學(xué)生研究計(jì)劃項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告

學(xué)生研究計(jì)劃項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告

黑曲霉有外加碳源時(shí)改性條件對(duì)吸油實(shí)驗(yàn)的

影響

一、緒論

溢油吸附劑是能吸收液態(tài)油的材料。吸附劑通過(guò)吸收、吸附, 或者兩者同時(shí)作用來(lái)回收溢油。吸收是允許溢油進(jìn)入材料, 吸附則將溢油吸附在表面但不允許溢油進(jìn)入材料內(nèi)部[1]。現(xiàn)在廣義上的吸附包括吸收和吸附。溢油吸附劑由于其將油從液態(tài)轉(zhuǎn)移到半固態(tài)的功能，并能夠具有完全將油清除的可能性[2]，在過(guò)去和現(xiàn)在都被廣泛的使用。良好的吸附劑一般是海綿狀，其表面有孔，利用表面活性，能把油吸收到內(nèi)部孔隙里達(dá)到去除目的。目前，可生物降解的具有回用性的吸油材料的研發(fā)成為處理溢油事故處理的趨勢(shì)[3] 。

玉米秸稈作為天然的溢油吸附劑，可通過(guò)真菌改性提高其吸油量。本研究以玉米秸稈作為黑曲霉固體發(fā)酵培養(yǎng)基的基質(zhì)，利用黑曲霉代謝分泌木質(zhì)纖維素酶，由內(nèi)向外降解木質(zhì)纖維素，同時(shí)黑曲霉在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的菌絲機(jī)械穿插作用，增加玉米秸稈的孔隙，使比表面積增大，達(dá)到對(duì)玉米秸稈改性的效果。并對(duì)黑曲霉改性玉米秸稈制備溢油吸附劑的反應(yīng)條件（溫度、反應(yīng)時(shí)間、含水率和菌體投加量）及機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。

二、實(shí)驗(yàn)材料

2.1.供試菌種

生物科學(xué)與工程學(xué)院 B6-434 保藏的一株黑曲霉， 4℃下保存在馬鈴薯葡萄糖瓊脂斜面培養(yǎng)基（PDA）上。

2.2供試玉米秸稈

取自廣州市大學(xué)城穂石村，2010 年 7 月和 12 月破碎篩分的 20-40 目玉米秸稈。 2.3供試原油

廣州石化黃埔分公司提供，放置于通風(fēng)櫥中 48 h 至接近恒重，將原油中易揮發(fā)的有機(jī)化學(xué)組分去除。

2.4培養(yǎng)基

2.4.1斜面培養(yǎng)基—PDA培養(yǎng)基

PDA培養(yǎng)基成本低，屬于天然培養(yǎng)基，是培養(yǎng)真菌的經(jīng)典培養(yǎng)基。PDA培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)豐富，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黑曲霉在PDA上的生長(zhǎng)速度明顯快于察氏培養(yǎng)基。本實(shí)驗(yàn)用PDA培養(yǎng)基作為保存菌種的培養(yǎng)基。

表2-2 PDA培養(yǎng)基配方

Table 2-2 Reagent detail list of PDA

2.4.2種子培養(yǎng)基—察氏培養(yǎng)基

黑曲霉對(duì)玉米秸稈進(jìn)行改性時(shí)的固體發(fā)酵培養(yǎng)基所添加的無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液采用察氏培養(yǎng)基的配方，為讓菌體更好地適應(yīng)固體發(fā)酵的條件，菌體活化時(shí)采用察氏培養(yǎng)基。

表2-3 察氏培養(yǎng)基配方

Table 2-3 Reagent detail list of Czapek Dox Agar

2.5營(yíng)養(yǎng)液配方

表2-4 固態(tài)發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)液配方

注：（1）無(wú)外加碳源的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中不需加入蔗糖； （2）自然pH（有蔗糖的營(yíng)養(yǎng)液pH=8.58,無(wú)蔗糖的營(yíng)養(yǎng)液pH=8.43） （3）1.5 g玉米秸稈原材料中加入0.75ml固體發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)液

2.6主要設(shè)備儀器

本研究中所使用的主要試劑設(shè)備如表2-6所示

表2-6 試劑詳細(xì)資料表 Table 2-6 Reagent detail list

試劑名稱(chēng) 羧甲基纖維素鈉 微晶纖維素 酒石酸 酒石酸鈉 乙酸（冰乙酸） 三水合乙酸鈉 一水合硫酸錳 丁二酸鈉 丁二酸 檸檬酸 七水合硫酸鎂 硫酸亞鐵 硝酸鈉 氯化鉀

