halomonassp.X3，以保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：中国、武汉、武汉大学，保藏时间为2019年5月30日，保藏编号为：CCTCCM2019409。

设计方案

1.一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物，其特征在于：微生物为海洋细菌Halomonas<\/i>sp. X3，以保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：中国、武汉、武汉大学，保藏时间为2019年5月30日，保藏编号为：CCTCC M 2019409。

2.按权利要求1所述的用于制备西兰花状硫化锑的微生物，其特征在于：所述微生物生长条件为 10-50 ^{o<\/sup>C，盐度1-7%，pH 4-10条件下生长。}

3.一种权利要求1所述的微生物的应用，其特征在于：所述微生物在制备西兰花状硫化锑中的应用。

4.一种西兰花状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>的制备方法，其特征在于：将权利要求1所述干重为0.1-1 g\/L微生物接种于培养基中，在10-50 ^{o<\/sup>C、1-7%盐度和pH 4-10条件下，再加入0.5-2 g\/L的碳源进行还原反应，再经热水浴处理后即得西兰花状Sb 2<\/sub>S3<\/sub>；}}

培养基为含五价锑 和S _{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>的无机盐培养基，或含五价锑 和SO 3<\/sub>2-<\/sup>的无机盐培养基。}}

5.按权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

1）将所述微生物在培养基中于10-50 ^{o<\/sup>C、1-7%盐度和pH 4-10条件下避光反应1-10 d的混合物；}

培养基为含0.01-2 mM五价锑 和0.5-2 mM S _{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>的无机盐培养基，或含0.01-2 mM五价锑 和0.5-2 mM SO 3<\/sub>2-<\/sup>的无机盐培养基；}}

2) 将步骤 (1) 中得到的混合物离心，将得到的沉淀置于去离子水中超声处理，离心后将沉淀用0.2-5%的阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠重悬，70-100 ^{o<\/sup>C热水浴处理1-45min，而后离心并将沉淀冷冻干燥，即得粉状颗粒即为生物制备的西兰花状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>。}}

6.按权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：温度为20-40 ^{o<\/sup>C、1-3%盐度和pH 6-8。}

设计说明书

技术领域

本发明涉及环境工程水处理技术领域，具体涉及一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物及其应用。

背景技术

近年来，二元金属硫族化合物因其优异的光电特性，受到科研人员的广泛关注。金属硫族化合物的带隙都比较窄，较窄的带隙能使其广泛的吸收太阳光中的可见光和近红外光，在光伏和热电器件中具有良好的应用前景。其中，三硫化二锑(Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>)的带隙在1.6eV左右，接近单结太阳能电池的最佳理论带隙值，已广泛应用于太阳能电池、半导体光电\/伏器件中。此外，Sb2<\/sub>S3<\/sub>纳米材料还具有较高的比表面积，也可用在基于可见光的光催化反应器中。因此，研究Sb2<\/sub>S3<\/sub>纳米材料的高效可控合成是本领域的重点方向。}

目前已报到的Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>合成方法多为化学方法，如水热法、湿化学法、微波法、回流法、胶体反应法以及低温溶剂热法等。这些方法在一定条件下可合成不同形貌的Sb2<\/sub>S3<\/sub>，如棒状、哑铃状、菊花状、海胆状以及蒲公英状等。但是，这些方法有的相对复杂，有的条件控制较为严苛，有的需要添加大量的有毒化学物质，在实际应用过程中具有一定的局限性。因此，极有必要发展一种环境友好、成本低廉且易于操作的Sb2<\/sub>S3<\/sub>的合成方法。}

生物合成纳米材料具有成本低廉、环境友好等特点，可针对性的开发Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>纳米材料的微生物合成合成技术。有研究报道，微生物可用来合成多种金属硫族化合物如CuS、ZnS、FeS等。但是由于Sb(V)化合物本身毒性大且难还原，目前尚无利用微生物合成Sb2<\/sub>S3<\/sub>纳米材料的报道。}

发明内容

本发明目的在于提供一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物及其应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物，微生物为海洋细菌Halomonas sp.X3，以保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：中国、武汉、武汉大学，保藏时间为2019年5月30日，保藏编号为：CCTCC M 2019409。

