一种复合型的生物吸附剂及其应用

摘要

本发明涉及生物吸附剂技术领域，具有涉及一种复合型的生物吸附剂及其在脱除养殖海水中抗性基因方面的应用，生物吸附剂为海洋微藻与磁性Fe3O4粒子复合而成的固定化微球，固定化微球含有微藻的生物量为1.0×109～6.0×109cell/g，磁性Fe3O4粒子经磁性粒子表面剂和微球加强剂修饰后使用，磁性粒子表面剂为黄原胶、短梗霉多糖和硬葡聚糖中的一种或多种。所述微球加强剂为α‑崔柏素、γ‑崔柏素、扁柏素中的一种或多种。本发明的复合型的生物吸附剂由海洋微藻，优选小球藻包覆固定在磁性Fe3O4粒子上制成，有效脱除养殖海水废水中的抗性基因，且耐酸碱和耐温稳定性强，可以多次使用，并对养殖海水环境友善。

权利要求

1.一种复合型的生物吸附剂，其特征在于，所述生物吸附剂为海洋微藻与磁性Fe3O4粒子复合而成的固定化微球，固定化微球含有微藻的生物量为1.0×109 ～6.0×109cell/g；

所述磁性Fe3O4粒子经以下过程处理后使用：配制磁性Fe3O4粒子浓度5～23g/L的分散液，向分散液中加入磁性粒子表面剂振荡分散均匀，磁性粒子表面剂加入浓度为300～

800mg/L，然后加入微球加强剂振荡分散均匀，微球加强剂的加入浓度为50～200mg/L，然后经真空冷冻干燥得到处理的磁性Fe3O4粒子；

所述磁性粒子表面剂为黄原胶、短梗霉多糖和硬葡聚糖的一种或多种；

所述微球加强剂为α-崖柏素、γ-崖柏素、扁柏素中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的生物吸附剂，其特征在于，所述海洋微藻为小球藻。

3.根据权利要求1所述的生物吸附剂，其特征在于，所述磁性Fe3O4粒子经以下过程制成：将FeCl3、FeSO4和盐酸配制酸性铁盐溶液，然后与浓度20wt%～30wt%的氨水搅拌反应后静置沉淀并磁力分离，清洗沉淀后置于10wt%的FeCl3溶液中浸渍90～120min，后用磁铁吸住底部的沉淀，再清洗沉淀1～3次后真空冷冻干燥36～72 h得磁性Fe3O4纳米粒子。

4.根据权利要求1所述的生物吸附剂，其特征在于，所述生物吸附剂经以下过程制成：将海洋微藻在培养基中培养后离心分离得海洋微藻的浓缩液，用无菌水调节浓缩液的OD680为1～1.5，然后向浓缩液中按0.2～0.4 g/L的浓度加入磁性Fe3O4纳米粒子，恒温震荡2～4天，再加入浓缩液质量5wt%～7wt%的海藻酸钠混匀，然后吸取混合液逐滴滴入浓度3.5wt%的CaCl2溶液中得到直径为2～5 mm固定化微球。

5.如权利要求1至4任一所述的生物吸附剂脱除海水养殖废水中抗性基因的应用。

说明书

一种复合型的生物吸附剂及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及生物吸附剂技术领域，具有涉及一种复合型的生物吸附剂及其在脱除养殖海水中抗性基因方面的应用。

背景技术

[0002] 抗性基因是微生物在抗生素胁迫下形成的一类新型污染物，已有较多研究表明能引起微生物耐药性增强、改变微生物群落结构等一系列生态环境问题。含抗生素的废水中
一般同时含有多种抗性基因，而且在生物处理过程中还有可能会经诱导形成新的抗性基
因，从而造成污水处理设施成为周围水体环境的抗性基因污染源。由于在海水养殖过程中
大量抗生素的使用，海水养殖废水中往往含有较高浓度的抗性基因类污染物，从而对周围
环境的生态安全及海水养殖业的自身健康发展形成威胁。

[0003] 目前对于海水养殖废水的处理主要以生物处理方法为主，如生物接触氧化、生物滤器、氧化塘等方法，这些方法对于养殖废水中的耗氧型有机物、氮磷营养盐等均能取得很
好的净化效果，但对于抗性基因污染物的处理效果不佳，并且在处理过程中还存在产生超
级耐药菌及抗性基因在生物间传播等问题。