級(jí)別/純度 AR 柱層析 AR AR AR AR AR AR AR AR AR AR AR AR

生產(chǎn)產(chǎn)家 天津市福晨化學(xué)試劑廠 成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司

廣州化學(xué)試劑廠

廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心

廣州化學(xué)試劑廠 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 成都市聯(lián)合化工試劑研究所 廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心

臺(tái)山市粵僑試劑塑料有限公司

汕頭市光華化學(xué)廠 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司

2.7主要試劑

本研究中所使用的主要試劑設(shè)備如表2-6所示

表2-6 試劑詳細(xì)資料表 Table 2-6 Reagent detail list

試劑名稱(chēng) 羧甲基纖維素鈉 微晶纖維素 酒石酸 酒石酸鈉 乙酸（冰乙酸） 三水合乙酸鈉 一水合硫酸錳 丁二酸鈉 丁二酸

級(jí)別/純度 AR 柱層析 AR AR AR AR AR AR AR

生產(chǎn)產(chǎn)家 天津市福晨化學(xué)試劑廠 成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司

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廣州化學(xué)試劑廠 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司

檸檬酸 七水合硫酸鎂 硫酸亞鐵 硝酸鈉 氯化鉀

試劑名稱(chēng) 三水合磷酸氫二鉀

蔗糖 四水合酒石酸鉀鈉

瓊脂粉 3，5二硝基水楊酸

苯酚 藜蘆醇 ABTS 氫氧化鈉（片）

NaHSO3 檸檬酸三鈉 疊氮化鈉

EDTA（乙二胺四乙酸二鈉）

硼酸鈉 十二烷基硫酸鈉 磷酸氫二鈉 濃硫酸 2-乙二醇乙醚 濃鹽酸 地衣酚 蒽酮 三氯化鐵

試劑名稱(chēng) 丙酮 無(wú)水葡萄糖 D-木糖 過(guò)氧化氫

AR AR AR AR AR

級(jí)別/純度 AR AR AR BR CP AR >99% 98% 98% AR AR BR， 99.5%

AR CP AR AR AR AR AR AR AR 級(jí)別/純度 AR AR 生化試劑 AR

成都市聯(lián)合化工試劑研究所 廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心

臺(tái)山市粵僑試劑塑料有限公司

汕頭市光華化學(xué)廠 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司

生產(chǎn)產(chǎn)家

廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心 廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心

天津市化學(xué)試劑一廠 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 天津市諾克科技發(fā)展有限公司

Sigma Sigma Sigma

天津市百世化工有限公司

廣州化學(xué)試劑廠 上海勁馬生物科技有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 上海凌信化學(xué)試劑有限公司 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

廣州化學(xué)試劑二廠 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司

廣州化學(xué)試劑二廠

Sigma

上海化學(xué)試劑采購(gòu)供應(yīng)五聯(lián)化工廠 天津市富宇精細(xì)化工有限公司

生產(chǎn)產(chǎn)家

天津市富宇精細(xì)化工有限公司

EMD

上海伯奧生物科技有限公司 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

定量濾紙

杭州新華紙業(yè)有限公司

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3溢油吸附劑的表征方法 3.1BET比表面積測(cè)試法

BET 測(cè)試?yán)碚撌歉鶕?jù)希朗諾爾、埃米特和泰勒三人提出的多分子層吸附模型，并推導(dǎo)出單層吸附量Vm 與多層吸附量V 間的關(guān)系方程，即著名的BET 方程。BET 方程是建立在多層吸附的理論基礎(chǔ)之上，與物質(zhì)實(shí)際吸附過(guò)程更接近，因此測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。

利用BET可檢測(cè)黑曲霉改性后的吸附劑的比表面積變化，評(píng)價(jià)黑曲霉作用對(duì)玉米秸稈比表面積的影響

3.2 掃描電鏡（Scanning Electron Microscope ，SEM）分析表征

SEM 通過(guò)入射電子與樣品的相互作用，逐點(diǎn)掃描的方法獲得放大的像,利用SEM所呈現(xiàn)的高分辨率的照片可觀察某些選擇的結(jié)構(gòu)的微觀細(xì)節(jié)。

