一种原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置及其使用方法和应用

1.本发明属于光催化氧化技术领域，更具体地，涉及一种原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置及其使用方法和应用。


背景技术：

2.生物膜是由细菌形成有结构的、协调的、功能的生物群落。65％的细菌感染都会涉及生物膜，生物膜会存在于下水管道里，存在于手术刀上，存在于导尿管中，生物膜无处不在。而生物膜对抗生素治疗的抗性是浮游细菌的1000倍，并且生物膜会分泌胞外聚合物使得一些控制技术如冲洗、氯化和紫外线消毒花费较多且杀灭相对困难。因此，生物膜的杀灭工作往往会成为医院以及给水处理包括医疗废物及废水处理的难题，而之前大多数研究都是单单针对于生物膜的培养或者氯处理技术对生物膜的杀灭的工作，并没有关于生物膜的培养及原位杀灭杀灭一体化的技术，并且光催化氧化技术对去除生物膜存在一定的潜在优势。因此将光催化氧化技术与生物膜的培养技术进行集成化研究是光催化技术应用于实际医疗废物废水处理过程中的必然选择，也是模拟研究实际环境水体和医疗体系中生物膜一边生长，一边在线杀灭的真实情况。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术中存在的问题。本发明的目的在于提供一种原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置。
4.本发明的另一目的在于提供实现上述原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置的使用方法。
5.本发明的再一个目的在于提供上述原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置在处理医疗废物废水以及水处理领域中的应用。
6.本发明的目的通过下述技术方案来实现：
7.一种原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置，所述光催化氧化装置包括多功能螺纹瓶、多通道蠕动泵、生物膜培养反应器和紫外灯；所述多功能螺纹瓶设置有平衡内外气压的出气口和培养液输出口；所述生物膜反应器设有培养液输入口和废液排除口；所述培养液输出口通过无菌管路连接于所述培养液输入口，所述多通道蠕动泵设置在所述无菌管路上控制流量；所述生物膜培养反应器放置在倾斜支架上，所述紫外灯设置在所述生物膜培养反应器的下端。
8.进一步地，所述的生物膜培养反应器内部放置光催化剂载体，所述光催化剂载体为石英玻璃或导电玻璃，用于固定光催化剂。
9.进一步地，所述倾斜支架的倾斜角为20～50
°
。
10.进一步地，所述光催化氧化装置还包括废液收集缸，用于收集所述废液排出口排除的废液。
11.进一步地，所述生物膜培养反应器为滴流式生物膜培养反应器。
12.进一步地，所述生物膜培养反应器为方形容器，在所述生物膜培养反应器的上部设置有防污染的滑盖。
13.所述原位培养或/和杀灭生物膜的的光催化氧化装置的使用方法，包括以下具体步骤：
14.s1.催化剂附着处理：将催化剂溶液均匀附着于光催化剂载体上，然后将光催化剂载体焙烧后取出，在光催化剂载体上制得催化剂光催化膜；
15.s2.生物膜的培养：取过夜培养的菌液滴在附着催化剂的光催化剂载体的中间区域，在超净工作台内打开通风装置使其静置至菌液干至无明显液流痕迹，将其装入生物膜培养反应器中使培养液输入口与装有培养液的多功能螺纹瓶的培养液输出口连接，打开多通道蠕动泵，调控培养液的流速，培养至生物膜成熟；
16.s3.原位杀灭杀灭生物膜：打开紫外灯照射成熟期后的生物膜，并将多功能螺纹瓶中的培养液换成生理盐水，保证生物膜在湿润的环境下，光催化剂载体上的tio2催化剂在紫外灯的作用下被激发，生物膜开始被逐渐杀灭瓦解，直至被杀灭，产生的废液从废液排出口流出并收集到废液收集缸中，完成原位培养和杀灭生物膜。
17.优选地，步骤s1中所述催化剂溶液为tio2溶液、zno溶液或sno2溶液中的一种以上；所述催化剂溶液的浓度为0.01～1g/ml，焙烧的温度为300～500℃，所述焙烧的时间为2～6h；步骤s2中所述流速为0.1～3mlmin
‑1；所述培养的天数为1～7天，所述菌液为革兰氏阴性菌或/和革兰氏阳性菌；所述的培养液为蛋白胨、牛肉膏粉和氯化钠混合的水溶液，步骤s3中所述紫外灯照射的波长为320～420nm。
