专利名称：一种利用混合电子供体提高非光合微生物固碳效率的方法
技术领域：
本发明涉及微生物固定CO2领域，涉及一种提高非光合微生物固碳效率的方法。
背景技术：
CO2引发的“温室效应”所造成的气候变暖是当前全球面临的重大环境问题。根据 IPCC第4次评估报告指出在最近的一个十年期(1995 2004年)，CO2当量排放的增加速率(每年9. 2亿吨CO2当量)比前一个十年期(1970 1994年)的排放速率(每年4. 3 亿吨CO2当量)高得多。中国的“十二五规划建议草案”显示我国将CO2减排放在了相当重要的位置上。而在2010年末举行的坎昆会议上，中国承诺到2020年，单位国内生产总值 (OTP)CO2排放将比2005年下降40% -45%。同时CO2又是地球上最丰富的碳资源，可将其转变为资源和能源。因此，CO2的固定在环境、能源、资源方面都具有重要的意义。当前，在考虑如何减排CO2的前提下，研究CO2的回收与固定，既能有效减少环境中游离的CO2，又能将其再生为资源，因此已引起世界各国的广泛兴趣。CO2的固定主要有物理法化学法和生物法，而大多数物理法和化学法都必须接和生物法来最终固定co2。生物法固定CO2主要是依靠植物和自养微生物，传统上植物的光合作用较为重要也更为人所重视。但地球上存在各种各样的环境，在植物不能生长的特殊环境和场合(如干旱贫瘠的沙漠土壤和工业废气的捕集场合)，微生物所具有的环境适应性的优势便显现出来了，因此从整个生物圈的物质流和能量流来看，微生物固定CO2意义重大。目前公认具有较高固碳效率的微生物主要是光合微生物和化能自养细菌中的氢-氧化细菌。藻类等光合微生物由于在培养过程中，需要光照，以及其不耐热和高浓度 CO2的特性，限制了其实际应用。而氢-氧化细菌虽然不用光照且生长范围较为宽泛，但其在生长过程中必须提供以高浓度氢气作为电子供体，因此普通环境条件难以符合其生长要求，同时在实际应用中，供氢气也存在严重的安全隐患。鉴于此，发掘不用光照与供氢的高效固碳微生物，对于实现普通环境条件下的微生物固碳(如土壤环境与吸收工业排放CO2 的大型生物反应器中)具有重要意义。海洋在全球碳循环过程中有着重要地位，其每年要吸收2. OGt (IGt = 109t)人为排放的CO2，海洋中固碳微生物的研究也一直是全球相关领域专家关注的焦点。为此，我们从全球多个海域(包括全球四大洋，数十个国家和地区)采集水土样品，通过分离筛选已获得了多个系列的不用光照与供氢的固碳微生物菌群。但是这些菌群固碳效率相比光合微生物较低，其主要原因在于这些菌群可利用的能源物质种类有限、能源物质量有限及能源物质的可利用性有限，如果利用混合电子供体系统则可有效解决这些问题，将有利于显著提高其固碳效率，进一步增强菌群在实际应用中潜在的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种好氧条件下利用混合电子供体提高非光合微生物固碳效率的方法。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种提高非光合微生物固碳效率的方法，包含如下步骤(I)配制培养自养微生物的培养基；然后在上述培养基中再加入微量兀素溶液；(2)配制电子供体浓缩液；(3)将步骤(2)中制得的电子供体浓缩液加入到步骤(I)中制得的含微量元素的培养液中；(4)向步骤(3)得到培养基中加入来自海洋的混合固碳菌种，在好氧条件下培养。所述的步骤(I)中的培养基包含以下组分0. 5-1. Og/L KH2PO4' I. 0-2. Og/ L K2HPO4^O. 1-0. 2g/L MgSO4 7H20、10-30g/L NaCUO. 001-0. Olg/L CaCl2, 0. 0036mmol-0. 036mmol/L 亚铁盐和 0. 00375-0. 0375mol/L NH4+。所述的亚铁盐选自FeSO4 7H20、FeSO4 或 FeCl2 ；所述的铵盐选自(NH4)2SO4或NH4Cl。所述的微量元素溶液包含I. 68mg/LNa2Mo04 2H20、0. 4mg/LH3B03、I. Omg/ LZnSO4 7H20、1. 0mg/LMnS04 5H20、7. 