所述菌株生长条件为10-50℃，盐度1-7％，pH 4-10条件下生长。

一种微生物的应用，所述微生物在制备西兰花状硫化锑中的应用。

所述将干重为0.1-1g\/L海洋细菌接种于含Sb(V)和S_{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>(或SO3<\/sub>2-<\/sup>)的无机盐培养基中，在10-50℃、1-7％盐度和pH 4-10条件下，再加入0.5-2g\/L的碳源进行还原反应，再经热水浴处理后即得西兰花状Sb 2<\/sub>S3<\/sub>；所述碳源乳酸钠、葡萄糖、甲酸钠或蔗糖。}}

进一步的说

1)将所述海洋细菌在含0.01-2mM Sb(V)和0.5-2mM S _{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>(或SO3<\/sub>2-<\/sup>)的无机盐培养基中于10-50℃、1-7％盐度和pH 4-10条件下避光反应1-10d的混合物；}}

2)将步骤(1)中得到的混合物离心，将得到的沉淀置于去离子水中超声处理，离心后将沉淀用0.2-5％的阴离子表面活性剂(十二烷基磺酸钠)重悬，70-100℃热水浴处理1-45min，而后离心并将沉淀冷冻干燥，即得粉状颗粒即为生物制备的西兰花状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>。}

所述温度为20-40℃、1-3％盐度和pH 6-8。

一种西兰花状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>的制备，将所述干重为0.1-1g\/L海洋细菌接种于含Sb(V)和S2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>(或SO3<\/sub>2-<\/sup>)的无机盐培养基中，在10-50℃、1-7％盐度和pH 4-10条件下，再加入0.5-2g\/L的碳源进行还原反应，再经热水浴处理后即得西兰花状Sb 2<\/sub>S3<\/sub>；所述碳源乳酸钠、葡萄糖、甲酸钠或蔗糖。}}

进一步的说，

1)将权利要求1所述海洋细菌在含0.01-2mM Sb(V)和0.5-2mM S _{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>(或SO3<\/sub>2-<\/sup>)的无机盐培养基中于10-50℃、1-7％盐度和pH 4-10条件下，再加入0.5-2g\/L的碳源，而后避光反应1-10d得混合物；}}

2)将步骤(1)中得到的混合物离心，将得到的沉淀置于去离子水中超声处理，离心后将沉淀用0.2-5％的阳离子表面活性剂(十二烷基磺酸钠)重悬，70-100℃热水浴处理1-45min，而后离心并将沉淀冷冻干燥，即得粉状颗粒即为生物制备的西兰花状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>。}

一种制备获得西兰花状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>的应用，所述硫化锑在光降解催化染料废水中偶氮类化合物中的应用。}

向经水超声分散浓度为1-100mg\/L的所述纳米Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>分散液加入至待处理染料废水中，于室温、长弧氙灯(500W)照射下进行光催化降解，进而实现对染料废水中偶氮类化合物的降解；其中，每升废水中纳米Sb2<\/sub>S3<\/sub>的加入量为1-100mg。}

本发明的效果和益处是：

本发明从海洋沉积物中筛选得土著微生物，其能够以焦锑酸钾和硫代硫酸钠或亚硫酸钠为前体制备纳米硫化锑。通过本发明微生物获得的纳米硫化锑呈西兰花状，其为形貌可控的硫化锑是通过微生物法合成，技术成本低廉且环境友好，与化学法相比更具工业化价值。通过本发明微生物获得的纳米硫化锑，能够作为光催化剂用于加速偶氮染料类化合物的光降解。

附图说明

图1是本发明实施例1提的Halomonas sp.X3在5d内产生硫化锑后的颜色变化图。其中，1菌+Sb(V)+SO _{3<\/sub>^{2-<\/sup>；2菌+Sb(V)+S2<\/sub>O3<\/sub>2-<\/sup>；3菌+Sb(V)。}}

图2是本发明实施例2提到的生物纳米硫化锑的X-射线光电子能谱图。其中，(a)是锑和氧不同化合价的分峰图；(b)是硫的不同价态分峰图。

图3a-b是本发明实施例2提到的生物纳米硫化锑的电子扫描电镜图(a)1μm；(b)500nm；图3c-d本发明实施例2提到的生物纳米硫化锑的电子透射电镜图(c)50nm；(d)100nm。

