黄孢原毛平革菌改性农业废弃物制备溢油吸附剂的特性

彭丹　李如艳　苗育

摘要[目的]构建农业废弃物制备溢油吸附剂的方法。[方法]

利用黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）改性，将玉米秸秆、玉米芯、木屑作为原材料制备出可生物降解的溢油吸附剂。用XRD和SEM表征，比较改性前后3种材料的结构变化。[结果]温度为37 ℃，最佳培养基为小米和麦麸固体培养基，改性时间为21 d，改性玉米秸秆、玉米芯、木屑吸油量分别为9.03、7.69、6.26 g/g。 [结论]该研究可为真菌改性农业废弃物制备吸附剂提供理论依据。

关键词农业废弃物；吸油剂；黄孢原毛平革菌；改性；溢油

中图分类号X712文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）20-0073-04

Abstract[Objective] The aim was to build a method of preparing oil sorbents from agriculture wastes.[Method]

Preparation of biodegradable oil adsorbent was prepared with corn straw， corn cob， scrap as raw material， and modified by Phanerochaete chrysosporium. XRD and SEM were used to characterize the structure changes of the three materials before and after modification. [Result]When the temperature was 37 ℃， the medium was solid medium of millet bran and the time of modification was 21 days， the oil absorption of modified corn straw， corncob and sawdust were 9.03， 7.69 and 6.26 g/g，respectively. [Conclusion]This study provides a theoretical basis for the preparation of adsorbent from fungal modified agricultural wastes.

Key wordsAgriculture wastes；Oil sorbent；Phanerochaete chrysosporium；Modificaton；Oil spill

石油是人类生产生活的主要能源，在石油的勘探、开采、精炼、运输、储存和使用过程中经常会发生许多石油泄漏事故。 在泄漏时，大量原油被释放，造成河流、海洋和海岸的污染[1]。通常采用原位燃烧、分散剂、撇渣器、生物菌剂降解、吸附剂和生物修复技术等益油治理技术，其中，使用吸油剂是一种高效、经济和环保的方法[2]。

在农业生产过程中會产生数量众多的植物性生物质废弃物（PBW），对于这些生物质废弃物的处置通常采用丢弃或焚烧的方法，而在这些处置过程会对环境造成严重的二次污染[3]。PBW主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，对废水中的重金属离子、染料和有机污染物具有较高吸附能力。 将农业废弃物制备成吸附剂不仅提供了低成本的吸附剂，还解决了环境中废弃物的处理问题[4]。

与无机矿物材料和有机合成材料相比，农业废弃物具有很大的吸附溢油的潜力[5-6]。农业废弃物可以通过进行化学修饰（如酰化和热改性等）提高其吸附油的能力，并降低材料親水性[7-8]。 Sun等[9-10]利用乙酸酐作为改良甘蔗渣和麦秸吸附能力的改性剂，Angelova等[11]利用碳化稻壳进行油污染净化研究。但在化学改造过程中，通常使用大量的化学试剂，容易对环境和人类造成危害。考虑到这些缺点，一些学者开展了生物改性技术的研究[12-13]。

笔者在前期研究中，采用纤维素酶为改良剂，以玉米秸秆为材料制备改性溢油吸附剂，其改性条件温和，改性后材料吸油量显著提高（6倍左右）[14]。随后采用黑曲霉、绿色木霉改性玉米秸秆固态发酵，结果表明，改性后的玉米秸秆吸油能力是未改性材料的3倍左右[15]。为了探讨木质素降解菌对农业废弃物的改性效果，笔者采用黄孢原毛平革菌固态发酵玉米秸秆、玉米芯和木屑，研究改性条件对农业废弃物吸油效果的影响。

1材料与方法

1.1材料供试原料为取自美国宾夕法尼亚州立大学试验田的玉米秸秆（RCS）、玉米芯（RCC），水清洗风干后，用小型植物粉碎机破碎，筛分成20～40目材料，备用。供试黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）来自于美国宾州立生物化学系Dr.Tien实验室，于4 ℃下保存在PDA斜面培养基上。原油来自广州石化集团，在试验前，将原油置于通风橱内挥发48 h以备用。供试原油性质：黏度0.028 Pa/s，密度0.852 g/cm3。

