聚乳酸包覆零价铁钝化剂的制备及性能研究

向俊蓓，刘绵学

(1.四川护理职业学院，四川 成都 610100；2.四川省原子能研究院，四川 成都 610100)

聚乳酸包覆零价铁钝化剂的制备及性能研究

向俊蓓1，刘绵学2

(1.四川护理职业学院，四川 成都 610100；2.四川省原子能研究院，四川 成都 610100)

以可降解聚乳酸(PLA)为稳定剂，采用二次反相微乳法包覆零价铁(ZVI)制备PLA包覆ZVI钝化剂(PLA-ZVI)，通过粒度分析、微观形貌分析、Fe元素分布分析、红外光谱分析、X-射线光电子能谱分析对钝化剂进行表征，结果显示：ZVI在PLA基质中分散良好，PLA包覆增大了ZVI颗粒间距，提升了ZVI钝化剂的稳定性；PLA-ZVI为表面光滑、界面清晰的微球结构，粒径范围为0.1～2.0 μm，可在有氧环境中保持稳定。同时，从垃圾填埋场土壤中筛选得到一株PLA降解菌株1601#，鉴定其为节杆菌属菌株，该菌株可增强PLA-ZVI的重金属钝化能力，在Cr(Ⅵ)污染土壤中，加入菌株1601#的Cr(Ⅵ)清除率较未加的提高了7.82%。

零价铁；聚乳酸；钝化剂；PLA降解菌

聚乳酸(PLA)是一种聚酯类高分子材料，可完全降解为CO2和水，因具备良好的可塑性和环境友好性，被大量用作包装材料、农用薄膜、医药敷料和人体支架材料[1]。自然环境中PLA的降解速率较慢，常规环境条件下PLA完全水解需60 d以上[2]，原因如下：(1)PLA降解是一个需能过程，通常使用的左旋聚乳酸(L-PLA)属于半结晶形态，其水解过程分为两个阶段，首先无定型区发生水解，然后结晶区才进行水解；(2)生物降解很难发生，微生物作用可加速PLA的降解过程，但PLA降解菌株在环境微生物中分布稀少，仅占0.8%[3]。

纳米零价铁(nanoscale zero valent iron，nZVI)和零价铁(ZVI)具有大比表面积和强还原活性，可通过还原反应、表面吸附与共沉淀等多种机制与重金属污染物结合，是近年来钝化剂领域的研究热点。由于nZVI和ZVI在制备过程中易发生团聚，暴露在空气中会迅速氧化失活[4]，因此，在土壤重金属治理领域，未修饰的nZVI或ZVI材料无法直接用于污染物的治理。研究者多采用包覆稳定剂的方法进行表面修饰，如聚丙烯酸(PAA)、壳聚糖、羧甲基纤维素(CMC)[5]等，而利用PLA进行包覆的研究尚未见报道。

基于此，作者以环境友好的PLA作为稳定剂，采用二次反相微乳法对PEG-ZVI进行包覆制备得到PLA包覆ZVI钝化剂(PLA-ZVI)；并通过粒度分析、微观形貌分析、Fe元素分布分析、红外光谱分析、X-射线光电子能谱分析等对钝化剂进行表征；同时筛选PLA降解菌株，以强化对PLA包覆层的生物降解作用，提高钝化剂的作用效能；并研究了钝化剂对土壤Cr(Ⅵ)的钝化效果，以期获得稳定性良好的PLA-ZVI钝化剂以及可配套使用的PLA降解菌株。

1 实验

1.1 材料与试剂

PLA为左旋聚乳酸(L-PLA)颗粒，分子量25 000～100 000，美国NatureWorks 4032D。

NaBH4、聚乙二醇(PEG200)、聚乙烯醇(PVA)，西亚试剂；脂肪酸聚氧乙烯醚磷酸酯，海安石化；其它常规试剂，成都科龙化工。

1.2 PLA-ZVI的制备

以PEG200为分散剂，参照高树梅等[6]改进的液相还原法制备PEG-ZVI颗粒，无水乙醇避光保存。

采用二次反相微乳法对PEG-ZVI进行PLA包覆处理：

(1)70 mL 1%(质量浓度，下同)PVA溶液中加入8 mL 0.1 g·mL-1脂肪酸聚氧乙烯醚磷酸酯、60 mL二氯甲烷，800 r·min-1搅拌10 min；

