2019, Vol. 47
文章信息
- 张晓颖, 荣新山, 徐吉成, 周向同, 吴智仁
- ZHANG Xiao-ying, RONG Xin-shan, XU Ji-cheng, ZHOU Xiang-tong, WU Zhi-ren
- 玄武岩纤维表面改性对生物膜附着性能的影响
- Effect of surface modification of basalt fiber on biofilm attachment
- 材料工程, 2019, 47(5): 129-136
- Journal of Materials Engineering, 2019, 47(5): 129-136.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000189
-
文章历史
- 收稿日期: 2018-02-22
- 修订日期: 2018-11-08
2. 江苏大学 环境健康与生态安全研究院, 江苏 镇江 212013;
3. 镇江市高等专科学校 医药与化材学院, 江苏 镇江 212028
2. Institute of Environmental Health and Ecological Security, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;
3. Institute of Medicine & Chemical Engineering, Zhenjiang College, Zhenjiang 212028, Jiangsu, China
生物膜法是一种常见的水处理工艺，其实质是利用附着生长在载体表面的微生物代谢作用对污/废水中的污染物进行吸附、转化和分解，进而达到净化污/废水的目的[1]。微生物附着在载体表面生长繁殖，并通过自身代谢作用分泌的胞外聚合物(EPS，主要成分为多糖、蛋白质、核酸和脂类等)相互黏结形成膜状聚集体[2]。因此，载体是生物膜的主体部分，其表面性能可直接影响生物膜中微生物的种类、数量、活性、传质和污/废水处理效果，所以研发合适载体至关重要[3-4]。Guo等[5]报道了亲水性的载体有助于微生物的初始黏附，进而促进生物膜的形成和生长。Fernández等[6]的研究表明在载体表面引入亲水基团可以明显改善微生物的初始黏附能力和生物活性。
目前，常见的生物载体可分为无机和有机两大类[7-9]。玄武岩纤维(basalt fiber, BF)是一种新型的无机纤维生物膜载体，其主要成分为SiO2, Al2O3, CaO, MgO和FexOy等氧化物，直径一般为7~20μm[10]。由于BF具有成本低、比表面积大、化学稳定性优异和力学性能突出等优势，在生物载体研究领域已经受到广泛的关注[11-14]。然而，BF是一种无机纤维，表面无羧基、羟基等极性亲水基团，在水中不易分散，呈现疏水性，其生物亲和性一般，进而影响其在污/废水处理中作为生物载体的挂膜效果。因此，通过引入亲水基团，对BF进行表面改性处理，增强BF的生物亲和性，提高BF表面生物膜的附着性能，具有重要的研究意义。
壳聚糖是一种含有大量氨基(—NH2)和羟基(—OH)等亲水基团的天然碱性多糖[15]，具有来源丰富、安全无毒、生物亲和性好和微生物固定效率高等优点，已在生物膜载体领域中受到广泛的重视[16-17]。低浓度的壳聚糖溶液的黏度较高，在干燥过程中分子排列规整易形成氢键，从而形成壳聚糖膜。因此，本工作采用壳聚糖对BF表面进行改性处理，利用其本身的黏附能力使亲水性基团包裹在BF表面，制得改性玄武岩纤维(surface-modified basalt fiber, MBF)。MBF表面富含壳聚糖中的亲水基团，具有良好的亲水性，有助于胞外聚合物附着在表面，促进更多的生物量附着，从而形成均匀致密的生物膜，进而提高污/废水处理效率。
1 实验材料与方法 1.1 实验原料玄武岩纤维，CBF13-1200，江苏绿材谷新材料科技有限公司，直径13μm，线密度1200tex；冰醋酸、氢氧化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；壳聚糖，生物试剂，山东优索化工科技有限公司；去离子水，自制。
1.2 BF表面处理将一定量的壳聚糖加入到0.2%(质量分数，下同)的稀CH3COOH溶液中，在30℃下持续搅拌5h，配制成1%的壳聚糖溶液[18]。向壳聚糖溶液中滴加0.2%的NaOH溶液，调节pH值为7.5，得到白色混浊的壳聚糖凝胶。称取一定量的BF(mBF)，加入到壳聚糖凝胶中，均匀通入CO2气体，在30℃下浸泡4h后取出，移至75℃鼓风干燥箱中干燥。干燥后的BF样品即为表面涂覆壳聚糖的MBF(mMBF)，MBF制备示意图见图 1。壳聚糖的包裹率ω按式(1)计算。
|
(1) |
|
图 1 MBF的制备示意图 Fig. 1 Scheme for the preparation of MBF |
结构表征：采用傅立叶变换红外光谱仪(ATAVAR360型)分析BF表面改性前后的官能团的变化，以KBr压片法制样，扫描波长范围4000~400cm-1；采用X射线光电子谱仪(ESCALABTM 250Xi型)分析纤维的化学组成成分，测试条件为单色AlKα衍射，测试电压15kV，真空系统压力10-7Pa，以C1s的284.6eV为能量校正标准。
