改性碳纳米管吸附水中肠道菌群的研究

万洪善+袁芹

摘要：以1-乙基-3（3-二甲基氨基丙基）碳化二亚胺（EDC）为相偶联剂，通过海藻酸钠（SAL）对碳纳米管（CNTs）进行修饰和改性，选取水中肠道菌群作为对象，研究改性碳纳米管对水中微生物的吸附效果，探讨了溶液pH值、吸附时间和吸附剂量对吸附过程的影响。结果表明，CNTs经海藻酸钠改性后，对肠道菌群的吸附能力提高，当溶液pH值7.0时，具有最大吸附率，在初始90min内保持较高的吸附速率，且吸附率随着吸附剂量的增加而增大，改性碳纳米管（SAL-MWCNT-COOH）吸附剂从2.5mg增加到12.5mg时，吸附率从78.6%提高到89.6%。

关键词：碳纳米管；表面改性；大肠杆菌；吸附

中图分类号：TQ424.3文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）11-0395-03

粉末活性炭（PAC）是目前饮用水净水处理的常用材料，但PAC净水存在微生物泄漏使水二次污染的问题。近年来，纳米水处理技术在国内外取得了一定的效果。纳米材料，如碳纳米管（CNTs），具有特殊的水处理能力并且能够有效地去除化学污染物和生物污染物[1]。CNTs作为一种新型材料，经世界范围内众多学者的研究验证，具有非常优秀的吸附性能，甚至大大超过当前制水行业普遍使用的活性炭[2-5]。近年来，随着CNTs抗菌性能的发现，其在水处理抗菌领域的潜在应用渐渐引起了科学界的广泛关注。与传统的化学消毒剂不同，CNTs应用于水中抗菌并不会产生消毒副产物（DBPs）问题。此外，由于其巨大的比表面积，CNTs对水中细菌具有极强的吸附性能，CNTs对水中病菌可能具有浓缩和灭活双重性能[6]。因此，CNTs在水处理抗菌领域可能具有良好的应用前景。但CNTs的长度一般在几百纳米到数十微米之间，在其吸附微污染物后，采用常规水处理工艺中的分离方法，很难将CNTs完全从水中分离出来，而微小尺寸的CNTs对水环境造成二次微污染势必对人体的健康造成不良的影响[7]，这些问题严重地限制了CNTs在水处理中的实际应用。

本试验以水中常见细菌大肠杆菌（Escherichiacoil）作为对象，以1-乙基-3（3-二甲基氨基丙基）碳化二亚胺（EDC）为相偶联剂，在水介质、弱酸性条件下，采用超声波辅助法接枝水溶性高分子海藻酸钠（alginatesodium，SAL），得到修饰的碳纳米管复合物，研究SAL-MWCNTS-COOH复合材料对肠道菌群的吸附性能。

1材料与方法

1.1试验材料与设备

MWCNT（多壁碳纳米管，XFM13，南京先丰纳米科技材料有限公司）；大肠杆菌E.coil（来源于连云港市第一人民医院）；LB培养基，自制；SAL（国药集团化学试剂有限公司）；碳二亚胺盐酸盐（EDC）（sigma-aldrich公司）；其他试剂均为分析纯。JEM-100CXⅡ透射电子显微镜（transmissionelectronmicroscope，TEM，日本电子株式会社）；BL6-180型高功率数控超声波清洗器（上海比朗仪器有限公司）；SX-500型灭菌锅（sigma-aldrich公司）。

1.2试验方法

1.2.1SAL-MWCNT-COOH复合物的制备SAL-MWCNT-COOH复合物的制备参照文献[8]。

1.2.2测试与表征在扫描电镜和透射电镜上完成。

1.2.3SAL-MWCNT-COOH复合物吸附+大肠杆菌的试验将E.coil活化后置于LB液体培养基中，在37℃下恒温培养24h。取干热灭菌后的200mL锥形瓶4个，编号为1～4，分别加入一定量的生理盐水，然后在2～4号中加入一定量的吸附材料，超声分散10min，1号为空白对照。在1～4号锥形瓶中加入纯化后的大肠杆菌菌液，菌液初始含量C0为104～106CFU/mL，恒温振荡培养箱中培养。取1～4号锥形瓶上层液体，膜滤，滤液稀释103倍，取稀释后菌液1mL接种于编号为1～4号的固体培养基上，涂布均匀后，在37℃条件下培养24h，然后取出计数。