1.2方法

1.2.1黄孢原毛平革菌改性培养基。

1.2.1.1Badal Ⅲ 液体培养基。

为了提高黄孢原毛平革菌生长，促进其次级代谢，将Badal Ⅲ液体培养基加入装有25 g RCS、RCC和木屑（RWC）的锥形瓶中，于37 ℃培养。Badal Ⅲ 培养基成分：5.0 g MgSO4，1.0 g CaCl2，20.0 g K2HPO4，100 mL 微量元素混合液[3.0 g MgSO4，1.0 g NaCl，0.1 g CoCl，0.1 g CuSO4，10 mg H3BO3，1.5 g 次氮基三乙酸，0.5 g MnSO4，0.1 g FeSO4·7H2O，0.1 g ZnSO4·7H2O，10 mg AlK（SO4） ·12H2O，10 mg Na2MoO4·2H2O]。

1.2.1.2 固体培养基。选用Dr.Tien实验室配方，将Nature Pantry公司（State College，USA）的小米和麦麸按2∶1的质量比装入250 mL锥形瓶，接种PC后在30 ℃培养5～7 d，而后转移至25 g RCS、RCC、RWC中，在37 ℃下培养[16]。

1.2.2改性前后材料表征。

1.2.2.1BET比表面积测定。

利用美国麦克仪器公司全自动快速比表面积分析仪（ASPS2020），根据BET方程测定计算固态发酵前后RCS的比表面积变化。

1.2.2.2SEM扫描电子显微镜观察。

将喷金后的待观察RCS材料置于样品载物台中，用日本日立公司S-3700N观测改性前后材料的内部结构变化。

1.2.2.3XRD分析。

利用日本理学公司（D/max-ⅢA）X-射线衍射仪，在2θ角为10°～40°对改性前后RCS进行扫描（扫描速度为3°/min）。RCS中结晶区所占百分比用CrI表示，计算公式如下：

CrI=I002-IamI002×100

式中，CrI为结晶度指数；Iam为纤维素非结晶区衍射峰的强度（18.7°处）；I002为纤维素002结晶区衍射峰的强度（22.5°处）。

1.2.3吸油量的测定。

该研究在前人研究的基础上，采用重量法作为吸油量测定的方法。①称量吸油剂质量：0.2 g改性后的RCS；②称量恒重的表面皿质量、200目吸油网的质量，分别记为m1（g）和m2（g）；③室温下，将吸油剂置于吸油网上，并没入不含原油的水体中，将吸油装置放在60～70 r/min振荡1 h；④取出沥干10 min后，置于表面皿中称量，记为m3（g）。利用以下公式计算得到单位质量秸秆的吸油量：

q（g/g）=m3-m1-m2m材料

2结果与分析

2.1黄孢原毛平革菌改性培养基比较

据观察，与液体培养基相比，黄孢原毛平革菌优选固体培养基。根据营养含量和操作方便性，小米和麦麸提供的营养成分更完整，黄孢原毛平革菌生长需要的蛋白质、糖、维生素、脂肪酸和微量元素都能由小米和麦麸介质提供，且这种培养基的性价比更高。同时，小米和麦麸培养基供气效果更好，在小米颗粒之间可形成气囊，能提供更大的空间，以增强真菌的粘附。Ofori等[17-18]研究表明，增加曝气可以改善黄孢原毛平革菌的木质素降解活性。相比之下，液体培养基会使木质材料粘合而造成真菌生长缺氧。

从图1可见，黄孢原毛平革菌生长14 d后，在小米和麦麸培养基中改性的RCS吸油量高于在液体培养基中改性，这是由于小米和麦麸培养基提供了更好的改性环境，使真菌生长良好，改性后的RCS吸油量可达7.87 g/g。

