一種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子及其組裝和應(yīng)用方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子及其組裝和應(yīng)用方法。本發(fā)明以絲狀真菌為組裝驅(qū)動(dòng)體，以糖類(lèi)等生物質(zhì)為生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的能量源，將分散在水溶液中的粉體添加于絲狀真菌生長(zhǎng)溶液內(nèi)，經(jīng)恒溫振蕩培養(yǎng)，得到以菌絲體為基質(zhì)，定向負(fù)載粉體粒子的宏觀組裝體。本發(fā)明過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、高效且清潔可持續(xù)，可規(guī)模化粉體組裝，適用于炭、無(wú)機(jī)氧化物、聚合物等系列納米材料的宏觀組裝制備。所得組裝粒子尺寸可達(dá)到0.1-5mm，不僅孔隙發(fā)達(dá)，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可有效應(yīng)用于水體污染物吸附。CGMCC No.559920111215
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子及其組裝和應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種綠色清潔可持續(xù)的粉體（含超細(xì)粉體）的組裝方法，自組裝粒子 及其應(yīng)用方法，屬于微納材料組裝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 粉體材料，尤其是超細(xì)粉體，具有巨大的比表面積，對(duì)環(huán)境刺激響應(yīng)的靈敏 度很高，與跟其接觸的物質(zhì)作用能力很強(qiáng)。因此，粉體材料在很多學(xué)科和領(lǐng)域有著 廣泛的應(yīng)用潛力。如高分子或氧化物粉體常被用于水處理吸附領(lǐng)域和各種傳感應(yīng)用 中。Wang等報(bào)道了納米級(jí)氧化鐵對(duì)砷具有高效吸附能力[ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5, 12449-12459] ;Zhang等報(bào)道了聚間苯二胺納米粒子對(duì)染料等污染 物吸附量可超過(guò) 300mg g 1IiJournal of Materials Chemistry, 2012, 22, 18244-18251]; Kaner等發(fā)現(xiàn)聚苯胺納米纖維具有更靈敏的硫化氫傳感能力[Accounts of Chemical Research, 2009, 42, 135-145]〇
[0003] 盡管粉體材料性能優(yōu)越，但納米顆粒本身固有的高團(tuán)聚性，會(huì)降低其接觸面積，影 響其性能；而且小尺度下的粉體材料也會(huì)增加產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成本，如環(huán)境吸附過(guò)程需要額外 增加過(guò)濾等操作能耗，存在納米毒性風(fēng)險(xiǎn)等。因此，實(shí)現(xiàn)納米材料器件化，構(gòu)建宏觀尺度的 組裝結(jié)構(gòu)，使其小尺度下優(yōu)越的性質(zhì)在宏觀世界中可操作地表達(dá)出來(lái)，是當(dāng)前納米材料研 究及應(yīng)用的熱點(diǎn)[ACS Nano,2012, 6,2693-2703]。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，目前已提出多種 組裝技術(shù)集成粉體材料性質(zhì)。Yang等提出Langmuir-Blodgett技術(shù)（LB技術(shù)）組裝貴金 屬納米纖維成規(guī)則排列的膜狀材料，并發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)越的光子應(yīng)用性能。除LB技術(shù)外， 場(chǎng)誘導(dǎo)技術(shù)、界面誘導(dǎo)技術(shù)、電紡絲技術(shù)、抽濾技術(shù)、蒸發(fā)技術(shù)等亦可用于粉體材料的組裝 [Chemical Reviews, 2012, 112, 4770-4799]。