18.其中，革兰氏阴性菌为如铜绿假单胞菌、大肠杆菌、沙门氏菌等，革兰氏阳性菌为如芽孢杆菌、李斯特氏菌、葡萄球菌、链球菌等。
19.所述原位培养或/和杀灭生物膜的的光催化氧化装置在处理医疗废弃物或水处理领域中的应用。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.1.本发明的光催化氧化装置可实现对生物膜进行原位培养或/和原位杀灭；不仅可以在生物膜成熟后对其进行原位杀灭，还可以在紫外灯照射下或在光催化条件下培养生物膜，并且将生物膜培养反应器中的普通石英玻璃换成ito导电玻璃还可以实现光电催化，可以充分研究其生长过程中和杀灭过程中的理论机制。
22.2.本发明的光催化氧化装置组合紧凑、占地面积小，可以有效地降低处理成本。还可以运用于实际设计，解决医疗废物的前处理工作，去除其中的生物膜。
23.3.本发明的原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化设备可应用于医疗废物及废水的处理，特别适用于如导尿管的前处理，在24h内生物膜的去除效率可达95％以上。
附图说明
24.图1是本发明原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置的结构示意图。其中，1为多功能螺纹瓶，11为平衡内外气压的出气口，12为培养液输出口；2为多通道蠕动泵，3为生物膜培养反应器，31为培养液输入口，32为废液排出口；4为光催化剂载体，5为倾斜支架，6为紫外灯，7为废液收集缸；箭头方向为培养液的流向。
25.图2是应用例1中原位培养的生物膜的生长曲线图。
26.图3为应用例2中原位抑制生物膜生长的生长曲线对比图。
27.图4为应用例3中原位杀灭生物膜随杀灭时间的变化膜内细菌活死比例的变化图。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
29.实施例1
30.图1是本发明原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置的结构示意图。如图1所示，所述光催化氧化装置包括多功能螺纹瓶1、多通道蠕动泵2、生物膜培养反应器3和紫外灯5；所述多功能螺纹瓶1设置有平衡内外气压的出气口11和培养液输出口12；所述生物膜反应器3设有培养液输入口31和废液排除口32；所述培养液输出口12通过无菌管路连接于所述培养液输入口31，所述多通道蠕动泵2设置在所述无菌管路上控制流量；所述生物膜培养反应器3放置在倾斜支架5上，所述紫外灯6(uva波段，其波长为320～420nm)设置在所述生物膜培养反应器3的下端。
31.所述的生物膜培养反应器3内部放置光催化剂载体4，所述光催化剂载体4为石英玻璃或导电玻璃，用于固定光催化剂，光催化剂固定在生物膜培养反应器3中光催化剂载体上；光催化剂载体的尺寸为长75
×
宽75
×
厚度1.1mm，长
×
宽的面积占容器内径的80～95％。光催化剂为纳米tio2催化剂；
32.所述倾斜支架5的倾斜角为20～50
°
，便于将生物膜培养反应器3中的废水及时排除。
33.所述光催化氧化装置还包括废液收集缸7，用于收集所述废液排出口排除的废液。
34.所述生物膜培养反应器3为滴流式生物膜培养反应器。
35.所述生物膜培养反应器3为方形容器，在所述生物膜培养反应器3的上部设置有防污染的滑盖，同时也为了便于取样观察和进行分析。
36.所述多功能螺纹瓶1、生物膜培养反应器3和紫外灯6为若干套并联连接。
37.所述多功能螺纹瓶1采用无菌管路与滴流式生物膜培养反应器3连接，从而保证了培养液能够保证生物膜培养过程中无杂菌干扰实验，进一步提高了针对性实验的准确性，在无菌管路上设有多通道蠕动泵2以控制培养液的流量，使培养液以滴入的方式流入生物膜培养反应器3中参与生物膜培养。多功能螺纹试剂瓶1设置的平衡内外气压的出气口11以平衡内外气压使瓶中的培养液能够顺利泵出。
38.所述的多功能螺纹瓶1中所用培养液为蛋白胨、牛肉膏粉和氯化钠混合物的水溶液。其中，每升水溶液中含蛋白胨10g，牛肉膏粉3g，氯化钠5g。其中，蛋白胨、牛肉膏粉和氯化钠的质量比为10:3:5。所述培养液为营养肉汤培养基，是一种干粉培养基，选购于广东环凯微生物科技有限公司。
39.所述的生物膜培养反应器3和倾斜灯架5选用透明亚克力材料制成，目的是为了能够透过紫外光。
40.应用例1
41.使用实施例1的原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置进行原位培养生物
膜，包括如下步骤：
