單原子層氮化碳在可見光下對燦爛弧菌的滅菌效果研究

為了在可見光下實(shí)現(xiàn)對海水中燦爛弧菌Vibrio splendidus的光催化滅菌，通過煅燒和超聲剝離相結(jié)合的方法制備了一種新型的非金屬單原子層氮化碳 （SL g-C3N4）光催化劑，在可見光下對海水中燦爛弧菌進(jìn)行了光催化滅菌研究。結(jié)果表明：制備的SL g-C3N4厚度約為0.5 nm，其吸收邊帶位于420 nm左右；當(dāng)SL g-C3N4用量為20 mg/L，海水中燦爛弧菌的初始濃度為1×107cfu/mL時，經(jīng)過90 min可見光照射，與對照組相比海水中燦爛弧菌的數(shù)量降低了約2.3個lg單位。研究表明，SL g-C3N4在可見光下能夠?qū)崿F(xiàn)光催化殺滅海水中的燦爛弧菌。

氮化碳；燦爛弧菌；光催化；滅菌

燦爛弧菌Vibrio splendidus是海水經(jīng)濟(jì)動物養(yǎng)殖過程中一種常見的病原菌，可導(dǎo)致刺參Apostichopus japonicus出現(xiàn)腐皮綜合征［1-2］，還可引起海鱸Morone saxatilis［3］、牙鲆 Paralichthys olivaceus［4］、大西洋鮭Salmo salar［5］、文蛤Meretrix meretrix［6］等海水養(yǎng)殖生物的多種疾病。目前，防治燦爛弧菌的方法多為使用消毒劑和抗生素，但藥物治療會對養(yǎng)殖水環(huán)境造成潛在污染［7-8］。此外，通過合理調(diào)控養(yǎng)殖密度、及時清除患病個體和經(jīng)常換水等方式也可防止?fàn)N爛弧菌的蔓延和傳播［9］。

半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一種新型高級氧化技術(shù)，具有啟動迅速、操作簡單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，特別是在光催化殺菌方面具有廣闊的應(yīng)用前景［10］。目前，半導(dǎo)體光催化劑多為金屬氧化物，但考慮到金屬資源的稀缺性，基于非金屬的光催化劑研發(fā)已引起人們的關(guān)注［11］。氮化碳 （g-C3N4）是一種僅由C和N兩種非金屬元素構(gòu)成的可見光光催化劑，具有原料易得、價格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，可應(yīng)用于光解水產(chǎn)氫、化學(xué)分析和有機(jī)污染物的去除［12-14］。已有研究表明，塊體g-C3N4是一種石墨相多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，當(dāng)多層結(jié)構(gòu)的g-C3N4轉(zhuǎn)變成單原子層結(jié)構(gòu)時，單原子層g-C3N4（SL g-C3N4）的比表面積和光催化活性均會高于塊體g-C3N4［14］。因此，本研究中制備并表征了 SL g-C3N4，并選擇海水經(jīng)濟(jì)動物養(yǎng)殖水體中常見的病原菌燦爛弧菌為處理對象，考察了SL g-C3N4在可見光下對燦爛弧菌的殺滅效果，旨在為可見光光催化滅菌技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理中的應(yīng)用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料

燦爛弧菌2CLM002取自大連海洋大學(xué)病害實(shí)驗(yàn)室病原庫。

1.2方法

1.2.1樣品的制備 稱取5 g三聚氰胺 （C3H6N6，分析純）放入坩堝中，將坩堝置于馬弗爐 （KSJ型）中加熱至520℃，升溫速率為5℃/min，保溫4 h后，自然冷卻至室溫，得到淡黃色的g-C3N4塊體。稱取g-C3N4塊體0.5 g，研磨后放入石英舟中，將石英舟置于管式爐 （SK2型）中，于530℃下煅燒2.5 h，自然冷卻至室溫后得到黃白色絮狀g-C3N4粉體。最后，將g-C3N4粉體50 mg分散于100 mL異丙醇 （C3H8O，分析純）中，超聲4 h，離心后的樣品真空干燥，最終得到SL g-C3N4樣品。

1.2.2樣品的表征 采用原子力顯微鏡 （AFM，XE-70）對獲得的SL g-C3N4樣品形貌進(jìn)行表征，采用X射線衍射儀 （XRD，LabX XRD-6000）對樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用紫外-可見漫反射光譜儀 （UV-2450）測試樣品對光的吸收性能。