[0004] 中国发明专利申请CN201711329143.7，专利名称采用电离辐照去除抗生素抗性基因的方法，公开了采用电离辐照技术(包括γ射线和电子加速器产生的高能电子束)处理抗
生素菌渣以破坏微生物细胞的DNA，从而实现抗性基因的有效去除的抗性基因去除方法，但
是采用电离辐照处理养殖海水会对海水中的其他微生物造成影响，破坏海水的微生物体系

发明内容

[0005] 针对现有的海水养殖废水处理方法对抗性基因的处理效果不佳的问题，本申请的目的在于提供一种复合型的生物吸附剂，应用于脱除海水养殖废水中的抗性基因，能够有
效去除海水养殖废水中的抗性基因，可以多次使用，并对养殖海水环境友善。

[0006] 本发明提供如下的技术方案：

[0007] 一种复合型的生物吸附剂，所述生物吸附剂为海洋微藻与磁性Fe3O4粒子复合而成的固定化微球，固定化微球含有微藻的生物量为1.0×109 ～6.0×109cell/g。研究表明海
洋微藻的细胞壁富含羧基、羟基、氨基等基团，可以与金属离子结合，因此现有将海洋微藻
处理废水中金属离子，如Cr3+、Cd2+和Cu2+等，但是尚未发现将其应用于脱除抗性基因的研
究。本申请的发明人发现，将海洋微藻固化在磁性Fe3O4粒子上形成固定化微球，并控制固定
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化微球的微藻的生物量为1.0×10 ～6.0×10cell/g可以有效脱除海水中的抗性基因，而
由于抗性基因中并不含金属离子，因此对抗性基因的脱除的机理应该与羧基、羟基、氨基等
基团与金属离子结合有很大的不同。同时悬浮生长状态的海洋微藻对毒性物质的抵抗力较
弱，在废水中一些污染物作用下活性往往难以维持，导致整体处理效率较低，而且海洋微藻
容易流失且处理完成后微藻与废水的分离成本较高，因此将海洋微藻固化在磁性Fe3O4粒子
上并控制生物量合适，所得的生物吸附剂可有效脱除养殖海水中的抗性基因，并且吸附容
量大、吸附速率快、操作简单方便，且内含磁性Fe3O4纳米粒子，处理完废水后能方便实现吸附剂的快速回收。

[0008] 作为本发明的优选，所述海洋微藻为小球藻。发明人经过对多种种类的海洋微藻进行比较，发现小球藻对抗性基因的脱除效果较好，脱除效率比较高。

[0009] 作为本发明的优选，所述磁性Fe3O4粒子经以下过程制成：将FeCl3、FeSO4和盐酸配制酸性铁盐溶液，然后与浓度20wt%～30wt%的氨水搅拌反应后静置沉淀并磁力分离，清洗
沉淀后置于10wt%的FeCl3溶液中浸渍90～120min，后用磁铁吸住底部的沉淀，再清洗沉淀1
～3次后真空冷冻干燥36～72 h得磁性Fe3O4纳米粒子。由于海洋微藻的表面富含羧基、羟
基、氨基等基团，当溶液pH值呈弱酸性或碱性时，羧基解离使海洋微藻的表面带负电荷，导
致海洋微藻不易团聚。将Fe3+负载到磁性Fe3O4粒子上，能消除海洋微藻表面负电荷，强化海洋微藻包覆在磁性Fe3O4粒子，提高固化微球稳定性，提升固化微球抗性基因脱除效率。

[0010] 作为本发明的优选，所述磁性Fe3O4粒子经以下过程处理后使用：配制磁性Fe3O4粒子浓度5～23g/L的分散液，向分散液中加入磁性粒子表面剂振荡分散均匀，磁性粒子表面
剂加入浓度为300～800mg/L，然后加入微球加强剂振荡分散均匀，微球加强剂的加入浓度
为50～200mg/L，然后经真空冷冻干燥得到处理的磁性Fe3O4粒子。