表面形貌：采用扫描电子显微镜(S-4800型)和原子力学显微镜(Prima型)表征BF和MBF的微观形貌和表面粗糙度。
亲水性：将玄武岩纤维丝固定在接触角仪(SDC-200型)的固定架两端，用纳升级微量注射器将水滴滴至纤维丝上，用接触角测量仪测定表面改性前后玄武岩纤维的接触角。
分散性能分析：将BF和MBF浸没在装有去离子水的烧杯中，观察其在水中的分散情况，并用相机记录。
1.4 生物膜附着性能评价挂膜实验前取某污水处理厂活性污泥在恒温反应器(1L，30℃)中培养24h，混合液污泥浓度(MLSS)约为4000mg/L，用Na2CO3溶液将混合液的pH值调节至7.5。将干燥的BF和MBF样品(m1)置于混合液中，连续曝气至挂膜平衡，取出并烘干至恒重(m2)。挂膜率R按式(2)计算[19]。
|
(2) |
挂膜实验重复3次，R取3次结果的平均值。采用徕卡显微镜(DM2500型)和扫描电子显微镜对挂膜后BF和MBF样品进行观察，分析二者表面附着的生物膜生长情况。
挂膜反应结束后，将挂膜后的纤维样品采用乙醇溶液轻轻搓洗，烘干，采用扫描电子显微镜观察纤维是否出现断丝、老化等现象。
2 结果与分析 2.1 BF表面涂覆壳聚糖的机理分析壳聚糖是一种含有氨基的碱性多糖，其—NH2上的N原子具有孤对电子，可结合一个H+形成—NH3+，如图 1所示。当CO2通入壳聚糖凝胶中，CO2与水反应形成碳酸。—NH2与H2CO3结合，使其得到一个H+，进而形成壳聚糖溶液。BF表面上的壳聚糖溶液在烘干过程中，HCO3—夺取壳聚糖铵盐中的H+，形成H2CO3，逐渐分解成CO2和H2O，挥发后在BF表面形成壳聚糖膜。
2.2 BF和MBF的表面官能团分析对表面处理前后的玄武岩纤维进行红外表征，结果见图 2。如图 2所示，在BF的红外光谱图中，445cm-1处对应的是Si—O—Si(或Si—O—Al)的弯曲振动和Ca—O伸缩振动峰的耦合带，在755cm-1和995cm-1处分别对应的是Si—O—Si的对称和反对称伸缩振动吸收峰，在3425cm-1处较弱的吸收峰归属于水分子的伸缩振动[20]。
|
图 2 BF和MBF的红外光谱图 Fig. 2 FT-IR spectra of BF and MBF |
对比BF的红外光谱，MBF的红外光谱中在898cm-1处出现糖苷基的特征吸收峰；在1423cm-1和2875cm-1处分别归属于—CH2—的弯曲振动和伸缩振动吸收峰；在1560cm-1处归属于—NH2伸缩振动吸收峰；在1651cm-1处为酰胺键伸缩振动吸收峰；在2920cm-1处为次甲基的伸缩振动吸收峰；在3400cm-1处为—OH和N—H伸缩振动重叠的多重吸收峰[21]。上述结果表明壳聚糖已成功涂覆在BF表面。
2.3 BF和MBF的成分分析图 3为BF和MBF样品的XPS谱图。图 3(a)为BF和MBF样品的全谱，从BF谱图中可以清楚地观察到Si, O, Mg, Ca和C等元素，其中，C1s的出现是因测试过程中周围环境的污染而引入的元素。MBF样品中可观察到N和C元素，这是因为在MBF表面引入壳聚糖的缘故。图 3(b), (c), (d)分别为MBF的Si2p, C1s, N1s高分辨XPS谱图。由图 3(b)可知，MBF中的Si元素以3种形式存在，Si1(101.71eV)所代表的化学键为醚键(Si—O—Si)，Si2(102.45eV)所代表的化学键为硅醇基(Si—OH)，Si3(103.14eV)所代表的化学键为硅氧键(Si—O)，说明MBF中Si元素主要以SiO2形式存在[22]；由图 3(c)可知，MBF中的C元素主要以3种形式存在，C1(284.67eV)所代表的化学键是碳碳键或碳氢键(C—C/C—H)，C2(286.68eV)所代表的化学键是碳氮键或碳氧键(C—N/C—O)，C3(288.61eV)所代表的是C＝O；由图 3(d)可知，MBF的N元素以两种形式存在，N1(402.04eV)所代表的化学键是氨基(N—H)，N2(399.81eV)所代表的化学键是氮碳键(N—C) [23]。XPS测试结果进一步证明壳聚糖已经成功引入至BF表面，成功制备了MBF。
|
图 3 XPS的谱图(a)BF和MBF的全谱；(b)MBF的Si2p;(c)MBF的C1s;(d)MBF的N1s Fig. 3 XPS spectra (a)survey spectra of BF and MBF; (b)Si2p of MBF; (c)C1s of MBF; (d)N1s of MBF |
采用扫描电镜对BF和MBF进行表面分析，结果如图 4所示。由图 4可知，BF表面光滑，无凸起物。MBF的表面较为粗糙，出现一些凸起物，这些是壳聚糖在MBF表面涂覆时聚集所导致的。由表 1可以看出，壳聚糖的包裹率为(23.32±0.51)%。由原子力学显微镜测得表面粗糙度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与纤维载体的接触面积，可促进微生物在MBF表面的附着。
|
图 4 BF(a)和MBF(b)的SEM图 Fig. 4 SEM images of BF(a) and MBF(b) |