图4是本发明实施例3提到的生物纳米硫化锑的扫面电镜能谱(EDS)图。

图5是本发明实施例4提到的生物纳米硫化锑的催化效果图，其中生物纳米硫化锑使用前先经过超声处理1小时。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明以渤海海峡中部的海洋底泥为菌源，筛选到一株海洋土著细菌，命名为X3，可用改进版LB和海洋2216E等经典培养基扩培增殖，所述菌株在温度10-50℃，盐度1-7％，pH 4-10条件下也可在无机盐培养基中以多种碳源(如乳酸钠、葡萄糖、甲酸钠和蔗糖)为生长。所述改进版LB培养基为每升，10g蛋白胨，5g酵母膏，20g NaCl，余量为去离子水；所述海洋2216E培养基为每升，5g蛋白胨，1g酵母膏，0.01g磷酸高铁，余量为陈海水；所述无机盐培养基所述无机盐培养基为每升，1g NH _{4<\/sub>Cl,0.8g Na 2<\/sub>HPO4<\/sub>,0.2g KH 2<\/sub>PO4<\/sub>,0.2g MgCl 2<\/sub>·7H2<\/sub>O,0.1g CaCl 2<\/sub>·2H2<\/sub>O,20g NaCl，余量为去离子水。}

X3为革兰氏阴性菌，菌落呈淡棕色、不规则圆形、表面光滑、边缘无毛边，经电子扫描电镜鉴定发现所述细菌呈单生、杆状，16s rRNA所示，经比对与玻利维亚盐单胞菌属(Halomonas boliviensis LC1)的相似度最高(96.85％)，因此命名为Halomonas sp.X3，现已保藏于中国典型培养物保藏中心，地址为湖北省武汉市武昌区八一路珞珈山，保藏时间为2019年6月19，保藏编号为：CCTCC M 2019409。经鉴定，Halomonas sp.X3可产生西兰花状硫化锑，后续实施例以上述研究为基础。

Halomonas sp.X3的16srRNA序列：

CGAGCGGTAACAGATCCAGCTTGCTGGATGCTGACGAGCGGCGGACGGGTGAGTAATGCATAGGAATCTGCCCGNTAGTGGGGGATAACCTGGGGAAACCCAGGCTAATACCGCATACGTCCTACGGGAGAAAGGGGGCTTCGGCTCCCGCTATCGGATGAGCCTATGTCGGATTAGCTAGTTGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCCACGATCCGTAGCTGGTCTGAGAGGATGATCAGCCACATCGGGACTGAGACACGGCCCGAACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATATTGGACAATGGGGGGAACCCTGATCCAGCCATGCCGCGTGTGTGAAGAAGGCCCTCGGGTTGTAAAGCACTTTCAGCGAGGAAGAACGCCTAGCGGTTAATACCCGCTAGGAAAGACATCACTCGCAGAAGAAGCACCGGCTAACTCCGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGCGCGTAGGTGGCTTGATAAGCCGGTTGTGAAAGCCCCGGGCTCAACCTGGGAACGGCATCCGGAACTGTCAAGCTAGAGTGCAGGAGAGGAAGGTAGAATTCCCGGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATCGGGAGGAATACCAGTGGCGAAGGCGGCCTTCTGGACTGACACTGACACTGAGGTGCGAAAGCGTGGGTAGCAAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGTCGACCAGCCGTTGGGTGCCTAGCGCACTTTGTGGCGAAGTTAACGCGATAAGTCGACCGCCTGGGGAGTACGGCCGCAAGGTTAAAACTCAAATGAATTGACGGGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGATGCAACGCGAAGAACCTTACCTACTCTTGACATCCTGCGAATTNGGTAGAGATACCTTAGTGCCTTCGGGAACGCAGAGACAGGTGCTGCATGGCTGTCGTCAGCTCGTGTTGTGAAATGTTGGGTTAAGTCCCGTAACGAGCGCAACCCTTGTCCTTATTTGCCAGCGCGTAATGGCGGGAACTCTAAGGAGACTGCCGGTGACAAACCGGAGGAAGGTGGGGACGACGTCAAGTCATCATGGCCCTTACGAGTAGGGCTACACACGTGCTACAATGGTCGGTACAAAGGGTTGCCAACTCGCGAGAGTGAGCCAATCCCGAAAAGCCGATCTCAGTCCGGATCGGAGTCTGCAACTCGACTCCGTGAAGTCGGAATCGCTAGTAATCGTAGATCAGAATGCTACGGTGAATACGTTCCCGGGCCTTGTACACACCGCCCGTCACACCATGGGAGTGGACTGCACCAGAAGTGGTTAGCCTAACGCAAGAGGGCGATCACCA