[0011] 作为本发明的优选，所述磁性粒子表面剂为黄原胶、短梗霉多糖和硬葡聚糖中的一种或多种。黄原胶、短梗霉多糖、硬葡聚糖具有较好的水溶性，其中黄原胶、短梗霉多糖和硬葡聚糖分别是由黄单胞杆菌、出芽短梗霉和小核菌产生的胞外多糖，具有丰富的醇羟基，
可与微藻表面的官能基团产生氢键。且经发明人验证，上述胞外多糖在pH值为4～11的较宽
范围内保持稳定，酸碱稳定性好，对热和盐稳定性强，且成膜性和粘结性较好，因此能够增
强海洋微藻与磁性Fe3O4粒子的连接稳定性，提升固化微球的强度，同时上述多糖具有絮凝
吸附能力，并可与抗性基因中的氨基酸通过氢键结合，强化固化微球的抗性基因去除效果。

[0012] 作为本发明的优选，所述微球加强剂为α-崖柏素、γ-崖柏素、扁柏素中的一种或多种。α-崖柏素、γ-崖柏素、扁柏素的分子结构中一方面同时含有相邻的酰基和酚基，由于酰基的强吸电子作用使酚基表现出较强的酸性，因此将α-崖柏素、γ-崖柏素和/或扁柏素
作为微球加强剂改善磁性Fe3O4粒子表面，在磁性Fe3O4粒子周围的小范围内改变pH环境，从
而抑制海洋微藻表面的电离或者减弱海洋微藻表面的负电荷，另一方面分子结构中还具有
带C=C双键和C=O的不饱和环，表现出较强的吸电子性质，可以接纳海洋微藻表面的负电荷，
加强海洋微藻在磁性Fe3O4粒子上的固化，提高固化微球的强度和脱除抗性基因的能力。

[0013] 作为本发明的优选，所述生物吸附剂经以下过程制成：将海洋微藻在培养基中培养后离心分离得海洋微藻的浓缩液，用无菌水调节浓缩液的OD680为1～1.5，然后向浓缩液
中按0.2～0.4 g/L的浓度加入磁性Fe3O4纳米粒子，恒温震荡2～4天，再加入浓缩液质量
5wt%～7wt%的海藻酸钠混匀，然后吸取混合液逐滴滴入浓度3.5wt%的CaCl2溶液中得到直
径为2～5 mm固定化微球。将小球藻细胞先与Fe3O4纳米粒子进行吸附连接，然后再与海藻酸
钠进行混合包埋固定，制备复合型的微藻生物吸附剂，具有吸附容量大、吸附速率快、操作
简单方便等优点，生物吸附剂的强度高、回收方便。

[0014] 上述生物吸附剂在脱除海水养殖废水中抗性基因中的应用。本申请的复合型的生物吸附剂对海水养殖废水中的抗性基因具有比较好的脱除效果，尤其是对磺胺类抗性基因
和四环素类抗性基因的脱除效果比较理想。

[0015] 本发明的有益效果如下：

[0016] 本发明的复合型的生物吸附剂由海洋微藻，优选小球藻包覆固定在磁性Fe3O4粒子上制成，可专用于脱除养殖海水废水中的抗生素抗性基因，而且脱除效率高，生物吸附剂的
耐酸碱和耐温稳定性强，可以多次使用，并对养殖海水环境友善。

具体实施方式

[0017] 下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。

[0018] 如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。

[0019] 实施例1

[0020] 一种复合型的生物吸附剂，用于脱除海水养殖废水中抗性基因，为由小球藻与磁性Fe3O4粒子经以下过程复合而成的固定化微球：将小球藻在培养基中培养后离心分离得小
球藻的浓缩液，用无菌水调节浓缩液的OD680为1.25，然后向浓缩液中按0.3 g/L的浓度加入
磁性Fe3O4纳米粒子，恒温震荡3天，再加入浓缩液质量6wt%的海藻酸钠混匀，然后吸取混合
液逐滴滴入浓度3.5wt%的CaCl2溶液中得到直径为3 mm固定化微球，固定化微球含有小球
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藻的生物量为3.5×10cell/g。