(2)40 mL 0.04 g·mL-1PLA溶液中加入PEG-ZVI混悬液，超声1 min；

(3)2 200 r·min-1搅拌条件下，将(2)体系加入到(1)体系中，使有机相反转成为连续相；

(4)保持2 200 r·min-1搅拌1 min，加入30 mL 1%PVA使有机相重新反转成为分散相，继续搅拌5 min；

(5)800 r·min-1搅拌60～120 min，完全挥发有机相；

(6)取300 mL 95%乙醇于1 000 mL烧杯中，1 200 r·min-1搅拌下缓慢加入(5)体系；

(7)离心，弃上清，无水乙醇重悬；重复该步骤；

(8)冷冻干燥，得深灰色粉末。部分PLA-ZVI样品暴露在空气中20 d，其余密封保存。

1.3 PLA-ZVI的表征

粒度分析：使用激光粒度分析仪(M3501-XB)分析PLA-ZVI的粒度范围。

微观形貌及Fe元素分布分析：PLA-ZVI样品喷金90 s，使用场发射扫描电镜(FEI Inspect F50)及能谱仪(Octane Super Det)进行微观形态和Fe元素分布分析。

FTIR分析：使用傅立叶变换红外光谱仪进行PEG-ZVI及PLA-ZVI的红外光谱分析。

XPS分析：样品送科谱研发(青岛)技术中心，用X-射线电子能谱仪对暴露在空气中20 d的PLA-ZVI样本和密封保存的PLA-ZVI样本进行XPS分析。

1.4 PLA降解菌的筛选、鉴定及生理生化分析

采用5点采样法采集成都市龙泉驿区洛带垃圾填埋场外围距地表20 cm深处土壤样本。参照林娟等[7]方法，用明胶培养基培养土壤浸出稀释液，分离单菌落，用PLA颗粒料测试PLA降解能力；用青岛海博革兰氏阴性菌生理生化性质检测试剂盒鉴定菌株酶活；用16S通用引物扩增该菌株的16S rDNA片段[8]，PCR产物送上海英骏进行测序分析，将测序结果输入NCBI数据库的“BLAST”进行在线检索。

1.5 PLA-ZVI对土壤Cr(Ⅵ)的钝化能力分析

根据我国土壤中重金属Cr的背景值[9]，设定模拟污染土壤中Cr(Ⅵ)浓度：低浓度30 mg·kg-1、高浓度100 mg·kg-1。以铬酸钾作为模拟污染物按设定浓度混匀于土壤样本中，干燥熟化6个月，参照王立群等[10]方法进行PLA-ZVI土壤钝化性能测试。降解菌处理样本中加入0.5 mL的1601#菌液(OD600=1.0)，对照样本中加入等体积大豆胰蛋白胨(TSB)培养基。用1 mol·L-1醋酸铵溶液作为可交换态Cr(Ⅵ)提取液，用ICP-MS方法检测提取液中的Cr(Ⅵ)含量。

2 结果与讨论

2.1 PLA-ZVI的表征结果

2.1.1 粒度分析(图1)

由于土壤富含黏性基质，粒径超过3 μm容易被基质吸附团聚而无法在土壤中移动[11]。由图1可看出，PLA-ZVI的粒径范围为0.1～2.0 μm。

图1 PLA-ZVI的粒度分析Fig.1 Particle size analysis of PLA-ZVI

2.1.2 微观形貌分析(图2)