实施例1

将上述获得菌株X3(干重为0.5g\/L)、Sb(V)(0.1mM)和1mM S _{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>(或SO3<\/sub>2-<\/sup>)于100mL无机盐培养基中混匀，盐度为2％，将pH调为7，再加入18mM的乳酸钠，曝氮气15min，在30℃的厌氧培养箱中避光反应5d，颜色变化参见图1。}}

所述无机盐培养基为每升，1g NH _{4<\/sub>Cl,0.8g Na 2<\/sub>HPO4<\/sub>,0.2g KH 2<\/sub>PO4<\/sub>,0.2g MgCl 2<\/sub>·7H2<\/sub>O,0.1g CaCl 2<\/sub>·2H2<\/sub>O,20g NaCl，余量为去离子水。}

由图1可以看出，X3可以在锑和硫代硫酸盐或亚硫酸盐存在的条件下会变成橙黄色，经验证为Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>，其中颜色越深还原效果越好。结果表明，在当前的反应体系中，添加亚硫酸盐的反应体系比添加硫代硫酸盐的反应体系在同一时间点颜色较浅(参见图1)，表明硫代硫酸盐效果比亚硫酸盐效果突出。}

实施例2

将上述获得菌株X3(0.5g\/L)、Sb(V)(0.2mM)和1mM S _{2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>于100mL无机盐培养基中混匀，盐度为2％，将pH调为7，再加入18mM的乳酸钠，曝氮气15min，在30℃的厌氧培养箱中避光反应5d，将得到的混合物离心(10000rpm,5min)，收集沉淀置于去离子水中超声处理1h，离心后将沉淀用1％的阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠重悬，90℃热水浴处理45min，而后再次离心(10000rpm，10min)将沉淀冷冻干燥，即为Sb2<\/sub>S3<\/sub>(参见图2)。}}

所述无机盐培养基为每升，1g NH _{4<\/sub>Cl,0.8g Na 2<\/sub>HPO4<\/sub>,0.2g KH 2<\/sub>PO4<\/sub>,0.2g MgCl 2<\/sub>·7H2<\/sub>O,0.1g CaCl 2<\/sub>·2H2<\/sub>O,20g NaCl，余量为去离子水。}

由图2中经过X-射线衍射能谱验证可知所得产物为粉状Sb_{2<\/sub>S3<\/sub>，其中由上述图2a中记载，Sb(V)的3d5\/2<\/sub>结合能位置出现在531eV，而Sb(III)的3d5\/2<\/sub>结合能位置出现在528.2eV，由此推断，大部分的Sb(V)被还原为Sb(III)。同时，根据S的XPS图可知(图2b)，S2<\/sub>O3<\/sub>^{2-<\/sup>基本被还原为S2-<\/sup>，其中一部分与Sb(III)结合生成硫化锑，另一部分游离在体系中。}}

用电子扫描电镜和透射电镜验证所得材料形状(参见图3a-d)。由图3a-b可知，箭头指向位置即为产生的纳米硫化锑材料，呈西兰花状。由图3c-d可知，箭头指向位置即为产生的纳米硫化锑材料，与扫描电镜所得的形状相符合。

实施例3

将上述获得菌株X3(0.7g\/L)、Sb(V)(1mM)和2mM SO _{3<\/sub>^{2-<\/sup>于100mL无机盐培养基中混匀，盐度为3％，将pH调为7.2，再加入18mM的葡萄糖，曝氮气15min，在30℃的厌氧培养箱中避光反应7d，将得到的混合物离心(10000rpm,5min)，把沉淀置于去离子水中超声处理1h，离心后将沉淀用1.5％的阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠重悬，95℃热水浴处理60min，而后再次离心(10000rpm，10min)将沉淀冷冻干燥，即为Sb2<\/sub>S3<\/sub>。}}