| Sample | ω/% | Ra/nm | R/% |
| BF | 84.47 | 129.27±1.23 | |
| MBF | 23.32±0.51 | 209.04 | 179.92±2.63 |
玄武岩纤维表面处理前后的接触角分析结果见图 5。由图 5可知，BF呈现疏水状态，接触角为125.31°。MBF的接触角为66.62°，具有明显的亲水性。这是由于经过壳聚糖改性的玄武岩纤维表面含有大量的亲水基团，从而实现改善BF亲水性的目的，而亲水性的载体有利于微生物的初始黏附，因此，MBF具有较好的生物亲和性。
|
图 5 BF(a)和MBF(b)的接触角图片 Fig. 5 Water contact angle images of BF (a) and MBF (b) |
图 6为玄武岩纤维表面处理前后在水中分散效果的照片。表面涂覆壳聚糖前，BF在水中不易分散，呈聚集状态，这是因为BF表面亲水性较差，无法与水分子之间形成氢键作用力。而MBF在水中的分散性得到明显的改善，主动分散为扇状。这是因为MBF表面涂覆了壳聚糖，引入了大量的—OH和—NH2亲水基团，将BF的表面由疏水性转变成亲水性，从而提高了其在水中的分散性。提升纤维载体在水中的分散效果有助于增大污水中有机物与纤维载体的有效接触面积，进而促进更多的微生物附着在载体表面，达到提高污/废水处理效率的目的。
|
图 6 BF (a)和MBF (b)在水中分散的效果图 Fig. 6 Photos of the dispersion in water of BF (a) and MBF (b) |
图 7为BF和MBF曝气挂膜后的效果图。由图 7可知，MBF的生物膜附着量明显增加，说明微生物更倾向于附着在亲水性的玄武岩纤维表面，玄武岩纤维的生物亲和性得到明显改善。此外，对比BF的挂膜率(129.27±1.23)%，MBF增加至(179.92±2.63)%(见表 1)，且挂膜量提高了39.18%。这主要是由于改善亲水性有利于降低污水中的有机物与改性后玄武岩纤维的水接触角，为微生物提供良好的生存环境，促进更多的微生物吸附并附着在MBF表面；另一方面，改善MBF的亲水性可提高MBF在水中的分散性能，可明显增加微生物与纤维之间的有效接触面积，进而加快微生物在MBF表面的固定，促使生物膜在MBF表面生长、繁殖。
|
图 7 BF(a)和MBF(b)的挂膜效果图 Fig. 7 Photos of microorganism immobilization test of BF (a) and MBF (b) |
采用光学显微镜对BF和MBF表面形成的生物膜的生长情况进行观察分析，结果见图 8。如图 8所示，MBF和BF在挂膜后均未出现断丝老化现象，纤维完整无损，说明两者具有良好的力学性能和化学稳定性。此外，MBF表面形成的生物膜较为均匀，且出现菌胶团，表明生物膜生长良好，生物活性较高。壳聚糖因具有微生物可降解性，在生物膜形成过程中，表层的壳聚糖会逐步被微生物代谢分解；原附着在载体上的生物膜逐渐成熟、脱落，后续微生物依附于胞外聚合物形成新的生物膜，维持动态平衡。将挂膜后的BF和MBF置于扫描电子显微镜下进行观察，结果如图 9所示。MBF表面被胞外聚合物紧紧包裹，而BF表面形成的生物膜稀松不均匀，只有少许胞外聚合物附着。结果表明，经壳聚糖改性处理的玄武岩纤维可促使微生物初始黏附，使得更多的胞外聚合物吸附在载体表面，进而促进更多的生物量附着，从而形成均匀致密的生物膜。
|
图 8 BF(a)和MBF(b)的OM照片 Fig. 8 Optical micrographs of BF (a) and MBF (b) |
|
图 9 挂膜后BF(a)和MBF(b)的SEM图 Fig. 9 SEM images of BF (a) and MBF (b) after the microorganism immobilization tests |
采用乙醇溶液对挂膜后的样品轻轻搓洗，烘干后对样品进行SEM分析，结果如图 10所示。由图 10可知，MBF仍保持BF本身优异的力学性能，二者表面均未出现断丝、老化等现象。因此，为了确保壳聚糖改性玄武岩纤维的优异性能，可再次涂覆壳聚糖后反复使用。
|
图 10 乙醇洗涤后BF(a)和MBF(b)的SEM图 Fig. 10 SEM images of BF (a) and MBF (b) after washed with C2H5OH |
(1) MBF表面成功地引入了—OH，—NH2亲水基团；MBF中C元素以3种形式存在，分别为C—C/C—H，C—N/C—O，和C＝O；N元素以两种形式存在(N—H和N—C)，表明壳聚糖在MBF表面有效附着。
(2) BF表面光滑，MBF表面覆盖着壳聚糖薄膜，MBF的表面粗糙度为209.04nm，水接触角为66.62°，挂膜率为(179.92±2.63)%。
(3) 由壳聚糖改性的玄武岩纤维，亲水性和水中分散性得到明显改善，改性后的玄武岩纤维表面形成的生物膜致密均匀，生物膜附着量增加，活性较高，有利于提高污/废水处理效果。