图2 PLA-ZVI的SEM照片Fig.2 SEM image of PLA-ZVI

由图2可看出，PLA-ZVI微粒呈表面光滑、界限清晰的微球结构，粒径大小与粒度分析结果一致。

2.1.3 Fe元素分布分析

配合SEM观测，用Octane Super Det能谱仪探测器对SEM视野内的Fe元素分布进行面扫描分析，结果如图3所示。

a.PLA-ZVI电镜照片 b.Fe元素分布 c.重叠图像

由图3可以看出，观测面内Fe元素与PLA-ZVI颗粒区域呈现明显的一致性，而边缘空白区域Fe元素分布稀少，说明ZVI在PLA-ZVI微球中富集且分散良好。

2.1.4 FTIR分析(图4)

图4 PEG-ZVI和PLA-ZVI的FTIR图谱Fig.4 FTIR spectra of PEG-ZVI and PLA-ZVI

由图4可以看出，(1)PEG-ZVI的特征吸收峰包含了ZVI和PEG200的特征吸收峰：3 355.50 cm-1处特征吸收峰表示存在醇和酚结构；2 873.63 cm-1处特征吸收峰表示存在烷烃(CH3)；1 100 cm-1左右较强的特征吸收峰表示存在醚键。另外，在 600～700 cm-1处出现新峰，1 453.41 cm-1处特征吸收峰消失。整体上看，原有特征吸收峰的变化集中于CH3及醚键的伸缩振动(变形振动)，这些官能团振动的减弱或消失表明ZVI和PEG的结合位点影响了PEG分子的空间结构。(2)PLA-ZVI的特征吸收峰包含PLA的特征吸收峰：1 076 cm-1、 1 179 cm-1、1 747 cm-1，说明PLA-ZVI微球的官能团中具有酯类特征吸收峰；同时包含1 635 cm-1和1 418 cm-1的ZVI特征吸收峰，但均发生了不同程度的红移，此现象多见于纳米材料中表面原子因距离变大的弛豫效应[12]。综上，PLA对ZVI实现了包覆并增大了ZVI颗粒间的距离，与Fe元素分布分析相吻合。

2.1.5 XPS分析(图5)

由图5可以看出，在空气中暴露20 d及密封保存的PLA-ZVI样本均在710 eV 和725 eV处出现2 个主峰，分别表示FeO和Fe2O3[13]。元素定量分析显示，密封保存样本的氧化态Fe元素含量为0.94%，暴露在空气中20 d的样本的氧化态Fe元素含量为1.76%，说明在制备过程中微球表面的部分ZVI发生了氧化反应，随着空气接触时间的延长，表层ZVI继续氧化，20 d内增加了0.82%的氧化态Fe元素。相较于未修饰ZVI，包覆后的ZVI稳定性提升明显。

2.2 PLA降解菌的筛选

通过3轮明胶培养基筛选，分离获得5株PLA降解菌，分别进行PLA降解能力测试，结果见表1。

图5 PLA-ZVI的Fe2p XPS图谱Fig.5 Fe2p XPS patterns of PLA-ZVI

表1 菌株的PLA降解能力

由表1可知，菌株1601#的PLA降解能力最强。对菌株1601#的酶活进行测定，结果见表2。

表2 菌株1601#的酶活检测

注：“+”为阳性，“-”为阴性。

由表2可知，菌株1601#的明胶降解能力呈阳性，与前期筛选结果一致。

16S引物PCR扩增菌株1601#DNA测序获得1 349 bp片段，将该序列用NCBI数据库的“BLAST”工具检索，最终确定该菌株属于节杆菌(Arthrobactersp.)。该菌株培养物的细胞呈杆状，不生孢，好氧，属化能异养菌，生长在简单培养基加生物素，无氧化酶活性，有脲酶活性，从葡萄糖或其它糖产生少量酸或不产酸，接触酶阳性，最适生长温度20～35 ℃，广泛分布于环境中，主要是土壤中。根据分子鉴定结果，该菌株可利用的底物较为广泛，可使用大豆胰蛋白胨培养基进行培养。

