柴油是一种轻质石油产品，主要由直链、环状和支链的脂肪烃、烯烃和芳香族化合物组成。柴油在炼制、运输和使用过程中的泄漏，会对土壤和水造成严重污染。柴油本质上是剧毒的，因为它包含几种致突变和致癌的化合物。在水中，柴油的存在对水生生物资源有不利影响。因此，一旦水被柴油污染，使用必要的修复技术非常重要。活性炭是一种优良的吸附剂，具有稳定的化学性质 、发达的微孔结构、大的比表面积和许多官能团，已被广泛应用作为膜生物反应器过程中微生物细胞的载体。本研究使用微米级活性炭 固定化柴油降解菌来去除柴油污染水的修复材料。
柴油降解菌的培养
从混合菌中共分离出10株具有高柴油降解能力的菌株如图1所示。根据16SrDNA扩增和测序步骤的结果，10个优势降解菌株包括6种短链单胞菌、2种葡萄球菌和不动杆菌。建议筛选出的细菌具有以柴油为碳源在溶液中生长和增殖的功能。与未添加降解菌的样品相比，在水中添加单一菌种或混合菌种对柴油的降解效果显着，去除效率提高了17.89-46.05%。混合菌株对柴油的去除效率最高(46.05%)。此外，考虑到混合菌株也具有最快的生长速度和最大的种群，有助于增强细菌的适应性，提高柴油的降解效率。因此，在以下实验中选择混合菌株固定在活性炭上。
图1：经筛选的菌株培养后对柴油的去除率。
活性炭载菌的SEM观察
通过高分辨率SEM图像观察降解菌、活性炭和活性炭载菌的形态如图 2所示。与分离的柴油降解菌(图2A)和活性炭悬浮液(图2B)的图像相比，可以清楚地看到几乎所有的混合细菌细胞都附着在活性炭颗粒的表面，并且没有游离细胞存在于溶液中(图2C)。与传统的活性炭材料相比，特制的活性炭具有更大的比表面积、更高的吸附能力和更大的疏水性 ，表明对细菌定殖的吸附能力更高。并且活性炭对带负电的细菌具有更大的范德华力和静电作用。此外，可以看出，活性炭表面产生的细胞外聚合物形成了一种类似生物膜的结构(图2C)，可以促进降解细菌的固定。因此，细菌细胞在活性炭上的附着有两种可能的方法，包括活性炭吸附和生长细菌分泌细胞外聚合物。降解菌可以紧密附着在活性炭表面，增强了活性炭载菌对溶液中柴油去除的吸附-生物降解效果。
图2：扫描电子显微镜图像：(A)降解细菌;(B)活性炭;(C)活性炭载菌。
活性炭载菌对柴油的吸附-生物降解
反应15天后，自由悬浮降解菌、活性炭和载菌活性炭对污染水中柴油的去除率分别为23.82%、70.97%和86.35%如图3所示。与相同添加量的单个降解菌或活性炭相比，活性炭载菌对柴油的去除效率有显着提高，这表明活性炭载菌对柴油的去除具有吸附-生物降解作用。吸附-生物降解过程可以用两个步骤来说明。在第一阶段，活性炭对柴油的吸附发挥了重要作用(作为捕集剂)，在此期间几乎没有发生生物降解。然而，具有大比表面积的活性炭为降解菌的早期生长提供了很大的生存空间。一旦细菌成功粘附并定植在活性炭上，生物降解过程就可以在后续阶段开始，如FTIR光谱结果所示(图6)。固定化降解菌可以利用柴油作为碳源，然后将吸附在活性炭载菌上的柴油进行降解。随着固定化细菌对柴油的不断降解，吸附的柴油降解后活性炭载菌的吸附能力得以恢复，确保了活性炭载菌对柴油具有长期高效的去除效率。此外，与固定化降解菌的其他载体材料相比, 活性炭载菌被证明在去除溶液中的柴油方面具有明显的优势。
图3：降解菌、活性炭和活性炭载菌的柴油去除率比较。
活性炭载菌吸附降解柴油废水，采用富集培养技术，成功分离并富集了原生柴油降解菌，并将降解菌细胞固定在活性炭表面制备了活性炭载菌材料。高通量测序结果表明，柴油降解菌在活性炭上固定后表现出更大的丰度和多样性。SEM和FTIR光谱结果表明，稳定在活性炭上的细菌在柴油降解中具有很强的氧化能力。与自由悬浮的降解菌细胞和活性炭相比，活性炭载菌对柴油的去除效率显着提高(86.35%)。在使用活性炭载菌的整个吸附-生物降解过程中，活性炭充当柴油的捕集器和降解细菌的生物载体，确保柴油的高去除效率。特别是，当吸附的柴油化合物被固定化细菌生物降解时，活性炭的吸附能力可以恢复。活性炭固定化柴油降解细菌被证明对柴油具有吸附-生物降解作用，代表了一种从废水中去除柴油的有前途的方法。
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