学生研究计划项目总结报告

时间：2021-11-05 10:40:14 工作报告我要投稿

学生研究计划项目总结报告

黑曲霉有外加碳源时改性条件对吸油实验的

影响

一、绪论

溢油吸附剂是能吸收液态油的材料。吸附剂通过吸收、吸附, 或者两者同时作用来回收溢油。吸收是允许溢油进入材料, 吸附则将溢油吸附在表面但不允许溢油进入材料内部[1]。现在广义上的吸附包括吸收和吸附。溢油吸附剂由于其将油从液态转移到半固态的功能，并能够具有完全将油清除的可能性[2]，在过去和现在都被广泛的使用。良好的吸附剂一般是海绵状，其表面有孔，利用表面活性，能把油吸收到内部孔隙里达到去除目的。目前，可生物降解的具有回用性的吸油材料的研发成为处理溢油事故处理的趋势[3] 。

玉米秸秆作为天然的溢油吸附剂，可通过真菌改性提高其吸油量。本研究以玉米秸秆作为黑曲霉固体发酵培养基的基质，利用黑曲霉代谢分泌木质纤维素酶，由内向外降解木质纤维素，同时黑曲霉在生长过程中产生的菌丝机械穿插作用，增加玉米秸秆的孔隙，使比表面积增大，达到对玉米秸秆改性的效果。并对黑曲霉改性玉米秸秆制备溢油吸附剂的反应条件（温度、反应时间、含水率和菌体投加量）及机理进行了初步的探讨。

二、实验材料

2.1.供试菌种

生物科学与工程学院 B6-434 保藏的一株黑曲霉， 4℃下保存在马铃薯葡萄糖琼脂斜面培养基（PDA）上。

2.2供试玉米秸秆

取自广州市大学城穂石村，2010 年 7 月和 12 月破碎筛分的 20-40 目玉米秸秆。 2.3供试原油

广州石化黄埔分公司提供，放置于通风橱中 48 h 至接近恒重，将原油中易挥发的有机化学组分去除。

2.4培养基

2.4.1斜面培养基—PDA培养基

PDA培养基成本低，属于天然培养基，是培养真菌的经典培养基。PDA培养基营养丰富，实验发现黑曲霉在PDA上的生长速度明显快于察氏培养基。本实验用PDA培养基作为保存菌种的培养基。

表2-2 PDA培养基配方

Table 2-2 Reagent detail list of PDA

2.4.2种子培养基—察氏培养基

黑曲霉对玉米秸秆进行改性时的固体发酵培养基所添加的无机盐营养液采用察氏培养基的配方，为让菌体更好地适应固体发酵的条件，菌体活化时采用察氏培养基。

表2-3 察氏培养基配方

Table 2-3 Reagent detail list of Czapek Dox Agar

2.5营养液配方

表2-4 固态发酵营养液配方

注：（1）无外加碳源的实验设置中不需加入蔗糖；（2）自然pH（有蔗糖的营养液pH=8.58,无蔗糖的营养液pH=8.43）（3）1.5 g玉米秸秆原材料中加入0.75ml固体发酵营养液

2.6主要设备仪器

本研究中所使用的主要试剂设备如表2-6所示

表2-6 试剂详细资料表 Table 2-6 Reagent detail list

试剂名称羧甲基纤维素钠微晶纤维素酒石酸酒石酸钠乙酸（冰乙酸）三水合乙酸钠一水合硫酸锰丁二酸钠丁二酸柠檬酸七水合硫酸镁硫酸亚铁硝酸钠氯化钾

级别/纯度 AR 柱层析 AR AR AR AR AR AR AR AR AR AR AR AR

生产产家天津市福晨化学试剂厂成都格雷西亚化学技术有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司

广州化学试剂厂

广东省化学试剂工程技术研究开发中心

广州化学试剂厂上海凌峰化学试剂有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司成都市联合化工试剂研究所广东省化学试剂工程技术研究开发中心