2.3 PLA-ZVI对土壤Cr(Ⅵ)的钝化能力

研究报道，ZVI材料与可交换态Cr(Ⅵ)的快速反应符合准一级动力学反应方程[14-15]，因此，本实验着重考察PLA-ZVI对Cr(Ⅵ)的钝化效果。通过Tessier连续提取法和ICP-MS检测，考察PLA-ZVI钝化剂在有无PLA降解菌株的情况下对土壤中不同浓度Cr(Ⅵ)的钝化效果，结果如图6所示。

图6 在有无PLA降解菌株存在的情况下，PLA-ZVI对土壤Cr(Ⅵ)的钝化效果Fig.6 Passivation efficiency of PLA-ZVI on soil containingCr(Ⅵ) with or without PLA-degrading strain

由图6可以看出，(1)在低浓度Cr(Ⅵ)污染土壤中，1周后土壤中的可交换态Cr(Ⅵ)基本被完全清除；而在高浓度Cr(Ⅵ)污染土壤中，借助降解菌株1601#的作用，PLA-ZVI也仅清除54.1%的可交换态Cr(Ⅵ)。这可能与土壤中Cr(Ⅵ)的存在形式有关，据李洪伟等[16]报道，Cr(Ⅵ)的存在形式为残渣态>氧化态>还原态，处于可交换态的Cr(Ⅵ)较少。(2)降解菌株1601#的加入可提升钝化剂PLA-ZVI对土壤Cr(Ⅵ)的钝化效果。对于低浓度Cr(Ⅵ)污染土壤，加入PLA降解菌株1601#的样本的清除率较未加降解菌株的略微提高；对于高浓度Cr(Ⅵ)污染土壤，1周内，加入PLA降解菌株1601#的样本的清除率与未加降解菌株的差别不大；之后，差异越来越大；4周后，加入PLA降解菌株1601#的样本的清除率较未加降解菌株的提高了7.82%。这可能与降解菌株的培养有关，降解菌株培养4周才能体现PLA的生物降解效果。当包覆PLA层发生部分水解时，未氧化ZVI位点暴露在环境体系中，逐渐释放电子势能，通过还原反应去除体系内残留的可交换态Cr(Ⅵ)，从而实现钝化效果的提升。在实践应用中，可通过微生物的降解作用实现对PLA-ZVI降解速度和重金属钝化效果的调控。

3 结论

通过二次反相微乳法对ZVI颗粒进行PLA包覆，获得包覆完整、ZVI分布均一的PLA-ZVI微球，为钝化剂的规模制备提供了技术基础。PLA包覆处理可增大ZVI颗粒间距，提升ZVI钝化剂的稳定性。筛选获得的PLA降解菌株1601#可通过微生物降解作用降解PLA包覆层，提升7.82%的可交换态Cr(Ⅵ)清除率。

[1] SABA N,JAWAID M,AL-OTHMAN O.An overview on polylactic acid,its cellulosic composites and applications[J].Current Organic Synthesis,2017,14(2):156-170.

[2] PANDEY J K,REDDY K R,KUMAR A P,et al.An overview on the degradability of polymer nanocomposites[J].Polymer Degradation & Stability,2005,88(2):234-250.

[3] TOKIWA Y,CALABIA B P,UGWU C U,et al.Biodegradability of plastics[J].International Journal of Molecular Sciences,2009,10(9):3722-3742.

[4] GUAN X,SUN Y,QIN H,et al.The limitations of applying zero-valent iron technology in contaminants sequestration and the corresponding countermeasures:the development in zero-valent iron technology in the last two decades(1994-2014) [J].Water Research,2015,75:224-248.

[5] 贾辉,陈秀蓉,芦光新,等.纤维素降解细菌的筛选、生物学特性及降解效果[J].草业学报,2016,25(3):60-66.

[6] 高树梅,王晓栋,秦良,等.改进液相还原法制备纳米零价铁颗粒[J].南京大学学报(自然科学版),2007,43(4):358-364.

[7] 林娟,周景文,康振,等.聚乳酸降解菌株筛选鉴定及降解过程优化[J].微生物学通报,2013,40(9):1560-1567.

