单原子层氮化碳在可见光下对灿烂弧菌的灭菌效果研究

单原子层氮化碳在可见光下对灿烂弧菌的灭菌效果研究

为了在可见光下实现对海水中灿烂弧菌Vibrio splendidus的光催化灭菌，通过煅烧和超声剥离相结合的方法制备了一种新型的非金属单原子层氮化碳 （SL g-C3N4）光催化剂，在可见光下对海水中灿烂弧菌进行了光催化灭菌研究。结果表明：制备的SL g-C3N4厚度约为0.5 nm，其吸收边带位于420 nm左右；当SL g-C3N4用量为20 mg/L，海水中灿烂弧菌的初始浓度为1×107cfu/mL时，经过90 min可见光照射，与对照组相比海水中灿烂弧菌的数量降低了约2.3个lg单位。研究表明，SL g-C3N4在可见光下能够实现光催化杀灭海水中的灿烂弧菌。

氮化碳；灿烂弧菌；光催化；灭菌

灿烂弧菌Vibrio splendidus是海水经济动物养殖过程中一种常见的病原菌，可导致刺参Apostichopus japonicus出现腐皮综合征［1-2］，还可引起海鲈Morone saxatilis［3］、牙鲆 Paralichthys olivaceus［4］、大西洋鲑Salmo salar［5］、文蛤Meretrix meretrix［6］等海水养殖生物的多种疾病。目前，防治灿烂弧菌的方法多为使用消毒剂和抗生素，但药物治疗会对养殖水环境造成潜在污染［7-8］。此外，通过合理调控养殖密度、及时清除患病个体和经常换水等方式也可防止灿烂弧菌的蔓延和传播［9］。

半导体光催化技术是一种新型高级氧化技术，具有启动迅速、操作简单、适用范围广等优点，特别是在光催化杀菌方面具有广阔的应用前景［10］。目前，半导体光催化剂多为金属氧化物，但考虑到金属资源的稀缺性，基于非金属的光催化剂研发已引起人们的关注［11］。氮化碳 （g-C3N4）是一种仅由C和N两种非金属元素构成的可见光光催化剂，具有原料易得、价格低廉、环境友好等特点，可应用于光解水产氢、化学分析和有机污染物的去除［12-14］。已有研究表明，块体g-C3N4是一种石墨相多层结构的半导体材料，当多层结构的g-C3N4转变成单原子层结构时，单原子层g-C3N4（SL g-C3N4）的比表面积和光催化活性均会高于块体g-C3N4［14］。因此，本研究中制备并表征了 SL g-C3N4，并选择海水经济动物养殖水体中常见的病原菌灿烂弧菌为处理对象，考察了SL g-C3N4在可见光下对灿烂弧菌的杀灭效果，旨在为可见光光催化灭菌技术在水产养殖水处理中的应用提供参考。

1　材料与方法

1.1材料

灿烂弧菌2CLM002取自大连海洋大学病害实验室病原库。

1.2方法

1.2.1样品的制备 称取5 g三聚氰胺 （C3H6N6，分析纯）放入坩埚中，将坩埚置于马弗炉 （KSJ型）中加热至520℃，升温速率为5℃/min，保温4 h后，自然冷却至室温，得到淡黄色的g-C3N4块体。称取g-C3N4块体0.5 g，研磨后放入石英舟中，将石英舟置于管式炉 （SK2型）中，于530℃下煅烧2.5 h，自然冷却至室温后得到黄白色絮状g-C3N4粉体。最后，将g-C3N4粉体50 mg分散于100 mL异丙醇 （C3H8O，分析纯）中，超声4 h，离心后的样品真空干燥，最终得到SL g-C3N4样品。

1.2.2样品的表征 采用原子力显微镜 （AFM，XE-70）对获得的SL g-C3N4样品形貌进行表征，采用X射线衍射仪 （XRD，LabX XRD-6000）对样品的晶体结构进行分析，采用紫外-可见漫反射光谱仪 （UV-2450）测试样品对光的吸收性能。