樣品不需經(jīng)過(guò)處理，按操作規(guī)程檢測(cè)后挑選合適照片即可。

3.3 X-射線衍射儀（XRD）分析表征

X射線衍射技術(shù)是利用 X射線在晶體、非晶體中衍射與散射效應(yīng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)類(lèi)型、物相分析和不完整性分析的技術(shù)[70]。利用XRD可進(jìn)行結(jié)晶度的測(cè)試，探求黑曲霉對(duì)玉米秸稈改性前后結(jié)晶度的變化。

改性后的玉米秸稈目數(shù)仍然較大，作為塊狀樣品進(jìn)行處理：取鋁樣品正面朝下，放在平折玻璃上，取制好的塊狀樣品放入樣品架的樣品框中，同樣正面朝下。取少量橡膠搓成長(zhǎng)2cm的長(zhǎng)條，放在樣品架上，在橡皮條的兩端與樣品背面輕壓，使樣品固定在樣品架上。再按操作規(guī)程啟動(dòng)執(zhí)行程序，儀器自動(dòng)測(cè)量。

3.4FTIR(傅氏變換紅外線光譜分析儀)分析表征

采用紅外光譜，通過(guò)被測(cè)化合物的紅外特性吸收譜帶的出現(xiàn)來(lái)確定官能團(tuán)的變化，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 3.4.1實(shí)驗(yàn)藥品

KBr晶體（紅外專(zhuān)用）、石英研缽。 3.4.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1)壓片：分別取1 ～ 2mg的玉米秸稈原材料和黑曲霉改性后的玉米秸稈在瑪瑙研 缽中研磨成細(xì)粉末與干燥的KBr 粉末(約100mg，粒度200目)大約以1：100混合均勻，裝入模具內(nèi)，在壓片機(jī)上壓制成片測(cè)試。

(2)樣品測(cè)試：把制備好的樣品放入樣品架，然后插入儀器樣品室的固定位置上，再按照儀器操作規(guī)程進(jìn)行測(cè)試。

(3)根據(jù)紅外光譜圖分析各樣品的表面特征，對(duì)它們的圖線進(jìn)行比較，得出結(jié)論。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4表征結(jié)果分析

分別對(duì)玉米秸稈原材料（raw corn stalk,以下以RCS表示）、在無(wú)外加碳源條件下，3.2.3.1中黑曲霉改性玉米秸稈反應(yīng)9天制備的溢油吸附劑(corn stalk modified by Aspergillus niger for 9 days without carbon sourse,以下以CSMA 9d表示)、在外加碳源條件下，3.3.1.1中黑曲霉改性玉米秸稈反應(yīng)6天制備的溢油吸附劑(corn stalk modified by Aspergillus niger for 6 days with carbon sourse,以下以CSMA 6d表示)進(jìn)行了表征。

4.1比表面積分析

由表3-6可知，經(jīng)過(guò)黑曲霉改性后，溢油吸附劑的比表面積增大。其中，CSMA 6d比CSMA 9d的比表面積更大，與原油的接觸面積更大，這與前者的吸油量（15.68 g原油/g溢油吸附劑）比后者的吸油量（15.28 g原油/g溢油吸附劑）大這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

表3-7 改性前后的溢油吸附劑的比表面積

Table 3-7 The specific surface area of oil spill cleanup sorbents before and after modifying

材料 RCS CSMA 9d CSMA 6d

比表面積錯(cuò)誤！未找到引用源。

3.31 6.74 7.92

4.2掃描電子顯微分析

測(cè)定了RCS、CSMA 9d、CSMA 6d的掃描電鏡照片, 可看到三者的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見(jiàn)圖3-13。 由圖3-15(a)可見(jiàn)，玉米秸稈原材料表面略顯粗糙孔隙較小。由圖3-15 (b)、(c)可見(jiàn)，改性后的溢油吸附劑表面呈片狀，同時(shí)小孔隙增多，呈現(xiàn)更大的面積。這些孔隙增大了溢油吸附劑與原油的接觸面積，所以具有較大的吸油容量，同時(shí)能使得改性后的溢油吸附劑比玉米秸稈原材料更快的吸附石油。 m2

a)RCS

b) CSMA 9d c) CSMA 6d

圖 3-15 改性前后的溢油吸附劑SEM圖

Fig.3-15 Scanning electron micrographs of oil spill cleanup sorbents before and after modifying