0mg/LCuS04 5H20、1. 0mg/LCoCl2 6H20 或 I. Omg/ LNiSO4 7H20中的一种以上。所述的步骤(I)中，每升培养液中加入2ml微量元素溶液。所述的步骤(2)中电子供体选自MnSO4 5H20、亚硝酸盐、硫代硫酸盐或硫化物中的一种或一种以上。所述的亚硝酸盐选自NaNO2或KNO2 ；所述的硫代硫酸盐选自Na2S2O3或K2S2O3。 所述的硫化物选自Na2S或K2S。所述的步骤⑵中，电子供体浓缩液中每种电子供体的浓度为80_200mg/mL。所述的步骤(3)中混合电子供体的用量为0. 01-10g/L MnSO4 *5H20, l_15g/L亚硝酸盐，l-15g/L硫代硫酸盐或l_15g/L硫化物。所述的步骤⑷中来自海洋的混合固碳菌种选自专性/兼性自养微生物及异养微生物，选自海洋海水或海水沉积物的混合微生物菌群,该菌群主要由化能自养微生物组成, 包括有铁细菌、氢细菌、硫细菌、锰细菌或硝化细菌中的一种以上。所述的步骤(4)的好氧条件为气体中氧气含量为5-25%，二氧化碳含量大于 0%，二氧化碳含量优选5-30%，进一步优选二氧化碳的含量为20%，培养时间为4-8天。本发明的有益效果在于将MnSO4 5H20、NaNO2、KNO2、Na2S2O3或Na2S中的一种以上制成混合电子供体系统， 可以有效促进非光合固碳微生物的固碳效率；经实验表明，使用混合电子供体培养非光合固碳微生物，其固碳效率是使用单一电子供体培养的数倍，如以NaNO2, Na2S2O3和Na2S组成的混合电子供体系统的效果是不加MnSO4 5H20、NaNO2, KNO2, K2S2O3^ Na2S2O3^ K2S或Na2S中任一种的效果的6424%，表明混合电子供体可有效对微生物的固碳效率进行增效，从而实现对CO2的资源化。本发明还具有工艺简单、可操作性强和具有一定经济效益的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例I(I)配制培养自养微生物的培养基培养基配方如下(g/L)=KH2PO4 (I. 0) ；K2HP04(2. 0) ；MgS04 *7H20(0. 2) ；NaCl (20)和 CaCl2(0. 01) ； (NH4)2S04(0 . 0 38mol/L) ；FeS04 7H20(0. 0036mmol/L);在每升上述培养基中再加入2mL的微量元素溶液。微量元素溶液选自包含Na2MoO4 2H20 (I. 68) ； H3BO3 (0. 4) ； ZnSO4 7H20 (I. 0)； MnSO4 5H20(1. 0) ；CuSO4 5H20 (7. 0) ；CoCl2 6H20(1. 0)和 NiSO4 7H20(1. 0)，浓度以 mg/L 计；(2)分别单独配制之后作为电子供体的NaNO2, Na2S2O3和Na2S的浓缩液，其浓度分别为 80mg/mL ；(3)选取步骤⑵得到的电子供体浓缩液中的几种，按照4. 6g/L NaNO2, 5. Og/L Na2S2O3和12. 5g/L Na2S的用量向步骤(I)得到的培养基中加入步骤(2)得到的电子供体浓缩液；(4)将筛选自多个海洋海水样品且经过半年的驯化培养的固碳微生物菌群接种于步骤(3)得到培养基中，并在好氧条件下培养4天，其中，其中混合气体由空气和二氧化碳组成，其中空气二氧化碳=80 20，体积比。本实施例中的固碳微生物菌群具体是筛选自海洋海水或海水沉积物的混合微生物菌群，该菌群主要由化能自养微生物组成,主要包括有硫细菌、硝化细菌等。实施例2(I)配制培养自养微生物的培养基。培养基配方如下(g/L) =KH2PO4 (I. 0)； K2HPO4 (2.0) ；MgS04 7H20(0. 2) ；NaCl (20)和 CaCl2(O-Ol) ； (NH4) 2S04(0. 038mol/L)； FeSO4 7H20(0. 0036mmol/L)在每升上述培养基中再加入2mL的微量元素溶液。微量元素溶液选自包含Na2MoO4 2H20 (I. 68) ； H3BO3 (0. 4) ； ZnSO4 7H20 (I. 0)； MnSO4 5H20(1. 0) ；CuSO4 5H20 (7. 0) ；CoCl2 6H20(1. 0)和 NiSO4 7H20(1. 0)，浓度以 mg/L 计；(2)分别单独配制之后作为电子供体的NaNO2, Na2S2O3和Na2S的浓缩液，其浓度分别为 160mg/mL ；(3)选取步骤(2)得到的电子供体浓缩液中的几种，按照0. 01g/L MnSO4 5H20， 5. 0g/LNaN02，5. Og/L Na2S2O3和12. 5g/L Na2S的用量向步骤(I)得到的培养基中加入步骤