[8] 刘玲绯,李凡,林秀梅,等.1株聚乳酸降解细菌的筛选、鉴定及产酶研究[J].微生物学杂志,2011,31(5):7-13.

[9] DONG W Q Y,CUI Y,LIU X.Instances of soil and crop heavy metal contamination in China[J].Soil & Sediment Contamination：An International Journal,2001,10(5):497-510.

[10] 王立群,罗磊,马义兵,等.不同钝化剂和培养时间对Cd污染土壤中可交换态Cd的影响[J].农业环境科学学报,2009,28(6):1098-1105.

[11] SCHRICK B,HYDUTSKY B W,BLOUGH J L,et al.Delivery vehicles for zero valent metal nanoparticles in soil and groundwater[J].Chemistry of Materials,2004,16(11):2187-2193.

[12] 张晓琳.放射管状ZnO/ZnFe2O4纳米复合材料的制备及其特性的研究[D].长春：吉林大学,2015.

[13] WATSON J H P,CRESSEY B A,ROBERTS A P,et al.Structural and magnetic studies on heavy-metal-adsorbing iron sulphide nanoparticles produced by sulphate-reducing bacteria[J].Journal of Magnetism & Magnetic Materials,2000,214(1/2):13-30.

[14] 冯婧微,梁成华,王黎,等.零价纳米铁对水中Cr(Ⅵ)的吸附动力学研究[J].科技导报,2011,29(24):37-41.

[15] 张娜,耿兵,李铁龙,等.壳聚糖稳定纳米铁去除地表水中Cr(Ⅵ)污染的影响因素[J].环境化学,2010,29(2):290-294.

[16] 李洪伟,颜事龙,崔龙鹏.淮南矿区土壤重金属Co、Cr、Ni、Pb形态初步研究[J].能源环境保护,2012,26(2):24-26.

PreparationandPerformanceofPassivantPolylacticAcid-CoatedZeroValentIron

XIANG Jun-bei1,LIU Mian-xue2

(1.SichuanNursingVocationalCollege,Chengdu610100,China; 2.SichuanInstituteofAtomicEnergy,Chengdu610100,China)

Using biodegradable polylactic acid(PLA) as a stabilizer,we prepared a passivant，namely，PLA-coated zero valent iron(PLA-ZVI) by a secondary reverse microemulsion method.We characterized the passivant by the analyses of grain size,micromorphology,Fe element distribution,Fourier transform infrared spectrum,and X-ray photoelectron spectroscopy.The results showed that ZVI particles were homogeneously distributed in PLA matrix,PLA coating increased the distance of ZVI particles and improved the stability.PLA-ZVI particles had smooth surface and clear interface microsphere structure with the particle size of 0.1-2.0 μm.Meanwhile,they had good stability in aerobic environment.We screened a PLA-degrading strain from soil of landfill site,which was identified asArthrobactersp. and named 1601#.The strain 1601#could enhance the passivation capability with heavy metal of PLA-ZVI.In Cr(Ⅵ) contaminated soil passivation test,the Cr(Ⅵ) removal rate of PLA-ZVI in the presence of strain 1601#was 7.82% more than that in the absence of strain 1601#.

zero valent iron;polylactic acid;passivant;PLA-degrading strain

四川省科技厅科技支撑计划项目(2016SZ0075，2015SZ0209)

2017-07-12

向俊蓓(1983-)，女，四川成都人，讲师，研究方向：遗传学与分子生物学，E-mail：67553494@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.12.007

向俊蓓，刘绵学.聚乳酸包覆零价铁钝化剂的制备及性能研究[J].化学与生物工程，2017，34(12)：25-29.

TM27 Q939.9 X53

A

1672-5425(2017)12-0025-05

版权声明

为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被《中国学术期刊网络出版总库》及CNKI系列数据库、《万方数据——数字化期刊群》、《中文科技期刊数据库(全文版)》、超星域出版平台、《台湾华艺数据库》等收录。如作者不同意论文被收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将作适当处理。

《化学与生物工程》编辑部