4.3XRD 分析

測(cè)定了RCS、CSMA 9d 、CSMA 6d和經(jīng)過(guò)濕熱高壓滅菌后的玉米秸稈的XRD，結(jié)果見(jiàn)圖3-16。由后一個(gè)波峰(結(jié)晶區(qū))的峰面積和前一個(gè)波峰（非結(jié)晶區(qū)）的峰面積的比，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)濕熱高壓滅菌后的玉米秸稈結(jié)晶度上升，而經(jīng)過(guò)黑曲霉改性后結(jié)晶度進(jìn)一步上升。說(shuō)明經(jīng)過(guò)濕熱高溫滅菌和黑曲霉改性后，玉米秸稈的非結(jié)晶區(qū)得到一定程度的降解，這將使材料孔隙度和表面積明顯增加，增加溢油吸附劑和原油的接觸面積。

圖3-16 改性前后溢油吸附劑的XRD圖

Fig 3-16 The XRD patterns of the oil spill cleanup sorbents before and after modifying

4.4紅外光譜分析

測(cè)定了RCS、MCS 9d、MCS 6d的紅外光譜圖，見(jiàn)圖3-17。

查閱文獻(xiàn)可知，897 cm-1 是異頭碳(C1) 振動(dòng)頻率(多糖)，1055 cm-1是C—O 伸縮振動(dòng)( 纖維素和半纖維素)、乙酰基中的烷氧鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，1159 cm-1是C—O—C 伸縮振動(dòng)( 纖維素和半纖維素)吸收峰，1242 cm-1是苯環(huán)氧鍵Ar—O 伸縮振動(dòng)(木質(zhì)素)吸收峰，1375 cm-1是 CH 彎曲振動(dòng)( 纖維素和半纖維素)吸收峰，1424 cm-1是CH2剪式振動(dòng)(纖維素)吸收峰、CH2彎曲振動(dòng)(木質(zhì)素)吸收峰、1507cm-1是芳環(huán)的碳骨架振動(dòng)(木質(zhì)素)吸收峰，1596cm-1是苯環(huán)的碳骨架振動(dòng)(木質(zhì)素)吸收峰， 1739cm-1為C=O 伸縮振動(dòng)(木聚糖乙酰基CH3C=O)[76]，2357cm?1是由于-OH伸縮所致[77],在3329 cm- 1處的吸收峰是纖

，

維素上羥基( - OH)的伸縮振動(dòng)峰 [78]，而這些集團(tuán)并沒(méi)有消失，也沒(méi)有增加新的集團(tuán)。從中可以看見(jiàn)，經(jīng)過(guò)黑曲霉改性后，溢油吸附劑的表面基團(tuán)種類(lèi)并沒(méi)有變化 。

CRMA 9d 1.2

1.11.00.9

transmttance

0.8

0.70.6

0.50.40.30.2

-1

wavenumber（cm）

圖3-17 改性前后溢油吸附劑的紅外光譜圖

Fig 3-17 FTIR spectra of the oil spill cleanup sorbents before and after modifying

4.5小結(jié)

黑曲霉改性后的溢油吸附劑的微觀結(jié)構(gòu)呈片狀，小孔隙增多，非結(jié)晶區(qū)被部分降解，比表面積增大，但表面基團(tuán)的種類(lèi)沒(méi)有變化。

五、感言

在此次學(xué)生研究計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題之際，首先要感謝學(xué)院提供的良好實(shí)驗(yàn)環(huán)境與學(xué)術(shù)氛圍，這是此次項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。感謝郭楚玲老師的悉心指導(dǎo)，在郭老師的支持與幫助下，我們才能順利的完成實(shí)驗(yàn)

還要特別感謝藍(lán)舟林師姐，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不厭其煩的幫助我們分析和解決問(wèn)題，師姐科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思路和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度都是我們今后學(xué)習(xí)的榜樣。

通過(guò)這次學(xué)生研究計(jì)劃項(xiàng)目，我學(xué)習(xí)到了黑曲霉對(duì)玉米秸稈的改性效果，對(duì)改性玉米秸稈制備溢油吸附劑的條件和機(jī)理有了初步的了解。同時(shí)還鍛煉了實(shí)驗(yàn)操作能力、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題能力和數(shù)據(jù)分析、報(bào)告編寫(xiě)能力等。這對(duì)我日后的學(xué)習(xí)與工作都有巨大的幫助。

參考文獻(xiàn)

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