台山市粤侨试剂塑料有限公司

汕头市光华化学厂天津市科密欧化学试剂有限公司

2.7主要试剂

本研究中所使用的主要试剂设备如表2-6所示

表2-6 试剂详细资料表 Table 2-6 Reagent detail list

试剂名称羧甲基纤维素钠微晶纤维素酒石酸酒石酸钠乙酸（冰乙酸）三水合乙酸钠一水合硫酸锰丁二酸钠丁二酸

级别/纯度 AR 柱层析 AR AR AR AR AR AR AR

生产产家天津市福晨化学试剂厂成都格雷西亚化学技术有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司

广州化学试剂厂

广东省化学试剂工程技术研究开发中心

广州化学试剂厂上海凌峰化学试剂有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司

柠檬酸七水合硫酸镁硫酸亚铁硝酸钠氯化钾

试剂名称三水合磷酸氢二钾

蔗糖四水合酒石酸钾钠

琼脂粉 3，5二硝基水杨酸

苯酚藜芦醇 ABTS 氢氧化钠（片）

NaHSO3 柠檬酸三钠叠氮化钠

EDTA（乙二胺四乙酸二钠）

硼酸钠十二烷基硫酸钠磷酸氢二钠浓硫酸 2-乙二醇乙醚浓盐酸地衣酚蒽酮三氯化铁

试剂名称丙酮无水葡萄糖 D-木糖过氧化氢

AR AR AR AR AR

级别/纯度 AR AR AR BR CP AR >99% 98% 98% AR AR BR， 99.5%

AR CP AR AR AR AR AR AR AR 级别/纯度 AR AR 生化试剂 AR

成都市联合化工试剂研究所广东省化学试剂工程技术研究开发中心

台山市粤侨试剂塑料有限公司

汕头市光华化学厂天津市科密欧化学试剂有限公司

生产产家

广东省化学试剂工程技术研究开发中心广东省化学试剂工程技术研究开发中心

天津市化学试剂一厂北京奥博星生物技术有限责任公司国药集团化学试剂有限公司天津市诺克科技发展有限公司

Sigma Sigma Sigma

天津市百世化工有限公司

广州化学试剂厂上海劲马生物科技有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司天津市科密欧化学试剂有限公司上海凌信化学试剂有限公司国药集团化学试剂有限公司

广州化学试剂二厂天津市科密欧化学试剂有限公司

广州化学试剂二厂

Sigma

上海化学试剂采购供应五联化工厂天津市富宇精细化工有限公司

生产产家

天津市富宇精细化工有限公司

EMD

上海伯奥生物科技有限公司国药集团化学试剂有限公司

定量滤纸

杭州新华纸业有限公司

三、实验内容

3溢油吸附剂的表征方法 3.1BET比表面积测试法

BET 测试理论是根据希朗诺尔、埃米特和泰勒三人提出的多分子层吸附模型，并推导出单层吸附量Vm 与多层吸附量V 间的关系方程，即著名的BET 方程。BET 方程是建立在多层吸附的理论基础之上，与物质实际吸附过程更接近，因此测试结果更准确。

利用BET可检测黑曲霉改性后的吸附剂的比表面积变化，评价黑曲霉作用对玉米秸秆比表面积的影响

3.2 扫描电镜（Scanning Electron Microscope ，SEM）分析表征

SEM 通过入射电子与样品的相互作用，逐点扫描的方法获得放大的像,利用SEM所呈现的高分辨率的照片可观察某些选择的结构的微观细节。

样品不需经过处理，按操作规程检测后挑选合适照片即可。

3.3 X-射线衍射仪（XRD）分析表征

X射线衍射技术是利用 X射线在晶体、非晶体中衍射与散射效应，进行结构类型、物相分析和不完整性分析的技术[70]。利用XRD可进行结晶度的测试，探求黑曲霉对玉米秸秆改性前后结晶度的变化。

改性后的玉米秸秆目数仍然较大，作为块状样品进行处理：取铝样品正面朝下，放在平折玻璃上，取制好的块状样品放入样品架的样品框中，同样正面朝下。取少量橡胶搓成长2cm的长条，放在样品架上，在橡皮条的两端与样品背面轻压，使样品固定在样品架上。再按操作规程启动执行程序，仪器自动测量。

3.4FTIR(傅氏变换红外线光谱分析仪)分析表征

采用红外光谱，通过被测化合物的红外特性吸收谱带的出现来确定官能团的`变化，对其进行结构分析。 3.4.1实验药品

KBr晶体（红外专用）、石英研钵。 3.4.2实验步骤

(1)压片：分别取1 ～ 2mg的玉米秸秆原材料和黑曲霉改性后的玉米秸秆在玛瑙研钵中研磨成细粉末与干燥的KBr 粉末(约100mg，粒度200目)大约以1：100混合均匀，装入模具内，在压片机上压制成片测试。

(2)样品测试：把制备好的样品放入样品架，然后插入仪器样品室的固定位置上，再按照仪器操作规程进行测试。

(3)根据红外光谱图分析各样品的表面特征，对它们的图线进行比较，得出结论。

四、实验结果与讨论

4表征结果分析

分别对玉米秸秆原材料（raw corn stalk,以下以RCS表示）、在无外加碳源条件下，3.2.3.1中黑曲霉改性玉米秸秆反应9天制备的溢油吸附剂(corn stalk modified by Aspergillus niger for 9 days without carbon sourse,以下以CSMA 9d表示)、在外加碳源条件下，3.3.1.1中黑曲霉改性玉米秸秆反应6天制备的溢油吸附剂(corn stalk modified by Aspergillus niger for 6 days with carbon sourse,以下以CSMA 6d表示)进行了表征。

4.1比表面积分析

由表3-6可知，经过黑曲霉改性后，溢油吸附剂的比表面积增大。其中，CSMA 6d比CSMA 9d的比表面积更大，与原油的接触面积更大，这与前者的吸油量（15.68 g原油/g溢油吸附剂）比后者的吸油量（15.28 g原油/g溢油吸附剂）大这个实验结果相符。