(2)得到的电子供体浓缩液。(4)将筛选自中国厦门、中国海南、中国上海、中国青岛、澳大利亚、泰国普吉、日本仙台、法国加莱、巴布亚新几内亚、南极和北极海水样品的多个固碳微生物菌群接种于步骤
(3)得到培养基中，并在好氧条件下培养4天，其中混合气体由空气和二氧化碳组成，其中空气二氧化碳=80 : 20,体积比。本实施例中的细菌筛选自海洋海水或海水沉积物的混合微生物菌群，该菌群主要由化能自养微生物组成，化能自养微生物包括有氢细菌、硫细菌、硝化细菌。实施例3(I)配制培养自养微生物的培养基。培养基配方如下(g/L) =KH2PO4 (I. 0)； K2HPO4 (2. 0) ；MgS04 7H20(0. 2) ；NaCl (20)和 CaCl2(O-Ol) ；NH4C1 (0. 019mol/L)； FeCl2 (0. 00144mmol/L);在每升上述培养基中再加入2mL的微量元素溶液。微量元素溶液选自包含 Na2MoO4 2H20(1. 68) ；H3B03 (0. 4) ；ZnS04 7H20(1. 0) ；MnSO4 5H20(1. 0)； CuSO4 5H20(7. 0) ；CoCl2 6H20(1. 0) ；andNiS04 7H20(1. 0)，浓度以 mg/L 计。(2)分别单独配制之后作为电子供体的，NaNO2, Na2S2O3和Na2S的浓缩液，其浓度为 200mg/mL ；(3)选取步骤(2)得到的电子供体浓缩液中的几种，按照5. Og/L NaNO2或者2. 3g/ LNa2S2O3或者2g/L Na2S中的任意一种的电子供体用量向步骤(I)得到的培养基中加入步骤(2)得到的电子供体浓缩液；(4)将筛选自多个海洋海水样品且经过半年多时间驯化培养的固碳微生物菌群接种于步骤(3)得到培养基中，并在好氧条件下培养4天，其中好氧条件具体是混合气体中由空气和二氧化碳组成，其中空气二氧化碳=80 20，体积比。本实施例中的细菌筛选自海洋海水或海水沉积物的混合微生物菌群，该菌群主要由化能自养微生物组成，主要包括有硫细菌、硝化细菌等。实施例中，为研究混合电子供体对微生物的增效效果，取培养4天的样品，测其培养液中总有机碳浓度，由于初始培养基总有机碳浓度为0，且在培养过程中微生物可以利用的碳源只有CO2这个无机碳源，所以培养基中增加了的总有机碳量都是来自于微生物将CO2 固定所得。实例I的结果表明，经过混合电子供体培养的微生物其在4天内固定的CO2量达到了 387. 51mg/L，而未使用混合电子供体培养的微生物同样培养条件下固定CO2效率仅为 5.94mg/L，前者比后者高了 6424%。实验表明，经过本发明的方法，微生物固定CO2效率大幅增加。实例2的结果中，以公认的最佳电子供体H2为对照，用混合电子供体培养4天后， 来自十多个海域的不同微生物菌群，其固定CO2效率是使用H2培养时的380%。实例3的结果中，按照5. Og/L NaNO2或者2. 3g/L Na2S2O3或者2g/L Na2S中的任意一种的电子供体用量培养的微生物，比不加它们的直接培养的微生物的固定CO2效率要高出一倍。实验表明， 经过本发明的方法，微生物固定CO2效率大幅增加。综上可见，该方法工艺简单，可操作性强，而且对于来自全球4大洋十多个海域的微生物菌群均有效，说明该方法对于微生物菌群固定CO2的增效效果具有普遍性，可有效利用于微生物固定CO2的过程中，从而实现对CO2的资源化。