然而，現(xiàn)在的這些組裝技術(shù)不同程度地存在技 術(shù)難度大、能耗高、效率低、可持續(xù)性差等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足大規(guī)模的組裝需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種基于微生物驅(qū)動(dòng)的粉體材料（含超細(xì)粉體）的組裝新方法，以及 組裝而成的粒子和其應(yīng)用方法。通過(guò)本發(fā)明方法制備得到的粉體組裝體顆粒均勻，尺寸達(dá) 到 1-5_，孔隙發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)組裝體具有優(yōu)異吸附性能，而且組裝過(guò)程成本低、操作 簡(jiǎn)便、效率高、可持續(xù)性高、適合大規(guī)模制備。
[0005] -種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，將粉體材料與絲狀真菌混合培養(yǎng)后，即形成 以菌絲體為基質(zhì)的粉體組裝粒子。所述的粉體組裝粒子尺寸為0. 1_5_。
[0006] 上述方法中絲狀真菌優(yōu)選包括棘孢曲霉、黑曲霉、黃曲霉、根曲霉、青霉中的一種 或幾種。絲狀真菌與粉體混合培養(yǎng)時(shí)的接種濃度為0.1 -IOmg菌絲體/mL。
[0007] 上述方法中所述的粉體材料為不溶于水的固體粉末材料。粉體材料粒徑在 IOnm-IOO μ m 之間。
[0008] 上述方法中所述的粉體材料與絲狀真菌混合培養(yǎng)時(shí)的添加濃度優(yōu)選不超過(guò)15g/ L0
[0009] 上述方法中所述的粉體材料包括：碳粉、聚合物或無(wú)機(jī)化合物。
[0010] 上述方法中碳粉包括石墨烯、石墨、碳納米管、活性炭中的一種或幾種；聚合物包 括共輒聚合物、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂中的一種或幾種；無(wú)機(jī)化合物包括金屬氧化物、合金粉、 類(lèi)金屬氧化物或合金中的一種或幾種。
[0011] 上述方法中粉體材料優(yōu)選包括：氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎳、納米碳球、碳納 米管、石墨稀、活性炭、娃納米粒子、聚間苯二胺納米粒子中的一種或幾種。
[0012] 上述方法中所述的組裝粒子培養(yǎng)溫度為30_40°C，優(yōu)選35_38°C ;培養(yǎng)振蕩速率為 50-300rpm，優(yōu)選 100-200rpm ;培養(yǎng)時(shí)間為 6-120h，優(yōu)選 72-96h。
[0013] 上述方法中粉體材料與絲狀真菌混合培養(yǎng)的培養(yǎng)液中含有絲狀真菌生長(zhǎng)所需的 糖類(lèi)和微量成分。糖類(lèi)包括葡萄糖、蔗糖、麥芽糖中的一種或幾種；微量成分包括可溶性鈉 鹽、鈣鹽、鎂鹽、亞鐵鹽和鉀鹽。糖類(lèi)在混合培養(yǎng)液中的濃度范圍為l〇-l〇〇g/L?？扇苄遭c鹽 包括硝酸鈉，可溶性鈣鹽包括氯化鈣，可溶性鉀鹽包括磷酸氫二鉀，可溶性鎂鹽包括氯化鎂 和硫酸鎂中的一種或兩種，可溶性亞鐵鹽包括硫酸亞鐵。
[0014] 上述方法中粉體材料與絲狀真菌混合培養(yǎng)的培養(yǎng)液中含有硫酸鎂0. 5g/L，硫酸亞 鐵0. 01g/L，磷酸氫二鉀2g/L，硝酸鈉 3g/L，氯化鈣0. 5g/L。
[0015] -種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子，是由上述的方法組裝而成。
[0016] 所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子的應(yīng)用方法，用于水體污染物的吸附。
[0017] 水體污染物包括：重金屬、陰離子、有機(jī)污染物。
[0018] 本發(fā)明有益效果：
[0019] (1)本發(fā)明提出的微粒組裝技術(shù)普適性強(qiáng)，可以使不同尺度微納粒子，自組裝形 成，適用于各種不溶于水、不同粒徑的粉體材料的宏觀組裝體構(gòu)建，為當(dāng)前微納尺度材料的 自組裝提供了一個(gè)新的技術(shù)思路，具有重大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。
[0020] (2)本發(fā)明所提出的微粒組裝技術(shù)基于絲狀真菌生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)提出。絲狀真菌生長(zhǎng)所 需能量均由糖類(lèi)等生物質(zhì)提供，清潔無(wú)害，環(huán)境友好，具有可持續(xù)特性。