[0021] 磁性Fe3O4粒子经以下过程制成：将FeCl3、FeSO4和盐酸配制酸性铁盐溶液，与浓度25wt%氨水搅拌反应后静置沉淀并磁力分离，清洗沉淀后置于10wt%的FeCl3溶液中浸渍
100min，用磁铁吸住底部的沉淀，清洗沉淀2次后真空冷冻干燥54 h得磁性Fe3O4纳米粒子。

[0022] 实施例2

[0023] 一种复合型的生物吸附剂，用于脱除海水养殖废水中抗性基因，与实施例1的不同之处在于，制备的磁性Fe3O4纳米粒子经以下过程处理后使用：配制磁性Fe3O4粒子浓度14g/
L的分散液，向分散液中加入由黄原胶、短梗霉多糖和硬葡聚糖的混合物得到的磁性粒子表
面剂振荡分散均匀，黄原胶、短梗霉多糖和硬葡聚糖的混合物的加入浓度为550mg/L，然后
加入α-崖柏素、γ-崖柏素和扁柏素的混合物得到的微球加强剂振荡分散均匀，α-崖柏素、γ-崖柏素和扁柏素的混合物的加入浓度为125mg/L，然后经真空冷冻干燥得到处理的磁性
Fe3O4粒子。

[0024] 实施例3

[0025] 一种复合型的生物吸附剂，用于脱除海水养殖废水中抗性基因，为由小球藻与磁性Fe3O4粒子经以下过程复合而成的固定化微球：将小球藻在培养基中培养后离心分离得小
球藻的浓缩液，用无菌水调节浓缩液的OD680为1.5，然后向浓缩液中按0.2g/L的浓度加入磁
性Fe3O4纳米粒子，恒温震荡2天，再加入浓缩液质量5wt%的海藻酸钠混匀，然后吸取混合液
逐滴滴入浓度3.5wt%的CaCl2溶液中得到直径为2mm固定化微球，固定化微球含有小球藻的
生物量为6.0×109cell/g。

[0026] 其中，磁性Fe3O4粒子经以下过程处理后使用：配制磁性Fe3O4粒子浓度5g/L的分散液，向分散液中加入磁性粒子表面剂黄原胶振荡分散均匀，黄原胶加入浓度为300mg/L，然
后加入微球加强剂α-崖柏素振荡分散均匀，α-崖柏素的加入浓度为50mg/L，然后经真空冷
冻干燥得到处理的磁性Fe3O4粒子。

[0027] 实施例4

[0028] 一种复合型的生物吸附剂，用于脱除海水养殖废水中抗性基因，为由小球藻与磁性Fe3O4粒子经以下过程复合而成的固定化微球：将小球藻在培养基中培养后离心分离得小
球藻的浓缩液，用无菌水调节浓缩液的OD680为1.25，然后向浓缩液中按0.3g/L的浓度加入
磁性Fe3O4纳米粒子，恒温震荡3天，再加入浓缩液质量6wt%的海藻酸钠混匀，然后吸取混合
液逐滴滴入浓度3.5wt%的CaCl2溶液中得到直径为4mm固定化微球，固定化微球含有小球藻
的生物量为4×109cell/g。

[0029] 其中，磁性Fe3O4粒子经以下过程处理后使用：配制磁性Fe3O4粒子浓度14g/L的分散液，向分散液中加入磁性粒子表面剂短梗霉多糖振荡分散均匀，磁性粒子表面剂加入浓
度为550mg/L，然后加入微球加强剂γ-崖柏素振荡分散均匀，γ-崖柏素的加入浓度为
125mg/L，然后经真空冷冻干燥得到处理的磁性Fe3O4粒子。

[0030] 实施例5

[0031] 一种复合型的生物吸附剂，用于脱除海水养殖废水中抗性基因，为由小球藻与磁性Fe3O4粒子经以下过程复合而成的固定化微球：将小球藻在培养基中培养后离心分离得小
球藻的浓缩液，用无菌水调节浓缩液的OD680为1，向浓缩液中按0.4g/L的浓度加入磁性Fe3O4纳米粒子，恒温震荡4天，再加入浓缩液质量7wt%的海藻酸钠混匀，吸取混合液逐滴滴入浓
度3.5wt%的CaCl2溶液中得直径为5 mm固定化微球，固定化微球含有小球藻生物量为1.0×
109 cell/g。