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高非光合微生物固碳效率的方法，其特征在于包含如下步骤(1)配制培养自养微生物的培养基；然后在上述培养基中再加入微量兀素溶液；(2)配制电子供体浓缩液；(3)将步骤(2)中制得的电子供体浓缩液加入到步骤(I)中制得的含微量元素的培养液中；(4)向步骤(3)得到培养基中加入来自海洋的混合固碳菌种，在好氧条件下培养。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(I)中的培养基包含以下组分0· 5-1. 0g/LKH2P04、l. 0-2. Og/L Κ2ΗΡ04、0· 1-0. 2g/L MgSO4 · 7Η20、10_30g/LNaCl、O.001-0. 01g/L CaCl2,0. 0036mmol-0. 036mmol/L 亚铁盐和 0. 00375-0. 0375mol/L NH:。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的亚铁盐选自FeSO4· 7H20、FeSO4或 FeCl2 ；或所述的铵盐选自(NH4) 2S04或NH4Cl。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的微量元素溶液包含1.68mg/ LNa2MoO4 · 2Η20、0· 4mg/LH3B03、I· 0mg/LZnS04 · 7Η20、1· 0mg/LMnS04 · 5Η20、7· Omg/ LCuSO4 · 5Η20、1· 0mg/LCoCl2 · 6Η20 或 I. 0mg/LNiS04 · 7H20 中的一种以上。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(I)中，每升培养液中加入 2ml微量元素溶液。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(2)中电子供体选自 MnSO4 · 5H20、亚硝酸盐、硫代硫酸盐或硫化物中的一种或一种以上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的亚硝酸盐选自NaNO2或KNO2；所述的硫代硫酸盐选自Na2S2O3或K2S2O3。所述的硫化物选自Na2S或K2S。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(2)中，电子供体浓缩液中每种电子供体的浓度为80-200mg/mL ；或所述的步骤(3)中混合电子供体的用量为0.01-10g/L MnSO4 ·5Η20，1-158/1亚硝酸盐，l-15g/L硫代硫酸盐或l_15g/L硫化物。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(4)中来自海洋的混合固碳菌种选自专性/兼性自养微生物及异养微生物，选自海洋海水或海水沉积物的混合微生物菌群，该菌群由化能自养微生物组成，其中包括有铁细菌、氢细菌、硫细菌、锰细菌或硝化细菌中的一种以上。
10.根 据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的步骤(4)的好氧条件为气体中氧气含量为5-25%, 二氧化碳含量大于0%，二氧化碳含量优选5-30%,进一步优选二氧化碳的含量为20%，培养时间为4-8天。
全文摘要
本发明涉及微生物固定CO2领域，涉及一种提高非光合微生物固碳效率的方法。其包含如下步骤(1)配制培养自养微生物的培养基；然后在上述培养基中再加入微量元素溶液；(2)配制电子供体浓缩液；(3)将步骤(2)中制得的电子供体浓缩液加入到步骤(1)中制得的含微量元素的培养液中；(4)向步骤(3)得到培养基中加入来自海洋的混合固碳菌种，在好氧条件下培养。本发明提供的方法可有效促进非光合固碳微生物的固碳效率；本发明还具有工艺简单、可操作性强和具有一定经济效益的优点。
文档编号C12N1/20GK102586138SQ20121001283
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者单伊娜, 席雪飞, 张士萍, 张艳楠, 王磊, 胡佳俊, 胡煜 申请人:同济大学