1.2.3樣品的滅菌試驗(yàn) 將燦爛弧菌株從超低溫冰箱 （-80℃）中轉(zhuǎn)移至冰箱 （4℃）中解凍，解凍后的菌株在超凈工作臺上接種于胰蛋白胨大豆瓊脂 （TSA，添加15 g/L NaCl）培養(yǎng)基中，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，經(jīng)過一次純化后繼續(xù)培養(yǎng)24 h。在光催化滅菌試驗(yàn)前，使用生理鹽水將燦爛弧菌從培養(yǎng)基上沖下備用。

可見光光催化滅菌試驗(yàn)裝置如圖1所示。光源為功率300 W的氙燈 （PL-X300D，北京普林塞斯科技有限公司），并采用400 nm的截止濾光片屏蔽掉紫外線部分。反應(yīng)器為圓柱形雙層石英反應(yīng)器（直徑為60 mm，高度為80 mm），反應(yīng)器與低溫恒溫反應(yīng)浴 （DFY-20/30，鞏義市予華儀器有限公司）相連，恒溫水浴溫度控制在 （25±0.5）℃。石英反應(yīng)器下置磁力攪拌器攪拌反應(yīng)溶液，攪拌速度控制在溶液能夠充分流動。反應(yīng)溶液中SL g-C3N4的濃度為20 mg/L，燦爛弧菌濃度為1×107cfu/mL。開啟氙燈 （液面的光照強(qiáng)度為30 mW/cm2）后，每隔15 min取樣一次，每次取3個平行樣品。每個樣品的體積為100 μL，加入900 μL生理鹽水，混勻后再次稀釋10倍，一直稀釋到燦爛弧菌理論濃度為1×103cfu/mL為止。在潔凈工作臺上，取各稀釋倍數(shù)的燦爛弧菌菌液100 μL，均勻涂抹在TSA培養(yǎng)基表面。將培養(yǎng)基置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后，通過顯微計(jì)數(shù)法檢測出各樣品中燦爛弧菌濃度。以上試驗(yàn)中全部玻璃儀器及溶液均經(jīng)過高壓滅菌處理后使用。

2　結(jié)果與討論

2.1SL g-C3N4材料性質(zhì)表征

采用原子力顯微鏡對制備的SL g-C3N4樣品進(jìn)行形貌觀察，結(jié)果如圖2和圖3所示。SL g-C3N4均呈不規(guī)則形狀，規(guī)格為1～4 μm。樣品測量結(jié)果如圖3所示，其厚度比較均勻，約為0.5 nm。Liu等［12］從理論上提出C3N4共價晶體的存在，其最大特點(diǎn)是僅由C、N兩種非金屬元素構(gòu)成，是一種不含有金屬元素的化合物。C3N4被認(rèn)為可能有5種結(jié)構(gòu)，其中石墨相氮化碳 （g-C3N4）在常溫常壓下是最穩(wěn)定的相。g-C3N4每層中的C、N原子均為sp2雜化，C和N相間排列，形成C3N3或C6N7的雜環(huán)，環(huán)間通過末端的N原子相連形成無限擴(kuò)展的二維平面，平面堆積成具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)［13］。

圖4為g-C3N4的類石墨層狀三維結(jié)構(gòu)示意圖，其理論層間距值與石墨的層間距值接近。層間距是指相鄰兩層原子中心之間的距離，g-C3N4的理論層間距值為0.326 nm。由圖4可知，包含單原子層g-C3N4在內(nèi)的上部和下部兩個層間距之和為0.652 nm，本試驗(yàn)中制備的g-C3N4厚度 （圖3）小于兩倍層間距的理論值，由此可知，本試驗(yàn)中制備所得的g-C3N4材料具有單原子層結(jié)構(gòu)。

圖5為SL g-C3N4的XRD圖，在XRD圖中27.5°處有一個特征峰，通過對SL g-C3N4晶面的特征分析可知，該特征峰對應(yīng)了g-C3N4的 （002）晶面［15］。光催化劑的光吸收特性是影響光催化效率的重要因素，通過對SL g-C3N4的紫外-可見漫反射光譜 （圖6）分析可知，SL g-C3N4的吸收邊帶位于420 nm左右，表明SL g-C3N4能夠吸收波長小于420 nm部分的可見光及紫外光，具有一定的可見光吸收能力。根據(jù)公式E=hc/λ（其中E為能量，h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為入射光的波長）計(jì)算得到其禁帶寬度約為3.0 eV［10］。