[0032] 其中，磁性Fe3O4粒子经以下过程处理后使用：配制磁性Fe3O4粒子浓度23g/L的分散液，向分散液中加入磁性粒子表面剂硬葡聚糖振荡分散均匀，硬葡聚糖加入浓度为
800mg/L，然后加入微球加强剂扁柏素振荡分散均匀，微球加强剂的加入浓度为200mg/L，然
后经真空冷冻干燥得到处理的磁性Fe3O4粒子。

[0033] 性能测试

[0034] 1、抗性基因脱除

[0035] 调节养殖海水废水的pH值5.0，将复合型微藻生物吸附剂加入养殖海水废水中，投加量：15g/L废水，处理温度30℃，通过振荡吸附完成废水中抗生素的去除，振荡频率150次/min，处理时间24小时，吸附完成后对废水中的微藻生物吸附剂进行快速磁力分离，采用定
量PCR测定废水中抗性基因，实现结果如表1、表2所示，其中表1为4种磺胺类抗性基因的脱
除测试结果，表2为13种四环素类抗性基因的脱除测试结果。

[0036] 表1 海水养殖废水中磺胺类抗性基因的检出率/%

[0037]类型 sul(1) sul(2) sul(3) sul(A)
处理前 33.3 66.6 66.6 0
实施例1 0 0 33.3 0
实施例2 0 0 26.8 0
实施例3 0 0 27.2 0
实施例4 0 0 25.4 0
实施例5 0 0 20.9 0

[0038] 表2 海水养殖废水中四环素类抗性基因检出率/%

[0039] 类型 tet(A) tet(B) tet(C) tet(E) tet(H) tet(L) tet(M) tet(S) tet(O) tet(B/P) tet(Q) tet(T) tet(W)处理前 0 66.6 33.3 0 100 66.6 0 100 0 0 66.6 66.6 0实施例1 0 0 33.3 0 66.6 33.3 0 0 0 0 0 33.3 0
实施例2 0 0 31.8 0 45.2 28.6 0 0 0 0 0 27.5 0
实施例3 0 0 30.9 0 51.3 24.2 0 0 0 0 0 31.8 0
实施例4 0 0 31.6 0 55.5 27.5 0 0 0 0 0 28.5 0
实施例5 0 0 32.2 0 49.6 30.2 0 0 0 0 0 25.9 0

[0040] 检测结果显示，处理前的海水养殖废水中4种磺胺类抗性基因中检测到了3种抗性基因，sul(1)的检测率为33.3%，sul(2)和 sul(3)的检出率为66.6%，sul(A)没有检出，分别用实施例1～5的生物吸附剂处理后的海水养殖废水中，仅检测到磺胺类抗性基因sul(3)，
检出率分别为33.3%、26.8%、27.2%、25.4%和20.9%，表明经生物吸附剂的处理后的海水养殖废水中的磺胺类抗性基因得到了较大程度的降低。

[0041] 对于四环素类抗性基因，海水养殖废水中共检测到7种四环素类抗性基因，分别为tet(B)、tet(C)、tet(H)、tet(L)、tet(S)、tet(Q)、tet(T)，检出率较高的为tet(H)和tet(S)，检出率达到100%，其次为tet(B)、tet(L)、tet(Q)和tet(T)检出率为66.6%，tet(C)的检出率为33.3%，其余四环素类抗性基因均未检出。实施例1～5的生物吸附剂处理后的海水养
殖废水中四环素类抗性基因的检出率明显低于进水，表明经过生物吸附剂处理后的海水养
殖废水中的四环素类抗性基因也得到了较大程度的降低。

[0042] 2、力学强度

[0043] 将本申请制备的生物吸附剂-固定化微球100颗置于孔径1mm、尺寸10cm×10cm×10cm的立方形笼中，然后浸没在30±2℃的震荡摇床中振荡，控制振荡频率依次为100次/
min、150次/min和200次/min，每一频率下保持72h，每一频率结束后统计破碎固定化微球的
数目，计算完整率，即完整小球的数目比重，结果如下表3所示。

[0044] 表3 生物吸附剂完整率/%

[0045] 测试 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5100次/min 98 100 100 99 100
150次/min 95 98 99 98 98
200次/min 91 95 95 94 96