吸附剂吸附后，溶液中剩余自由E.coil的总菌含量计数方法：总菌含量=（固体培养基上菌落数×稀释倍数）/所测样品溶液体积。

2结果与讨论

2.1改性碳纳米管的扫描电镜图

从图1中可以清晰地观察到碳纳米管以纤维状形态存在，碳纳米管大都是以单根的形式存在，弯曲程度较大、碳管较长，相互缠绕，形成网络状。

2.2改性碳纳米管的透视电镜

通过透射电镜观察可知，未处理过的MWNTs存在着较

严重的缠结和团聚现象（图2-a），而MWCNT-SAL复合物分散性明显提高，基本达到单根分散程度（图2-b）。

2.3吸附试验及结果

2.3.1吸附效果的平板菌落图

采用平板菌落法进行吸附性能测试。

图3是大肠杆菌在相同条件下经过3种吸附剂吸附后，形成的平板菌落图。从图3中可以看出，碳纳米管经过羧基化、海藻酸钠改性后吸附效果明显提高，其中图3-c吸附效果最好，生成的菌落数最少。

2.3.2pH值对吸附效果的影响

分别称取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理盐水的2～4号锥形瓶中，室温下超声分散10min，然后在1～4号锥形瓶中加入待处理菌液，温度37℃，以200r/min转速振荡4h后取样，检测pH值对吸附效果的影响。在研究pH值对吸附剂吸附去除E.coil的影响时，应考虑到E.coil的适宜生存条件，防止E.coil因过酸或过碱而死亡而影响试验结果，取pH值为5.0～9.0，研究pH值对E.coil去除率的影响（图4）。

从图4可以看出，pH值7.0时吸附效果最好，pH值超过7.0以后，随着pH值增大，吸附率逐渐减小，这可能与E.coil和CNTs的零电荷点（pHpzc）有关。E.coil的pHpzc=4.4，因此在试验条件pH值=5.0～9.0下，E.coil表面带负电荷。当反应液pH值pHpzc，CNTs表面电荷将会排斥E.coil。随着溶液pH值从pH值=5.0越来越接近CNTs的pHpzc，CNTs表面所带正电荷越来越少，而E.coil表面的负电荷越来越多，因此在pH值7.0附近电荷相吸作用达到极大值。这与文献[5]的报道相符。

2.3.3吸附时间对吸附效果的影响

分别称取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理盐水的2～4号锥形瓶中，室温下超声分散10min，然后在1～4号锥形瓶中加入待处理菌液，调节菌液pH值为7.0，温度37℃，以200r/min转速振荡，检测吸附时间对吸附效果的影响，结果见图5。

由图5可见，SAL-MWCNT-COOH复合物对大肠杆菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH与MWCNTs之间。90min时，3种吸附剂的吸附率分别为34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增长迅速，这是由于MWCNT经过改性后，碳纳米管表面产生了许多官能团，如羟基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面积和孔容积亦有所增加，有利于水溶性大肠杆菌的吸附去除。120min以后，吸附率增长缓慢，当到360min时，3种吸附剂吸附率基本达到最大值而不再变化，分别为37.2%、57.8%、83.0%。

2.3.4吸附剂量对吸附效果的影响

当菌液pH值调节为7.0，在温度37℃下，以200r/min转速振荡90min，检测吸附剂量对吸附效果的影响，结果见图6。由图6可知，当吸附剂的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]时，3种吸附剂的吸附率随着吸附剂量的增

多而快速增大；吸附剂的量大于5.0mg以后，吸附率增加缓慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3种吸附剂从2.5mg增加到12.5mg时，MWCNTs吸附率从38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率从78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于两者之间。在相同条件下，随着吸附剂量的增加，其吸附率逐渐增大，主要是由于吸附剂的量增多，增加了有效官能团和吸附的活性位点，从而提高了MWCNTs大肠杆菌的吸附作用。但是，从经济角度考虑，并不是吸附剂量越大越好，综合考虑吸附剂的量和吸附效果，5.0mg吸附剂的量比较适宜。