用能谱仪验证所得材料含有的元素，根据能谱结果显示材料主要是由Sb和S元素组成，另外表面有一些残存的盐类(如Na、Cl、P)和生物质元素(如C、N、O、P)(图4)。

实施例4

以上述实施例2获得生物纳米硫化锑对偶氮染料中甲基橙进行光降解检测：

设置对照组和实验组，实验组添加上述实施例2获得生物纳米硫化锑，以其作为催化剂，对照组为不添加催化剂的体系：其中实验组反应体系为50mL去离子水、10mg\/L甲基橙和30mg\/L的上述实施例制备获得超声处理的生物纳米硫化锑，对照体系为50mL去离子水和10mg\/L甲基橙。然后在室温、长弧氙灯(500W)照射下(照射距离约为10cm)进行光催化降解，并分别从上述实验组和对照组的反应体系中取样3mL，使用分光光度计于462nm处监测甲基橙的浓度变化(参见图5)。

由图5可见含材料的实验组偶氮染料的降解率比对照组有显著提高，在3h的反应时间内，空白对照体系的甲基橙降解率仅为5％左右，添加材料的实验组甲基橙的降解率可达82％。

序列表

<110> 中国科学院烟台海岸带研究所

<120> 一种用于制备西兰花状硫化锑的微生物及其应用

<160> 1

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 1397

<212> DNA

<213> 海洋细菌(Halomonas sp. X3)

<400> 1

cgagcggtaa cagatccagc ttgctggatg ctgacgagcg gcggacgggt gagtaatgca 60

taggaatctg cccgntagtg ggggataacc tggggaaacc caggctaata ccgcatacgt 120

cctacgggag aaagggggct tcggctcccg ctatcggatg agcctatgtc ggattagcta 180

gttggtgagg taacggctca ccaaggccac gatccgtagc tggtctgaga ggatgatcag 240

ccacatcggg actgagacac ggcccgaact cctacgggag gcagcagtgg ggaatattgg 300

acaatggggg gaaccctgat ccagccatgc cgcgtgtgtg aagaaggccc tcgggttgta 360

aagcactttc agcgaggaag aacgcctagc ggttaatacc cgctaggaaa gacatcactc 420

gcagaagaag caccggctaa ctccgtgcca gcagccgcgg taatacggag ggtgcaagcg 480

ttaatcggaa ttactgggcg taaagcgcgc gtaggtggct tgataagccg gttgtgaaag 540

ccccgggctc aacctgggaa cggcatccgg aactgtcaag ctagagtgca ggagaggaag 600

gtagaattcc cggtgtagcg gtgaaatgcg tagagatcgg gaggaatacc agtggcgaag 660

gcggccttct ggactgacac tgacactgag gtgcgaaagc gtgggtagca aacaggatta 720

gataccctgg tagtccacgc cgtaaacgat gtcgaccagc cgttgggtgc ctagcgcact 780

ttgtggcgaa gttaacgcga taagtcgacc gcctggggag tacggccgca aggttaaaac 840

tcaaatgaat tgacgggggc ccgcacaagc ggtggagcat gtggtttaat tcgatgcaac 900

gcgaagaacc ttacctactc ttgacatcct gcgaattngg tagagatacc ttagtgcctt 960

cgggaacgca gagacaggtg ctgcatggct gtcgtcagct cgtgttgtga aatgttgggt 1020

taagtcccgt aacgagcgca acccttgtcc ttatttgcca gcgcgtaatg gcgggaactc 1080

taaggagact gccggtgaca aaccggagga aggtggggac gacgtcaagt catcatggcc 1140

cttacgagta gggctacaca cgtgctacaa tggtcggtac aaagggttgc caactcgcga 1200

gagtgagcca atcccgaaaa gccgatctca gtccggatcg gagtctgcaa ctcgactccg 1260

tgaagtcgga atcgctagta atcgtagatc agaatgctac ggtgaatacg ttcccgggcc 1320

ttgtacacac cgcccgtcac accatgggag tggactgcac cagaagtggt tagcctaacg 1380

caagagggcg atcacca 1397

设计图