1.2.3样品的灭菌试验 将灿烂弧菌株从超低温冰箱 （-80℃）中转移至冰箱 （4℃）中解冻，解冻后的菌株在超净工作台上接种于胰蛋白胨大豆琼脂 （TSA，添加15 g/L NaCl）培养基中，置于25℃恒温培养箱中培养24 h，经过一次纯化后继续培养24 h。在光催化灭菌试验前，使用生理盐水将灿烂弧菌从培养基上冲下备用。

可见光光催化灭菌试验装置如图1所示。光源为功率300 W的氙灯 （PL-X300D，北京普林塞斯科技有限公司），并采用400 nm的截止滤光片屏蔽掉紫外线部分。反应器为圆柱形双层石英反应器（直径为60 mm，高度为80 mm），反应器与低温恒温反应浴 （DFY-20/30，巩义市予华仪器有限公司）相连，恒温水浴温度控制在 （25±0.5）℃。石英反应器下置磁力搅拌器搅拌反应溶液，搅拌速度控制在溶液能够充分流动。反应溶液中SL g-C3N4的浓度为20 mg/L，灿烂弧菌浓度为1×107cfu/mL。开启氙灯 （液面的光照强度为30 mW/cm2）后，每隔15 min取样一次，每次取3个平行样品。每个样品的体积为100 μL，加入900 μL生理盐水，混匀后再次稀释10倍，一直稀释到灿烂弧菌理论浓度为1×103cfu/mL为止。在洁净工作台上，取各稀释倍数的灿烂弧菌菌液100 μL，均匀涂抹在TSA培养基表面。将培养基置于25℃恒温培养箱中培养24 h后，通过显微计数法检测出各样品中灿烂弧菌浓度。以上试验中全部玻璃仪器及溶液均经过高压灭菌处理后使用。

2　结果与讨论

2.1SL g-C3N4材料性质表征

采用原子力显微镜对制备的SL g-C3N4样品进行形貌观察，结果如图2和图3所示。SL g-C3N4均呈不规则形状，规格为1～4 μm。样品测量结果如图3所示，其厚度比较均匀，约为0.5 nm。Liu等［12］从理论上提出C3N4共价晶体的存在，其最大特点是仅由C、N两种非金属元素构成，是一种不含有金属元素的化合物。C3N4被认为可能有5种结构，其中石墨相氮化碳 （g-C3N4）在常温常压下是最稳定的相。g-C3N4每层中的C、N原子均为sp2杂化，C和N相间排列，形成C3N3或C6N7的杂环，环间通过末端的N原子相连形成无限扩展的二维平面，平面堆积成具有类似石墨的层状结构［13］。

图4为g-C3N4的类石墨层状三维结构示意图，其理论层间距值与石墨的层间距值接近。层间距是指相邻两层原子中心之间的距离，g-C3N4的理论层间距值为0.326 nm。由图4可知，包含单原子层g-C3N4在内的上部和下部两个层间距之和为0.652 nm，本试验中制备的g-C3N4厚度 （图3）小于两倍层间距的理论值，由此可知，本试验中制备所得的g-C3N4材料具有单原子层结构。

图5为SL g-C3N4的XRD图，在XRD图中27.5°处有一个特征峰，通过对SL g-C3N4晶面的特征分析可知，该特征峰对应了g-C3N4的 （002）晶面［15］。光催化剂的光吸收特性是影响光催化效率的重要因素，通过对SL g-C3N4的紫外-可见漫反射光谱 （图6）分析可知，SL g-C3N4的吸收边带位于420 nm左右，表明SL g-C3N4能够吸收波长小于420 nm部分的可见光及紫外光，具有一定的可见光吸收能力。根据公式E=hc/λ（其中E为能量，h为普朗克常数，c为光速，λ为入射光的波长）计算得到其禁带宽度约为3.0 eV［10］。