2.2SL g-C3N4的滅菌效果

由圖7可見，在無催化劑的可見光照射下和黑暗對照條件下，反應(yīng)溶液中燦爛弧菌的濃度均略有下降，兩種條件下溶液中燦爛弧菌濃度下降變化趨勢基本一致，在90 min后，溶液中燦爛弧菌濃度下降約1個lg單位。當(dāng)溶液中加入SL g-C3N4催化劑后 （試驗(yàn)組），在可見光照射下，溶液中燦爛弧菌濃度下降趨勢明顯，與對照組相比，在30 min時，溶液中燦爛弧菌濃度下降1.2個lg單位，在90 min時，下降2.3個lg單位。本研究表明，SL g-C3N4在吸收可見光下可有效殺滅水中的燦爛弧菌。

圖1　光催化滅菌裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the photocatalytic disinfection apparatus used in the experiment

圖2　SL g-C3N4的AFM圖Fig.2 AFM image of SL g-C3N4

圖3　AFM表征SL g-C3N4的厚度 （圖2中實(shí)線標(biāo)記處）Fig.3 Cross-sectional plots along the line in Fig.2

圖4　g-C3N4的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Three dimensional representation of the g-C3N4structure

圖5　SL g-C3N4的XRD圖Fig.5 XRD of SL g-C3N4

圖6　SL g-C3N4的紫外-可見漫反射光譜Fig.6 　UV-vis diffuse reflectance spectrum of SL g-C3N4

圖7　可見光下SL g-C3N4對燦爛弧菌的滅菌效果Fig.7 Photocatalytic disinfection of Vibrio splendidus using SL g-C3N4

在已報道的光催化滅菌研究中，TiO2作為最常用的光催化劑被廣泛應(yīng)用。Matsunaga等［16］研究發(fā)現(xiàn)，TiO2在紫外光照條件下可以極大地提高對大腸桿菌的殺滅能力；劉平等［17］研究發(fā)現(xiàn)，TiO2對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有殺滅作用；王浩等［18］和Cai等［19］研究了TiO2在特定條件下對腫瘤細(xì)胞和癌細(xì)胞的殺滅作用。但是，TiO2光催化劑只能吸收利用紫外光，這嚴(yán)重限制了TiO2的實(shí)際應(yīng)用范疇［20］。本研究中，選用的SL g-C3N4屬于典型非金屬光催化劑，具有單原子層結(jié)構(gòu)，能夠吸收利用部分可見光，該催化劑在氙燈 （濾去400 nm以下波長光）照射下，對海水中的燦爛弧菌有一定的殺滅效果，表明SL g-C3N4在可見光滅菌方面具有一定的潛在應(yīng)用前景。

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林中凌1，王華1，孫羿1，劉萱2，趙煥新3，呂豐訸1，劉璐1，魯陽1
（1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省貝類良種繁育工程技術(shù)研究中心，遼寧大連116023；2.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116024；3.沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧沈陽110142）

Photocatalytic disinfection of Vibrio splendidus under visible light irradiation by atomic single layer g-C3N4

LIN Zhong-ling1，WANG Hua1，SUN Yi1，LIU Xuan2，ZHAO Huan-xin3，Lü Feng-he1，LIU Lu1，LU Yang1
（1.Engineering Research Center of Shellfish Culture and Breeding in Liaoning Province，College of Fisheries and Life Science，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China；2.College of Environment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.School of Environmental and Safety Technology，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China）

The photocatalytic disinfection of Vibrio splendidus was investigated under visible light irradiation using metal-free semiconductor single layer g-C3N4（SL g-C3N4）which was about 0.5 nm in thickness，adsorption edge of about 420 nm，and fabricated by calcined and ultrasonic process.The cell density of Vibrio splendidus was shown to be decreased at a rate of about 2.3 lg unit in 90 min irradiation at an initial Vibrio splendidus cell density of 1× 107cfu/mL and SL g-C3N4concentration of 20 mg/L in water.The findings indicated that the SL g-C3N4had the capability for disinfection of Vibrio splendidus under visible light irradiation.

g-C3N4；Vibrio splendidus；photocatalysis；disinfection

S949

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.04.006

2095-1388（2016）04-0380-04

2015-11-28

遼寧省教育廳科研項(xiàng)目 （L2015435）；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （2014020149）作者簡介：林中凌 （1991—），男，碩士研究生。E-mail：791248298@qq.com

王華 （1973—），男，博士，副教授。E-mail：wanghua@dlou.edu.cn；

趙煥新 （1985—），男，博士，講師。E-mail：zhaohuanxin@syuct.edu.cn