[0021] (3)本發(fā)明通過(guò)絲狀真菌的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)，使水溶液中的粉體材料自發(fā)、有序吸附于菌 絲表面，形成宏觀尺度組裝體。過(guò)程操作簡(jiǎn)單、成本低、可持續(xù)性高，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)， 對(duì)于實(shí)現(xiàn)微納材料組裝領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化有重要意義。
[0022] (4)本發(fā)明所得組裝粒子具有宏觀尺度，而且孔隙發(fā)達(dá)，可以直接應(yīng)用于水體污染 物吸附，具有潛在的應(yīng)用前景。
[0023] 本發(fā)明的菌株P(guān)enicillium Chrysogenum Fl已經(jīng)于2011年12月15日保藏于 中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，地址：中國(guó)北京市朝陽(yáng)區(qū)北辰西路1號(hào) 院3號(hào)，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所，保藏號(hào)為CGMCC No. 5599,分類(lèi)命名為Penicillium Chrysogenum0
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是聚間苯二胺納米粒子形貌圖；
[0025] 圖2是氧化鐵納米粒子形貌圖；
[0026] 圖3是活性炭粉形貌圖；
[0027] 圖4是本發(fā)明不同粉體材料的組裝體圖；從左至右分別是氧化鐵、活性炭粉及聚 間苯二胺組裝粒子；
[0028] 圖5是本發(fā)明Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)與聚間苯二胺納米粒子組裝 材料的SEM圖；
[0029] 圖6是本發(fā)明Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)與氧化鐵粉體組裝材料的 SEM 圖；
[0030] 圖 7 是本發(fā)明 Penicillium Chrysogenum Fl (CGMCC No. 5599)與活性炭粉體組裝 材料的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下實(shí)施例分別以?xún)煞N不同屬的絲狀真菌進(jìn)行試驗(yàn)，分別為Aspergillus niger(CCTCC AF 91006)、Penicillium Chrysogenum Fl (CGMCC No. 5599)，結(jié)合實(shí)施例對(duì)本 發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，而不會(huì)限制本發(fā)明。
[0032] 實(shí)施例1
[0033] 菌種的準(zhǔn)備。稱(chēng)量200g清洗干凈的土豆切條，加入500ml的去離子水并煮沸20 分鐘。所得濾液用去離子水定容到1L，并在121°C下高壓滅菌鍋中滅菌15分鐘。收取平板 上培養(yǎng)好的真菌孢子，接種到滅菌的培養(yǎng)基中，每100mL培養(yǎng)基接種IO 6-IO7個(gè)孢子，孢子數(shù) 通過(guò)平板讀數(shù)法計(jì)算。培養(yǎng)基置于轉(zhuǎn)速150rpm，37°C的搖床培養(yǎng)3天，得到大量的菌絲液。 通過(guò)1500rpm的高速攪拌攪勾菌絲，備用。
[0034] 實(shí)施例2
[0035] 粉體組裝用培養(yǎng)基的準(zhǔn)備。稱(chēng)量糖類(lèi)20g(糖類(lèi)選擇可為葡萄糖、麥芽糖、或蔗糖 等），硫酸鎂〇. 5g，硫酸化亞鐵0.0 lg，磷酸氫二鉀2g，硝酸鈉3g，氯化媽0. 5g，定溶于IL去 離子水中，分裝至錐形瓶中，經(jīng)121°C高壓滅菌15分鐘，得到組裝用的培養(yǎng)基。
[0036] 實(shí)施例3
[0037] 聚合物粉體的組裝。稱(chēng)量一定量的聚間苯二胺粉體（90nm-1000nm)，將其投加至實(shí) 施例2的組裝用培養(yǎng)基中，最大濃度為4g/L。再經(jīng)121°C高壓滅菌15分鐘。其后，在無(wú)菌 操作臺(tái)內(nèi)移取Iml實(shí)施例1的Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)菌絲液（按照7mg菌 絲體/mL濃度接種）至培養(yǎng)基中。150rpm，37°C經(jīng)3天培養(yǎng)，得球形組裝體，宏觀尺度達(dá)到 0. 5mm ~ 3mm〇