2.2SL g-C3N4的灭菌效果

由图7可见，在无催化剂的可见光照射下和黑暗对照条件下，反应溶液中灿烂弧菌的浓度均略有下降，两种条件下溶液中灿烂弧菌浓度下降变化趋势基本一致，在90 min后，溶液中灿烂弧菌浓度下降约1个lg单位。当溶液中加入SL g-C3N4催化剂后 （试验组），在可见光照射下，溶液中灿烂弧菌浓度下降趋势明显，与对照组相比，在30 min时，溶液中灿烂弧菌浓度下降1.2个lg单位，在90 min时，下降2.3个lg单位。本研究表明，SL g-C3N4在吸收可见光下可有效杀灭水中的灿烂弧菌。

图1　光催化灭菌装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the photocatalytic disinfection apparatus used in the experiment

图2　SL g-C3N4的AFM图Fig.2 AFM image of SL g-C3N4

图3　AFM表征SL g-C3N4的厚度 （图2中实线标记处）Fig.3 Cross-sectional plots along the line in Fig.2

图4　g-C3N4的三维结构示意图Fig.4 Three dimensional representation of the g-C3N4structure

图5　SL g-C3N4的XRD图Fig.5 XRD of SL g-C3N4

图6　SL g-C3N4的紫外-可见漫反射光谱Fig.6 　UV-vis diffuse reflectance spectrum of SL g-C3N4

图7　可见光下SL g-C3N4对灿烂弧菌的灭菌效果Fig.7 Photocatalytic disinfection of Vibrio splendidus using SL g-C3N4

在已报道的光催化灭菌研究中，TiO2作为最常用的光催化剂被广泛应用。Matsunaga等［16］研究发现，TiO2在紫外光照条件下可以极大地提高对大肠杆菌的杀灭能力；刘平等［17］研究发现，TiO2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有杀灭作用；王浩等［18］和Cai等［19］研究了TiO2在特定条件下对肿瘤细胞和癌细胞的杀灭作用。但是，TiO2光催化剂只能吸收利用紫外光，这严重限制了TiO2的实际应用范畴［20］。本研究中，选用的SL g-C3N4属于典型非金属光催化剂，具有单原子层结构，能够吸收利用部分可见光，该催化剂在氙灯 （滤去400 nm以下波长光）照射下，对海水中的灿烂弧菌有一定的杀灭效果，表明SL g-C3N4在可见光灭菌方面具有一定的潜在应用前景。

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林中凌1，王华1，孙羿1，刘萱2，赵焕新3，吕丰訸1，刘璐1，鲁阳1
（1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁省贝类良种繁育工程技术研究中心，辽宁大连116023；2.大连理工大学 环境学院，辽宁大连116024；3.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁沈阳110142）

Photocatalytic disinfection of Vibrio splendidus under visible light irradiation by atomic single layer g-C3N4

LIN Zhong-ling1，WANG Hua1，SUN Yi1，LIU Xuan2，ZHAO Huan-xin3，LÜ Feng-he1，LIU Lu1，LU Yang1
（1.Engineering Research Center of Shellfish Culture and Breeding in Liaoning Province，College of Fisheries and Life Science，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China；2.College of Environment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.School of Environmental and Safety Technology，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China）

The photocatalytic disinfection of Vibrio splendidus was investigated under visible light irradiation using metal-free semiconductor single layer g-C3N4（SL g-C3N4）which was about 0.5 nm in thickness，adsorption edge of about 420 nm，and fabricated by calcined and ultrasonic process.The cell density of Vibrio splendidus was shown to be decreased at a rate of about 2.3 lg unit in 90 min irradiation at an initial Vibrio splendidus cell density of 1× 107cfu/mL and SL g-C3N4concentration of 20 mg/L in water.The findings indicated that the SL g-C3N4had the capability for disinfection of Vibrio splendidus under visible light irradiation.

g-C3N4；Vibrio splendidus；photocatalysis；disinfection

S949

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.04.006

2095-1388（2016）04-0380-04

2015-11-28

辽宁省教育厅科研项目 （L2015435）；辽宁省自然科学基金资助项目 （2014020149）作者简介：林中凌 （1991—），男，硕士研究生。E-mail：791248298@qq.com

王华 （1973—），男，博士，副教授。E-mail：wanghua@dlou.edu.cn；

赵焕新 （1985—），男，博士，讲师。E-mail：zhaohuanxin@syuct.edu.cn