42.(1)细菌的选择：本例中使用的是革兰氏阴性菌中的铜绿假单胞菌。
43.(2)细菌的培养：将固体培养基中的细菌(革兰氏阴性菌中的铜绿假单胞菌)挑一颗单菌落于50ml的铜绿假单胞菌的液体培养基中，置于37℃，140r的摇床中过夜培养；
44.(3)细菌的附着：取200μl步骤(2)过夜培养的铜绿假单胞菌于75cm
×
75cm石英玻璃的中间1cm
×
7.5cm的面积区域，在超净工作台内打开通风装置使其静置1h至菌液干至无明显液流痕迹；
45.(4)生物膜的培养：将步骤(3)附着了铜绿假单胞菌的生物膜培养反应器3与多功能螺纹瓶1通过无菌管路相连接，打开多通道蠕动泵2调控培养液的流速至每通道1.2mlmin
‑1，培养4天至生物膜成熟，完成原位培养生物膜。
46.试验进行中通过开盖手动取膜，进行分析测定生物膜的生长曲线。图2是应用例1中原位培养的生物膜(空白组)的生长曲线图。从图2中可知，随着培养时间的增加，生物膜的厚度是先增加后降低的。说明在生物膜的生长过程中，生物膜的厚度的增加有个上限，而不是一直增加。本应用例中可单独使用原位培养功能培养生物膜，用于生物膜的探索和研究，研究生物膜的生长过程以及中间发生的一些信号分子的传递等。
47.应用例2
48.使用实施例1的原位培养/或和杀灭生物膜光催化氧化装置进行原位抑制生物膜的生长，包括如下步骤：
49.(1)细菌的培养：将固体培养基中的细菌(革兰氏阴性菌中的铜绿假单胞菌)挑一颗单菌落于50ml的铜绿假单胞菌的液体培养基中，置于37℃，140r的摇床中过夜培养；
50.(2)tio2附着处理：取20μl浓度为0.03g/ml的tio2溶液均匀附着于75
×
75
×
1.1mm的石英玻璃上，为了让tio2附着更稳定，将石英玻璃置于马弗炉中在400℃焙烧4h，在石英玻璃上制得纳米tio2光催化膜；
51.(3)生物膜的培养：取200μl步骤(3)中过夜培养的铜绿假单胞菌于附着了tio2的石英玻璃的中间1cm
×
75cm的面积区域，在超净工作台内打开通风装置使其静置1h至菌液干至无明显液流痕迹，而后将生物膜培养反应器3与多功能螺纹瓶1通过无菌管路连接，通过多通道蠕动泵2调控流速至每通道1.2ml min
‑1，同时打开紫外灯6(波长365nm)照射培养生物膜，使其暴露于光催化条件下培养生物膜，完成原位培养生物膜。
52.试验进行中通过开盖手动取膜，进行分析测定生物膜的生长曲线。图3是应用例2中原位抑制培养生物膜的生长曲线对比图。从图3中可知，随着培养时间的增加，光催化条件下培养的生物膜的厚度相较于空白组生物膜的厚度明显降低。说明在光催化条件下培养生物膜能够有效抑制生物膜的生长，生物膜的厚度降低明显。
53.应用例3
54.使用实施例1的原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置进行原位杀灭生物膜，包括如下步骤：
55.(1)tio2附着处理：取20μl浓度为0.03g/ml的tio2溶液均匀附着于75
×
75
×
1.1mm的石英玻璃上，为了让tio2附着更稳定，将石英玻璃置于马弗炉中在400℃焙烧4h，在石英玻璃上制得纳米tio2光催化膜；
56.(2)生物膜的培养：取200μl过夜培养的铜绿假单胞菌于附着了tio2的石英玻璃的
中间1cm
×
75cm的面积区域，在超净工作台内打开通风装置使其静置1h至菌液干至无明显液流痕迹，而后将生物膜培养反应器3与多功能螺纹瓶1通过无菌管路连接，通过多通道蠕动泵2调控流速至每通道1.2mlmin
‑1，培养4天至生物膜成熟；
57.(3)原位杀灭生物膜：打开紫外灯照射(波长365nm)成熟期后的生物膜，使紫外灯6、石英玻璃上制得tio2光催化膜4和生物膜依次排列，将多功能螺纹瓶1中的培养液换成生理盐水，保证生物膜在一个较为湿润的环境下，而不至于被紫外灯照干，整个装置形成一个完整的光催化反应体系，纳米tio2催化剂在紫外灯的作用下被激发，生物膜开始被逐渐瓦解，直至大部分被杀灭，产生的废液从废液排出口流出并收集到废液收集缸中，完成原位培养和杀灭生物膜。
58.试验进行中通过开盖手动取膜，进行分析测定生物膜内细菌的活死比例。图3为应用例2中原位杀灭生物膜随杀灭时间的变化膜内细菌活死比例的变化图。从图3可知，本应用例对生物膜的杀灭效率在紫外光暴露12h时的杀灭效率达到75％，在24h时的杀灭效率可达90％以上。说明tio2在紫外光的激发下对生物膜的杀灭效果显著，并且随着紫外光暴露的时间增加，膜内细菌的死亡率也随之增加，随着时间的增加可以达到95％以上。本发明的原位培养和杀灭生物膜的光催化氧化装置可应用于医疗废弃物及水处理领域中的处理，如导尿管废废弃物的前处理、管网供水前的预处理和污水排放前的预处理工作等。
