黏土矿物-微生物相互作用机理以及在环境领域中的应用

黏土矿物与微生物在自然环境中广泛共存。二者之间的相互作用影响着环境中的能量流动与元素循环。黏土矿物能够给微生物提供物理或化学保护,提高微生物对外界胁迫和干扰的抵抗能力。黏土矿物同时还能给微生物提供营养元素,促进其新陈代谢过程。黏土矿物中的结构铁是微生物铁氧化还原循环的重要电子供/受体。在氧化还原的环境中,多种铁还原/铁氧化细菌可以通过还原氧化黏土矿物中的结构Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ),进而获得能量进行生长。在氧化还原过程中,微生物也可以通过溶解、转化、沉淀等作用改变黏土矿物的晶格结构及物相,或是产生新的次生矿物。黏土矿物-微生物相互作用在碳、氮、硅、磷等重要生命元素的地球化学循环中扮演着重要角色。黏土矿物可以通过吸附有机碳,降低有机碳的生物可利用性,减缓其矿化速率。在氧化还原波动的环境中,黏土矿物还可以通过活化分子氧,产生强氧化性自由基氧化降解有机质,提高其生物可利用性。黏土矿物还会吸附生物胞外酶,影响胞外酶降解有机质的效率。微生物通过耦合黏土矿物中铁氧化与硝酸盐还原,铁还原与氨氧化等过程影响氮循环。黏土矿物对磷的吸附以及风化过程中硅的释放影响着微生物的代谢活性。黏土矿物-微生物相互作用在重金属固化稳定、有机污染物降解、杀死病原菌等方面也有广泛的应用。

杀菌黏土矿物的研究进展与前景展望

黏土矿物具有特殊的层状结构与吸附性强、表面活性高、层间可交换阳离子丰富等理化特征,已被广泛应用于工业材料制造及环境修复等领域。而在医学领域,传统抗生素的滥用导致细菌的耐药性不断增强与全球流行,引发医学界对于现存抗生素有效性的担忧,开发新型杀菌药物迫在眉睫。尽管历史上已有黏土矿物缓解伤口脓肿、治疗消化不良及关节炎等病症的记载,现代分析技术的进步才使得研究者能够对黏土矿物及其杀菌机理进一步研究,从而深入挖掘其作为抗菌药物的潜在医学价值。近年来,国内外研究学者先后报道了黏土矿物自身广谱的杀菌能力,并指出其杀菌活性与矿物溶出的金属离子、其片层结构中赋存的活性铁、黏土表面带电性以及产生的活性氧基团(reactive oxygen species,ROS)等相关。另一方面,黏土矿物作为药物分子载体,可以增强杀菌药物的物理性能与杀菌活性,被广泛用于制备复合杀菌材料。本文综合近年来国内外研究团队对医药黏土的杀菌能力、过程与机理研究,探讨常见黏土矿物具备杀菌活性的必要条件与共性特征,简述黏土矿物作为有效载体所制备的杀菌材料,指明当前医药黏土矿物研发过程中存在的问题,为今后医药黏土研发提供些许建议。

三氟乙酸催化玉米秸秆纤维素制备三醋酸纤维素研究

以玉米秸秆纤维素为原料,以三氟乙酸(Trifluoroacetic acid,TFA)为催化剂,提出采用一锅法高效制备三醋酸纤维素(Cellulose triacetate,CTA)的新工艺,并进行了合成试验。以CTA的取代度和产率为指标,分析了TFA添加量、反应温度、反应时间以及乙酸酐添加量对CTA取代度及产率的影响,并优化了合成工艺,结果表明,CTA的最佳制备条件为:TFA添加量15 mL/g、反应温度25℃、反应时间30 min、乙酸酐添加量5 mL/g,得到的CTA的取代度为2.95,产率为96.2%。通过傅里叶变换红外光谱分析、X射线衍射分析以及氢核磁共振分析对产物理化特性进行了表征,结果表明,纤维素发生了乙酰化反应,并合成了CTA;热重分析结果表明,该工艺制备的CTA具有较高的热稳定性。