2.2黄孢原毛平革菌改性时间对吸油能力的影响

选用小米和麦麸培养基，黄孢原毛平革菌在37 ℃分别改性RCS、RCC和RWC，改性时间为7～28 d，比较改性时间对材料吸油能力的影响。从图2可以看出，延长改性时间，RCS、RCC和RWC的吸油量均有增加，它们的最大吸油量出现在改性21 d，分别为9.03、7.69、6.26 g/g。采用黄孢原毛平革菌固态发酵改性RCS、RCC和RWC，可使材料的吸油量提高75.3%、85.7%和78.9%，其中RCC的吸油能力提升稍有优势。

2.3吸油剂的表征

黄孢原毛平革菌在37 ℃将RCS、RCC和RWC改性21 d制成吸附剂用于吸附水体中溢油，3种吸附剂分别为PCCS、PCCC和PCWC。根据XRD分析（表1），RCS经黄孢原毛平革菌改性后，结晶度指数下降了6.60%。从图3可以看出，RCS表面纤维紧致光滑，而PCCS表面形成了许多凹槽，层片状结构被撑开，这样秸秆的比表面积增大，为油分子的吸附提供更多位点[19]。

从图4可以看出，RCC结构致密[20]，但材料的结晶度是三者中最小。RCC經过黄孢原毛平革菌改性后结构有显著变化，内部呈现多孔状结构，其中还形成空管状结构，而紧致的层片状结构被撑开，这样有利于容纳更多的油分子。RCC经黄孢原毛平革菌改性后，结晶度指数下降了26.30%。

从图5可以看出，RWC的纤维呈现规则性，形成紧密交织的表面，而PCWC纤维束间的木质素被黄孢原毛平革菌部分降解，使得RWC形成层状原纤维层[21]。RWC经黄孢原毛平革菌改性后，结晶度指数下降了8.50%。由此可见，CrI的下降程度与材料的吸油量提升程度成正比，这说明材料的结晶度越小，油分子越容易被吸附，从而吸油量越大。

2.4材料的毛细管作用力

毛细管作用力可以衡量材料的润湿性[22]。 將1 cm×20 cm的玻璃管填充20～60目RCS、RCC和RWC，其下端用玻璃棉封闭。将装有材料的玻璃管浸没在机油中。当玻璃管内油面与烧杯中的油面一致时，开始计时，做油面上升高度与时间关系曲线（图6）。研究表明，毛细管作用是润湿性、堆积密度以及颗粒粒径的多元函数[23-24]。在堆积密度和粒径相同时，3种材料的润湿性与油面上升速度成正比。从图6可以看出，改性后的RCC和RWC疏水性提升，而RCS的疏水性未见明显变化。这可能是由于材料来源不同，毛细管作用力存在差异，同一植物的不同组织毛细管力也存在显著差异[25-26]。

3结论与讨论

（1）该研究比较了培养基对黄孢原毛平菌改性玉米秸秆RCS的影响，小米和麦麸固体培养基提供的营养成分更完整，同时，供气效果更好，改性后RCS吸油量高于液体培养基改性。

（2）经过黄孢原毛平菌改性21 d，RCS、RCC、RWC的吸油量分别为9.03、7.69、6.26 g/g，分别提高75.3%、85.7%和78.9%，其中RCC的吸油能力提升稍有优势。

（3）通過SEM、XRD分析比較了3种农业废弃物的结构变化，为黄孢原平毛革菌改性农业废弃物制备溢油吸附剂提供理论基础。

（4）毛细管作用是润湿性、堆积密度以及颗粒粒径的多元函数。在堆积密度和粒径相同时，3种材料的润湿性与油面上升速度成正比。改性后的RCC和RWC疏水性提升，而RCS的疏水性未见明显变化。

（5）该试验表明，利用木质素降解菌改性农业废弃物，改性条件温和，对环境影响小，吸油效果明显，并能解决农业固废的处置问题。

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