59.应用例4
60.使用实施例1的原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置进行原位杀灭生物膜，包括如下步骤：
61.(1)tio2附着处理：取20μl浓度为0.03g/ml的tio2溶液均匀附着于75
×
75
×
1.1mm的石英玻璃上，为了让tio2附着更稳定，将石英玻璃置于马弗炉中在400℃焙烧4h，在石英玻璃上制得纳米tio2光催化膜；
62.(2)生物膜的培养：取200μl过夜培养的铜绿假单胞菌于附着了tio2的石英玻璃的中间1cm
×
75cm的面积区域，在超净工作台内打开通风装置使其静置1h至菌液干至无明显液流痕迹，而后将生物膜培养反应器3与多功能螺纹瓶1通过无菌管路连接，通过多通道蠕动泵2调控流速至每通道1.2mlmin
‑1，培养4天至生物膜成熟；
63.(3)原位杀灭生物膜：打开紫外灯照射(波长420nm)成熟期后的生物膜，使紫外灯6、石英玻璃上制得tio2光催化膜4和生物膜依次排列，将多功能螺纹瓶1中的培养液换成生理盐水，保证生物膜在一个较为湿润的环境下，而不至于被紫外灯照干，整个装置形成一个完整的光催化反应体系，纳米tio2催化剂在紫外灯的作用下被激发，生物膜开始被逐渐瓦解，直至大部分被杀灭，产生的废液从废液排出口流出并收集到废液收集缸中，完成原位培养和杀灭生物膜。
64.试验进行中通过开盖手动取膜，进行分析测定生物膜内细菌的活死比例。本应用例对生物膜的杀灭效率在紫外光暴露12h时的杀灭效率达到85％，在24h时的杀灭效率到达95％以上。说明tio2在紫外光的激发下对生物膜的杀灭效果显著，并且随着紫外光强度的增加，膜内细菌的死亡率也随之增加。本发明的原位培养和杀灭生物膜的光催化氧化装置可应用于医疗废弃物及水处理领域中的处理，如导尿管废废弃物的前处理、管网供水前的预处理和污水排放前的预处理工作等。
65.应用例5
66.使用实施例1的原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置进行原位杀灭生物膜，包括如下步骤：
67.(1)tio2附着处理：取20μl浓度为0.03g/ml的tio2溶液均匀附着于75
×
75
×
1.1mm的石英玻璃上，为了让tio2附着更稳定，将石英玻璃置于马弗炉中在400℃焙烧4h，在石英玻璃上制得纳米tio2光催化膜；
68.(2)生物膜的培养：取200μl过夜培养的铜绿假单胞菌于附着了tio2的石英玻璃的中间1cm
×
75cm的面积区域，在超净工作台内打开通风装置使其静置1h至菌液干至无明显液流痕迹，而后将生物膜培养反应器3与多功能螺纹瓶1通过无菌管路连接，通过多通道蠕动泵2调控流速至每通道1.2mlmin
‑1，培养4天至生物膜成熟；
69.(3)原位杀灭生物膜：打开紫外灯照射(波长320nm)成熟期后的生物膜，使紫外灯6、石英玻璃上制得tio2光催化膜4和生物膜依次排列，将多功能螺纹瓶1中的培养液换成生理盐水，保证生物膜在一个较为湿润的环境下，而不至于被紫外灯照干，整个装置形成一个完整的光催化反应体系，纳米tio2催化剂在紫外灯的作用下被激发，生物膜开始被逐渐瓦解，直至大部分被杀灭，产生的废液从废液排出口流出并收集到废液收集缸中，完成原位培养和杀灭生物膜。
70.试验进行中通过开盖手动取膜，进行分析测定生物膜内细菌的活死比例。本应用例对生物膜的杀灭效率在紫外光暴露24h时的杀灭效率到达85％。随着紫外光强度的减少，膜内细菌的死亡率也随之减少，随着时间的增加可达到95％以上，说明tio2在紫外光的激发下对生物膜的杀灭效果显著。本发明的原位培养和杀灭生物膜的光催化氧化装置可应用于医疗废弃物及水处理领域中的处理，如导尿管废废弃物的前处理、管网供水前的预处理和污水排放前的预处理工作等。
71.本发明提供的原位培养或/和杀灭生物膜的光催化氧化装置组合紧凑、占地面积小，可以有效地降处理成本，可单独使用原位培养功能培养生物膜，用于生物膜的探索和研究，研究生物膜的生长过程以及中间发生的一些信号分子的传递等；也可同时原位培养和杀灭生物膜，使生物膜的杀灭效率在24h内可达85％以上，随着时间的增加可达到95％以上，在紫外光的激发下对生物膜的杀灭效果显著，可广泛用于生物膜的培养及杀灭以及医疗废弃物和水处理领域中的应用。
72.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。