| [1] | JIN Y, DING D, FENG C, et al. Performance of sequencing batch biofilm reactors with different control systems in treating synthetic municipal wastewater[J]. Bioresource Technology, 2012, 104 (1): 12–18. |
| [2] | LI H, ZHANG Y, YANG M, et al. Effects of hydraulic retent-ion time on nitrification activities and population dynamics of a conventional activated sludge system[J]. Frontiers of Enviro-nmental Science & Engineering, 2013, 7 (1): 43–48. |
| [3] | MAO Y, QUAN X, ZHAO H, et al. Accelerated startup of moving bed biofilm process with novel electrophilic suspended biofilm carriers[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 315 : 364–372. DOI: 10.1016/j.cej.2017.01.041 |
| [4] | TERADA A, OKUYAMA K, NISHIKAWA M, et al. The effect of surface charge property on Escherichia coli initial adhe-sion and subsequent biofilm formation[J]. Biotechnology & Bio-engineering, 2012, 109 (7): 1745–1754. |
| [5] | GUO K, FREGUIA S, DENNIS P G, et al. Effects of surface charge and hydrophobicity on anodic biofilm formation, comm-unity composition, and current generation in bioelectrochemical systems[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47 (13): 7563–7570. |
| [6] | FERNANDEZ M R, CASABONA M G, ANUPAMA V N, et al. PDMS-based porous particles as support beds for cell immo-bilization:bacterial biofilm formation as a function of porosity and polymer composition[J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces, 2010, 81 (1): 289–296. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2010.07.018 |
| [7] | JEONG Y, HERMANOWICZ S W, PARK C. Treatment of food waste recycling wastewater using anaerobic ceramic membrane bioreactor for biogas production in mainstream treatment process of domestic wastewater[J]. Water Research, 2017, 123 : 86–95. DOI: 10.1016/j.watres.2017.06.049 |
| [8] | FELFOLDI T, JURECSKA L, VAJNA B, et al. Texture and ty-pe of polymer fiber carrier determine bacterial colonization and biofilm properties in wastewater treatment[J]. Chemical Engin-eering Journal, 2015, 264 : 824–834. DOI: 10.1016/j.cej.2014.12.008 |
| [9] | MATSUMOTO S, OHTAKI A, HORI K. Carbon fiber as an excellent support material for wastewater treatment biofilms[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46 (18): 10175–10181. |
| [10] |
陈菁, 顾轶卓, 杨中甲, 等. 高温处理对几种玄武岩纤维成分和拉伸性能的影响[J].