3结论

MWCNTs经SAL修饰后，提高了分散性、表面积和孔容积。

pH值为7.0时，MWCNTs吸附大肠杆菌的吸附平衡时间为90min；当吸附剂的量小于2.5mg时，吸附率随着吸附剂量的增多而快速增大，吸附剂的量大于5.0mg后，吸附率增加缓慢，海藻酸钠-碳纳米管复合物的量从2.5mg增加到12.5mg时，吸附率从78.6%提高到89.6%。因此，从经济角度考虑，并不是吸附剂的量越大越好，综合考虑吸附剂的量和吸附效果，5.0mg吸附剂的量比较适宜。（3）碳纳米管独特的结构和性质决定它在吸附方面必有良好的应用前景，在实际应用中有望为能源和环境的可持续发展提供解决途径。

参考文献：

[1]宫艳萍，高欣，尹文利.碳纳米管净水材料的应用[J].中国新技术新产品，2013（12）：36.

[2]庄媛，刘谌，王宏煜.碳纳米管吸附性能研究进展[J].科技资讯，2009（18）：3.

[3]张艳荣.碳纳米管的研究现状及应用[J].中国科技信息，2008（16）：36-38.

[4]彭先佳，贾建军，栾兆坤，等.碳纳米管在水处理材料领域的应用[J].化学进展，2009，21（9）：1987-1992.

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[6]张令滇，隋铭皓，盛力，等.碳纳米管对水中致病菌抗菌性能研究进展[J].水处理技术，2013，39（11）：1-4，28.

[7]刘福强.碳纳米管海藻酸钠复合材料对污水中重金属离子的吸附性能研究[D].青岛：青岛大学，2010.

[8]万洪善，刘妍.奥沙利铂-壳聚糖-海藻酸钠-多壁碳纳米管复合物的体外缓释行为[J].江苏农业科学，2013，41（7）：299-302.endprint

2.3.3吸附时间对吸附效果的影响

分别称取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理盐水的2～4号锥形瓶中，室温下超声分散10min，然后在1～4号锥形瓶中加入待处理菌液，调节菌液pH值为7.0，温度37℃，以200r/min转速振荡，检测吸附时间对吸附效果的影响，结果见图5。

由图5可见，SAL-MWCNT-COOH复合物对大肠杆菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH与MWCNTs之间。90min时，3种吸附剂的吸附率分别为34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增长迅速，这是由于MWCNT经过改性后，碳纳米管表面产生了许多官能团，如羟基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面积和孔容积亦有所增加，有利于水溶性大肠杆菌的吸附去除。120min以后，吸附率增长缓慢，当到360min时，3种吸附剂吸附率基本达到最大值而不再变化，分别为37.2%、57.8%、83.0%。

2.3.4吸附剂量对吸附效果的影响

当菌液pH值调节为7.0，在温度37℃下，以200r/min转速振荡90min，检测吸附剂量对吸附效果的影响，结果见图6。由图6可知，当吸附剂的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]时，3种吸附剂的吸附率随着吸附剂量的增

多而快速增大；吸附剂的量大于5.0mg以后，吸附率增加缓慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3种吸附剂从2.5mg增加到12.5mg时，MWCNTs吸附率从38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率从78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于两者之间。在相同条件下，随着吸附剂量的增加，其吸附率逐渐增大，主要是由于吸附剂的量增多，增加了有效官能团和吸附的活性位点，从而提高了MWCNTs大肠杆菌的吸附作用。但是，从经济角度考虑，并不是吸附剂量越大越好，综合考虑吸附剂的量和吸附效果，5.0mg吸附剂的量比较适宜。

3结论

MWCNTs经SAL修饰后，提高了分散性、表面积和孔容积。

pH值为7.0时，MWCNTs吸附大肠杆菌的吸附平衡时间为90min；当吸附剂的量小于2.5mg时，吸附率随着吸附剂量的增多而快速增大，吸附剂的量大于5.0mg后，吸附率增加缓慢，海藻酸钠-碳纳米管复合物的量从2.5mg增加到12.5mg时，吸附率从78.6%提高到89.6%。因此，从经济角度考虑，并不是吸附剂的量越大越好，综合考虑吸附剂的量和吸附效果，5.0mg吸附剂的量比较适宜。（3）碳纳米管独特的结构和性质决定它在吸附方面必有良好的应用前景，在实际应用中有望为能源和环境的可持续发展提供解决途径。

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[7]刘福强.碳纳米管海藻酸钠复合材料对污水中重金属离子的吸附性能研究[D].青岛：青岛大学，2010.