磷钨酸盐催化水解三醋酸纤维素制备二醋酸纤维素研究

以玉米秸秆基三醋酸纤维素(CTA)为原料,采用自制离子液体型磷钨酸盐(ILP)为水解催化剂,提出一种绿色、高效制备二醋酸纤维素(CDA)的新工艺。考察水添加量、ILP添加量以及反应时间对水解产物取代度和质量分数的影响,并对产物理化特性及结构进行表征。结果表明,在CTA添加量为0.6 g,反应温度为110℃时,CDA的最佳水解条件为:水添加量0.3 g、ILP添加量0.1 g,即水解液中ILP与水质量比为1∶3,原料与水解液质量比为3∶2,反应时间60 min,得到的CDA取代度为2.62,质量分数为69.33%。CDA聚合度为66.54,可溶于丙酮、冰醋酸、二氯甲烷、1,4-二氧六环和二甲基亚砜。电镜结果表明CDA微观形貌呈现粗糙、分散的状态,表面破坏程度严重。红外光谱和热重分析表明CTA成功水解为CDA。以玉米秸秆为原料时,原料的质量转化率达到47.72%。

球磨玉米秸秆高固体酶解工艺模拟及经济性分析

基于球磨预处理玉米秸秆,研究不同固体加载量和酶加载量对酶解效果的影响。结果表明,球磨60 min后的玉米秸秆在10 FPU CTec2(以1 g底物计)、20%(质量分数)固体加载量下,葡聚糖转化率和木糖得率分别为98%和47.66%,总单糖质量浓度达到86.38 g/L。通过Aspen plus软件对年处理30万t玉米秸秆经球磨预处理及高固体酶解产糖过程进行工艺设计,模拟得到年产量112453.7 t糖,经济性分析结果表明:每吨糖的生产成本为2176.8元,在净现值为0、内部收益率为10%时,最低糖售价为3086.2元/吨,此时年平均投资回报率(ROI)为6.13%,存在一定的经济效益潜力。通过灵敏度分析可知,玉米秸秆价格、纤维素酶价格和总投资费用对糖售价的影响较大。由此可见,球磨预处理玉米秸秆高固体酶解产糖工艺对后续生物基发酵或生物质产品的规模化生产具有借鉴意义。

黏土矿物对病毒生物地球化学作用的影响探讨与展望

作为自然界丰度最高的生命体,病毒活跃于海洋、土壤、冰川等各类生态系统.通过侵染细菌、古菌及真核微生物,病毒在调控微生物群落和元素生物地球化学循环过程中扮演着关键角色.在自然环境中,病毒与无机或有机颗粒存在广泛的相互作用.黏土矿物是广泛分布于陆地和海洋环境的无机颗粒,陆地生态系统中的黏土矿物可在大气、河流和冰川的作用下搬运至海洋,并在水体中沉降形成深海沉积物.黏土矿物对病毒具有高度亲和力,影响着环境中病毒的丰度、活性和感染能力.因此,黏土矿物对病毒介导的生物地球化学循环过程有着重要的影响.本文从各类生境中病毒的生态功能、病毒的生物地球化学作用模型和黏土矿物对病毒的吸附作用3个方面进行了概述,并讨论了陆地和海洋生态系统中黏土矿物的吸附作用对病毒功能和生物地球化学作用的潜在影响,提出黏土矿物是影响病毒驱动的生物地球化学循环不可忽视的因素,未来应将黏土矿物作为评估病毒生物地球化学作用的参数之一.

玉米秸秆基木质素-醋酸纤维素紫外屏蔽膜的制备及其性能

为减少紫外线对人类造成的伤害和设施的破坏,本文以过氧乙酸复合马来酸预处理(PAM)玉米秸秆得到的纤维素产物为原料,以三氟乙酸作为催化剂和溶剂通过相转化法制备具有紫外屏蔽功能的玉米秸秆基醋酸纤维素膜。随着PAM预处理温度的提高,乙酰化程度和醋酸纤维素产率分别增加到42.19%和93.97%。制得的醋酸纤维素膜(ZCA-80~ZCA-120)的光学性能表征结果表明:该醋酸纤维素膜紫外线屏蔽性能良好,ZCA-110的中波紫外线(UVB)和长波紫外线(UVA)屏蔽率分别达到96.51%和73.72%。同时,揭示了ZCA-80~ZCA-120在紫外光区(200~400 nm)的屏蔽率及在660 nm处的透光率(T_(660))与木质素含量的相关关系,表明木质素含量是决定醋酸纤维素膜紫外屏蔽性能的关键因素。采用紫外分光光度计、接触角测试仪、XRD和FTIR对未添加壳聚糖(ZCA-110)和添加壳聚糖(CS/ZCA-5)的醋酸纤维素膜进行比较研究,发现添加壳聚糖的膜透光率得到改善、亲水性增强、结晶度降低。本文制备的木质纤维基醋酸纤维素膜将为生物可降解紫外屏蔽材料的研发提供新思路。