表3-7 改性前后的溢油吸附剂的比表面积

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

材料 RCS CSMA 9d CSMA 6d

比表面积错误！未找到引用源。

3.31 6.74 7.92

4.2扫描电子显微分析

测定了RCS、CSMA 9d、CSMA 6d的扫描电镜照片, 可看到三者的微观结构，结果见图3-13。由图3-15(a)可见，玉米秸秆原材料表面略显粗糙孔隙较小。由图3-15 (b)、(c)可见，改性后的溢油吸附剂表面呈片状，同时小孔隙增多，呈现更大的面积。这些孔隙增大了溢油吸附剂与原油的接触面积，所以具有较大的吸油容量，同时能使得改性后的溢油吸附剂比玉米秸秆原材料更快的吸附石油。 m2

a)RCS

b) CSMA 9d c) CSMA 6d

图 3-15 改性前后的溢油吸附剂SEM图

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

4.3XRD 分析

测定了RCS、CSMA 9d 、CSMA 6d和经过湿热高压灭菌后的玉米秸秆的XRD，结果见图3-16。由后一个波峰(结晶区)的峰面积和前一个波峰（非结晶区）的峰面积的比，可以发现，经过湿热高压灭菌后的玉米秸秆结晶度上升，而经过黑曲霉改性后结晶度进一步上升。说明经过湿热高温灭菌和黑曲霉改性后，玉米秸秆的非结晶区得到一定程度的降解，这将使材料孔隙度和表面积明显增加，增加溢油吸附剂和原油的接触面积。

图3-16 改性前后溢油吸附剂的XRD图

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

4.4红外光谱分析

测定了RCS、MCS 9d、MCS 6d的红外光谱图，见图3-17。

查阅文献可知，897 cm-1 是异头碳(C1) 振动频率(多糖)，1055 cm-1是C—O 伸缩振动( 纤维素和半纤维素)、乙酰基中的烷氧键伸缩振动吸收峰，1159 cm-1是C—O—C 伸缩振动( 纤维素和半纤维素)吸收峰，1242 cm-1是苯环氧键Ar—O 伸缩振动(木质素)吸收峰，1375 cm-1是 CH 弯曲振动( 纤维素和半纤维素)吸收峰，1424 cm-1是CH2剪式振动(纤维素)吸收峰、CH2弯曲振动(木质素)吸收峰、1507cm-1是芳环的碳骨架振动(木质素)吸收峰，1596cm-1是苯环的碳骨架振动(木质素)吸收峰， 1739cm-1为C=O 伸缩振动(木聚糖乙酰基CH3C=O)[76]，2357cm?1是由于-OH伸缩所致[77],在3329 cm- 1处的吸收峰是纤

，

维素上羟基( - OH)的伸缩振动峰 [78]，而这些集团并没有消失，也没有增加新的集团。从中可以看见，经过黑曲霉改性后，溢油吸附剂的表面基团种类并没有变化。

CRMA 9d 1.2

1.11.00.9

transmttance

0.8

0.70.6

0.50.40.30.2

-1

wavenumber（cm）

图3-17 改性前后溢油吸附剂的红外光谱图

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

4.5小结

黑曲霉改性后的溢油吸附剂的微观结构呈片状，小孔隙增多，非结晶区被部分降解，比表面积增大，但表面基团的种类没有变化。

五、感言

在此次学生研究计划项目结题之际，首先要感谢学院提供的良好实验环境与学术氛围，这是此次项目能够顺利进行的基础。感谢郭楚玲老师的悉心指导，在郭老师的支持与帮助下，我们才能顺利的完成实验

还要特别感谢蓝舟林师姐，在整个实验过程中不厌其烦的帮助我们分析和解决问题，师姐科学的实验思路和严谨的实验态度都是我们今后学习的榜样。

通过这次学生研究计划项目，我学习到了黑曲霉对玉米秸秆的改性效果，对改性玉米秸秆制备溢油吸附剂的条件和机理有了初步的了解。同时还锻炼了实验操作能力、发现和解决问题能力和数据分析、报告编写能力等。这对我日后的学习与工作都有巨大的帮助。

参考文献

[1] Q.F.Wei，R.R.Mather，A.F.Fotheringham.用于回收泄漏石油的非织造吸油材料[J].产业用纺织品.2003.22：26-28.

[2] M.O. ADEBAJO, R.L. FROST, J.T. KLOPROGGE etal. Porous Materials for Oil Spill Cleanup: A Review of Synthesis and Absorbing Properties[J]. Journal of Porous Materials,2003,10:159-170

[3] 柳婷婷, 田珊珊.海上溢油事故处理及未来发展趋势[J].中国水运，2006，11（4）:27-29

[4] 包晓峰.纤维素酶降解生物质生物活性研究及金属离子对纤维素酶活力的影响[D].南京：南京理工大学,2002

[5] 韩阳.黑曲霉对海带纤维素降解条件的研究[J]．江苏农业科学，2010(3)：358-360

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