材料工程, 2017, 45 (6): 61–66.
CHEN J, GU Y Z, YANG Z J, et al. Effects of elevated tem-perature treatment on compositions and tensile properties of sev-eral kinds basalt fibers[J]. Journal of Materials Engineering, 2017, 45 (6): 61–66. |
| [11] |
曹海琳, 张春红, 张志谦, 等. 玄武岩纤维表面涂层改性研究[J].
航空材料学报, 2007, 27 (5): 77–82.
CAO H L, ZHANG C H, ZHANG Z Q, et al. Study on sizing modification of basalt fibers[J]. Journal of Aeronautical Mat-erials, 2007, 27 (5): 77–82. DOI: 10.3969/j.issn.1005-5053.2007.05.017 |
| [12] | JIANG X, WU C D, WU Z R, et al. Basic characteristics and application of basalt fiber in the water pollution control[J]. Advanced Materials Research, 2015, 1073-1076 : 838–843. |
| [13] |
许志至, 许小红, 吴向阳, 等. 纳米SiO2分散液表面改性玄武岩纤维载体的研究[J].
合成纤维, 2016, 45 (10): 15–17.
XU Z Z, XU X H, WU X Y, et al. Study on surface modification of basalt fibers carrier by nano silica dispersion[J]. Synthetic Fiber in China, 2016, 45 (10): 15–17. |
| [14] | ZHANG X Y, ZHOU X T, NI H C, et al. Surface modification of basalt fiber with organic/inorganic composites for biofilm carrier used in wastewater treatment[J]. ACS Sustainable Che-mistry & Engineering, 2018, 6 (2): 2596–2602. |
| [15] |
吕生华, 李莹, 杨文强, 等. 氧化石墨烯/壳聚糖生物复合材料的制备及应用研究进展[J].
材料工程, 2016, 44 (10): 119–128.
LYU S H, LI Y, YANG W Q, et al. Research progress on preparation and application of graphene oxide/chitosan bioco-mposites[J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44 (10): 119–128. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.10.017 |
| [16] |
廖晓燕, 程江, 皮丕辉, 等. 可降解高分子生物膜载体的研究进展[J].
材料导报, 2008, 22 (4): 96–99.
LIAO X Y, CHENG J, PI P H, et al. Research progress in degradable polymer biofilm carriers[J]. Materials Review, 2008, 22 (4): 96–99. DOI: 10.3321/j.issn:1005-023X.2008.04.024 |
| [17] |
耿佳, 冯芳, 孔丹, 等. 壳聚糖改性聚氨酯载体处理高氨氮废水的研究[J].
材料导报, 2013, 27 (2): 116–120.
GENG J, FENG F, KONG D, et al. Study on chitosan modified polyurethane foams carrier for treatment of wastewater conta-ining strong ammonium[J]. Materials Review, 2013, 27 (2): 116–120. DOI: 10.3969/j.issn.1005-023X.2013.02.031 |
| [18] |
许跃, 刘文, 刘群华. 表面涂覆壳聚糖对碳纤维在水中分散性的影响[J].
中国造纸, 2010, 29 (3): 14–16.
XU Y, LIU W, LIU Q H. Effect of chitosan coating on the dispersion of carbon fibers in water[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29 (3): 14–16. DOI: 10.3969/j.issn.0254-508X.2010.03.004 |
| [19] | BAO Y, DAI G. Time-gradient nitric acid modification of CF biofilm-carrier and surface nature effects on microorganism immobilization behavior in wastewater[J]. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2013, 27 (4): 3918–3922. |
| [20] | SHAYED M A, HUND R D, CHERIF C. Improvement of thermo-mechanical properties of basalt fiber using heat resistant polymeric coatings[J]. Fibers & Polymers, 2014, 15 (10): 2086–2094. |
| [21] | DOUNIGHI N M, MEHRABI M, AVADI M R, et al. Prep-aration, characterization and stability investigation of chitosan nanoparticles loaded with the Echis carinatus snake venom as a novel delivery system[J]. Archives of Razi Institute, 2016, 70 (4): 269–277. |
| [22] | YUAN X, ZHU B, CAI X, et al. Optimization of interfacial properties of carbon fiber/epoxy composites via a modified polyacrylate emulsion sizing[J]. Applied Surface Science, 2016, 401 : 414–423. |
| [23] | WANG G J, LIU Y W, GUO Y J, et al. Surface modification and characterizations of basalt fibers with non-thermal plasma[J]. Surface & Coatings Technology, 2007, 201 (15): 6565–6568. |