[8]万洪善，刘妍.奥沙利铂-壳聚糖-海藻酸钠-多壁碳纳米管复合物的体外缓释行为[J].江苏农业科学，2013，41（7）：299-302.endprint

2.3.3吸附时间对吸附效果的影响

分别称取MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH10mg加入到盛有40mL生理盐水的2～4号锥形瓶中，室温下超声分散10min，然后在1～4号锥形瓶中加入待处理菌液，调节菌液pH值为7.0，温度37℃，以200r/min转速振荡，检测吸附时间对吸附效果的影响，结果见图5。

由图5可见，SAL-MWCNT-COOH复合物对大肠杆菌的吸附速率最高，MWCNT-COOH的吸附率介于SAL-MWCNT-COOH与MWCNTs之间。90min时，3种吸附剂的吸附率分别为34.3%、53.9%、77.6%，且90min前吸附率均增长迅速，这是由于MWCNT经过改性后，碳纳米管表面产生了许多官能团，如羟基（—OH）、羰基（—C—O）等，增加了水溶性，表面积和孔容积亦有所增加，有利于水溶性大肠杆菌的吸附去除。120min以后，吸附率增长缓慢，当到360min时，3种吸附剂吸附率基本达到最大值而不再变化，分别为37.2%、57.8%、83.0%。

2.3.4吸附剂量对吸附效果的影响

当菌液pH值调节为7.0，在温度37℃下，以200r/min转速振荡90min，检测吸附剂量对吸附效果的影响，结果见图6。由图6可知，当吸附剂的量小于[KG*5]2.5mg[KG*5]时，3种吸附剂的吸附率随着吸附剂量的增

多而快速增大；吸附剂的量大于5.0mg以后，吸附率增加缓慢。MWCNTs、MWCNT-COOH、SAL-MWCNT-COOH3种吸附剂从2.5mg增加到12.5mg时，MWCNTs吸附率从38.6%提高到46.3%，SAL-MWCNT-COOH吸附率从78.6%提高到89.6%，MWCNT-COOH的吸附率介于两者之间。在相同条件下，随着吸附剂量的增加，其吸附率逐渐增大，主要是由于吸附剂的量增多，增加了有效官能团和吸附的活性位点，从而提高了MWCNTs大肠杆菌的吸附作用。但是，从经济角度考虑，并不是吸附剂量越大越好，综合考虑吸附剂的量和吸附效果，5.0mg吸附剂的量比较适宜。

3结论

MWCNTs经SAL修饰后，提高了分散性、表面积和孔容积。

pH值为7.0时，MWCNTs吸附大肠杆菌的吸附平衡时间为90min；当吸附剂的量小于2.5mg时，吸附率随着吸附剂量的增多而快速增大，吸附剂的量大于5.0mg后，吸附率增加缓慢，海藻酸钠-碳纳米管复合物的量从2.5mg增加到12.5mg时，吸附率从78.6%提高到89.6%。因此，从经济角度考虑，并不是吸附剂的量越大越好，综合考虑吸附剂的量和吸附效果，5.0mg吸附剂的量比较适宜。（3）碳纳米管独特的结构和性质决定它在吸附方面必有良好的应用前景，在实际应用中有望为能源和环境的可持续发展提供解决途径。

参考文献：

[1]宫艳萍，高欣，尹文利.碳纳米管净水材料的应用[J].中国新技术新产品，2013（12）：36.

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[7]刘福强.碳纳米管海藻酸钠复合材料对污水中重金属离子的吸附性能研究[D].青岛：青岛大学，2010.

[8]万洪善，刘妍.奥沙利铂-壳聚糖-海藻酸钠-多壁碳纳米管复合物的体外缓释行为[J].江苏农业科学，2013，41（7）：299-302.endprint