[0038] 實(shí)施例4
[0039] 氧化鐵粉體的組裝。稱(chēng)量一定量的氧化鐵粉體（50nm-1000nm)，將其投加至實(shí)施 例2組裝用培養(yǎng)基中，最大濃度為15g/L。再經(jīng)121°C高壓滅菌15分鐘。其后，在無(wú)菌操作 臺(tái)內(nèi)移取Iml實(shí)施例1的Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)菌絲液（按照2mg菌絲體 /mL濃度接種）至培養(yǎng)基中。150rpm，37°C僅需6小時(shí)培養(yǎng)，得球形組裝體，宏觀尺度達(dá)到 Imm ~5mm〇
[0040] 實(shí)施例5
[0041] 碳粉的組裝。稱(chēng)量一定量的活性炭粉體（15nm_10 μ m)，將其投加至實(shí)施例2組裝 用培養(yǎng)基中，最大濃度可為5g/L。再經(jīng)121°C高壓滅菌15分鐘。其后，在無(wú)菌操作臺(tái)內(nèi)移取 Iml實(shí)施例1的Aspergillus niger (CCTCC AF 91006)菌絲液（按照5mg菌絲體ZmT,濃度 接種）至培養(yǎng)基中。150rpm，37°C經(jīng)過(guò)4天培養(yǎng)，得球形組裝體，宏觀尺度達(dá)到Imm~5mm。
[0042] 相關(guān)組裝材料形貌如圖4-6所示。由圖可見(jiàn)，通過(guò)基于本發(fā)明提出的組裝方法得 到的組裝材料宏觀尺度在0. l_5mm間，而且粉體粒子緊密吸附或負(fù)載于菌絲體表面，形成 一種特殊的以菌絲體為基質(zhì)的系列納米粉體宏觀自組裝體。而且組裝體含有大量的孔隙結(jié) 構(gòu)，有利于保障良好的傳質(zhì)及接觸效率。
[0043] 實(shí)施例6
[0044] 其他絲狀真菌也可用于納米粒子組裝，本實(shí)施例采用Penicillium Chrysogenum F1(CGMCC No. 5599)進(jìn)行拓展展示。菌種的準(zhǔn)備以及組裝培養(yǎng)基的準(zhǔn)備與實(shí)施例1和2 的方法一致。分別準(zhǔn)備l〇g/L的聚間苯二胺納米粒子粉體、氧化鐵粉體和活性炭粉體分 散液加入到組裝培養(yǎng)基中，經(jīng)121°C高壓滅菌15分鐘。其后，在無(wú)菌操作臺(tái)內(nèi)移取Iml Penicillium Chrysogenum Fl (CGMCC No. 5599)的菌絲液至培養(yǎng)基中（按照 5mg 菌絲體 / mL濃度接種）。150rpm，37°C經(jīng)過(guò)4天培養(yǎng)，得球形組裝體，宏觀尺度達(dá)到0.1 mm~5mm。
[0045] 實(shí)施例7
[0046] 為進(jìn)一步考察所得組裝粒子的應(yīng)用效果，測(cè)定了得到的組裝體對(duì)水體中有機(jī)物的 吸附作用。操作步驟為，用紗布過(guò)濾組裝粒子，濾干多余的水分直至無(wú)液滴，稱(chēng)量5g產(chǎn)物， 投加至100mL的橙黃G溶液，濃度為lOOppm，調(diào)節(jié)溶液pH = 1，振蕩6小時(shí)，過(guò)濾分離。采 用分光光度法，分析溶液中橙黃G的殘余濃度，計(jì)算脫除率。相關(guān)結(jié)果如下表所示。
[0048] 由上表可見(jiàn)，本發(fā)明所得粒子經(jīng)過(guò)組裝后，仍然展現(xiàn)了對(duì)溶質(zhì)良好的傳質(zhì)效率，對(duì) 水體中有機(jī)物有優(yōu)異的吸附作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，將粉體材料與絲狀真菌混合培養(yǎng) 后，即形成以菌絲體為基質(zhì)的粉體組裝粒子。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，所述的粉體組 裝粒子尺寸為0. l-5mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，絲狀真菌包括 棘孢曲霉、黑曲霉、黃曲霉、根曲霉、青霉中的一種或幾種。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，絲狀真 菌與粉體混合培養(yǎng)時(shí)的接種濃度為〇. l-l〇mg菌絲體/mL。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，所述的粉體材 料為不溶于水的固體粉末材料。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，所述的粉體材 料粒徑在10nm-100 μ m之間。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，所述的粉體 材料與絲狀真菌混合培養(yǎng)時(shí)的添加濃度不超過(guò)15g/L。8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，所述的粉體 材料包括：碳粉、聚合物或無(wú)機(jī)化合物。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，碳粉包括石墨 烯、石墨、碳納米管、活性炭中的一種或幾種；聚合物包括共輒聚合物、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂 中的一種或幾種；無(wú)機(jī)化合物包括金屬氧化物、合金粉、類(lèi)金屬氧化物或合金中的一種或幾 種。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，粉體材料包 括：氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎳、納米碳球、碳納米管、石墨稀、活性炭、娃納米粒子、聚 間苯二胺納米粒子中的一種或幾種。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，其特征在于， 所述的組裝粒子培養(yǎng)溫度為30-40°C ;培養(yǎng)振蕩速率為50-300rpm ;培養(yǎng)時(shí)間為6-120h。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，其特征在于， 所述的組裝粒子培養(yǎng)溫度為35-38°C ;培養(yǎng)振蕩速率為100_200rpm ;培養(yǎng)時(shí)間為72-96h。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，粉體材料與絲 狀真菌混合培養(yǎng)的培養(yǎng)液中含有絲狀真菌生長(zhǎng)所需的糖類(lèi)和微量成分。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，糖類(lèi)包括葡 萄糖、蔗糖、麥芽糖中的一種或幾種；微量成分包括可溶性鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽、亞鐵鹽和鉀鹽。15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，糖類(lèi)在 混合培養(yǎng)液中的濃度范圍為l〇-l〇〇g/L。16. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，可溶性 鈉鹽包括硝酸鈉，可溶性鈣鹽包括氯化鈣，可溶性鉀鹽包括磷酸氫二鉀，可溶性鎂鹽包括氯 化鎂和硫酸鎂中的一種或兩種，可溶性亞鐵鹽包括硫酸亞鐵。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝方法，其特征在于，粉體材料與 絲狀真菌混合培養(yǎng)的培養(yǎng)液中含有硫酸鎂0. 5g/L，硫酸亞鐵0. 01g/L，磷酸氫二鉀2g/L，硝 酸鈉3g/L，氯化鈣0. 5g/L。18. -種微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子，是由權(quán)利要求1或2或3或5或6或11或12 或13或14所述的方法組裝而成。19. 權(quán)利要求18所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子的應(yīng)用方法，其特征在于，用于 水體污染物的吸附。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的微生物基驅(qū)動(dòng)粉體自組裝粒子的應(yīng)用方法，其特征在于， 水體污染物包括：重金屬、陰離子、有機(jī)污染物。
【文檔編號(hào)】C12R1/80GK105861313SQ201510027548
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日
【發(fā)明人】柴立元, 王海鷹, 張理源, 唐崇儉, 李曉銳, 楊志輝, 李青竹, 楊衛(wèi)春, 劉恢, 閔小波, 廖騏, 王慶偉
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)