技术领域本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种微生物自组装纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术：
纳米材料是指在三维材料中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、量子效应等一些独特的特性，从而被广泛应用于能源、催化、生物传感器、生物医学等行业。传统的物理化学合成纳米材料的方法主要有两相法、反相微乳法、光化学合成法、电极电解法以及加热法、超声法等等，但是这些传统的合成方法具有种种难以克服的缺陷，如原料价格高，耗能高，反应条件苛刻或者难于规模化生产，同时化学合成方法往往需要前驱体，然而这些前驱体价格昂贵且可能具有毒性，并且化学合成方法都需要在高饱和度的溶液中进行，需要投加大量化学试剂导致成本较高，这些缺陷都极大的限制了化学方法的应用。与之相比，生物合成纳米材料具有清洁、反应条件温和、成本低、操作简单等优势，且生物合成的纳米材料具有良好的分散性、稳定性、生物相容性及可调节性等优点，现已成为国内外研究热点。目前已发现的具有合成纳米材料的微生物种类很有限，主要包括原核生物和真核生物，如细菌、酵母菌、某些病毒离子、真菌及植物等具有胞外、胞内合成或纳米自组装的能力，同时也有个别利用植物提取物以及天然多糖海洋多糖等合成纳米材料的报道。但是已报道的应用生物方法合成的纳米材料主要集中于贵金属包括及金属硫化物纳米材料方面，如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)及硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)等。然而关于生物合成钙磷纳米颗粒尤其是纳米羟基磷灰石的菌株报道更少。纳米羟基磷灰石由于其在环境、生物医药等领域越来越受到人们的关注。(1)环境重金属污染修复：重金属元素可以与氨基酸侧链上的硫原子、氮原子发生作用，具有很高的毒性。环境重金属污染现有修复方法主要有物理修复、化学修复及生物修复的方法。其中化学修复需要向污染环境如土壤、水体等额外投加化学药剂使重金属离子发生吸附、氧化还原反应、沉淀等作用，此方法尽管操作简单效果明显但是易产生二次污染且费用较高。利用含磷材料对环境重金属污染进行修复是一种有效的方法。近几年来文献报道的生物合成的磷酸盐矿物比如锌-磷与磷酸氢铀酰等可以吸附一系列的金属，并且具有可以在比较宽的pH范围内操作的潜力。(2)生物医药利用：纳米材料在生物医学药学、人类健康等生命科学领域有重大应用，如利用纳米颗粒作为载体输送药物至病灶部位、利用纳米材料做为生物医学检测诊断用材料等。磷酸钙盐如羟基磷灰石是动物及人体骨骼及牙齿的主要无机矿物成分，具有良好的活性与生物相容性，如羟基磷灰石陶瓷，是一种很有前景的人工骨及人工口腔材料。有文献报道一株沙雷氏菌Serratiasp.能够在不同的培养条件下可以合成不同粒径和特性的羟基磷灰石纳米颗粒，该沙雷氏菌Serratiasp.只能在高饱和的溶液(P：5mM)以及生物缓冲液中产生钙磷纳米颗粒，并且此类钙磷纳米颗粒的产生并不是严格意义上的生物合成，而是一种生物降解过程，该沙雷氏菌Serratiasp.通过产生一种非典型性酸性磷酸酶来分解基质中的甘油磷酸钠从而释放出大量无机磷酸根离子，高浓度的磷酸根离子与钙离子在细胞表面或者胞外聚合物中形成羟基磷灰石纳米颗粒，然后将之应用于水溶液中放射性核素的去除。然而其形成纳米颗粒的条件仍较为苛刻。如何通过简单的方法有效的获得钙磷纳米材料，仍是本领域内面临的技术难题。将纳米材料作为微纳结构单元组装成具有等级结构的宏观尺度材料会使其产生更优异的整体的协同性质，是提髙纳米材料实际应用能力的有效途径。近年来，己发展了多种组装策略，如电化学沉积法，表面功能化法及微压印技术等。但存在设备要求高、反应条件苛刻、易造成二次污染和成本高等缺点。因此，发展一种高效、低成本、环境友好的组装纳米单元的技术来制备具有一定结构和功能的材料对于解决纳米材料在实际应用中的问题具有重大意义。与物理化学法相比，将微生物技术应用于纳米材料自组装具有环境友好，成本低，条件温和及操作简单等优点。有文献报道利用微生物分泌细菌纤维素诱导氧化石墨烯纳米片组装生物复合球材料，利用碳酸盐矿化菌实现Sr2+固定化等。但是目前为止未见关于利用微生物自组装纳米钙磷材料的报道，因此通过微生物技术实现纳米钙磷材料的自组装仍是本领域需要解决的技术难题。
技术实现要素：
发明人在生物除磷菌株的研究中，意外的发现，高效除磷菌希瓦氏菌株(Shewanellasp.)CF8-6在培养过程中可以在菌体周围自组装形成纳米颗粒，该希瓦氏菌(Shewanellasp.)CF8-6，已于2016年3月29日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏地址为：湖北省武汉市武昌珞珈山，保藏号为：CCTCCM2016154。该菌株可以在去除废水中污染物的同时利用废水中原料形成钙磷沉淀，所以其可以应用于环境重金属污染的修复，具有操作简单及成本较低的优势。具体的，本发明涉及以下技术方案：首先，本发明的目的之一在于提供希瓦氏菌株(Shewanellasp.)CF8-6在制备纳米材料中的应用。本发明所述希瓦氏菌株(Shewanellasp.)CF8-6可以通过常规培养方式制备钙磷纳米颗粒(纳米羟基磷灰石)，尤其是利用废水中原料形成钙磷纳米颗粒。其次，本发明提供一种微生物自组装纳米材料的制备方法，包括：(1)将希瓦氏菌株(Shewanellasp.)CF8-6活化培养，制得活化菌液；(2)将活化菌液接种到含磷培养体系中进行培养，获得纳米颗粒分布于菌体细胞表面及其周围的微生物纳米自组装体系；(3)分离获得纳米材料。本发明的含磷培养体系可以为含磷废水，而且本发明所述菌株在高含磷废水和低含磷废水中均可以形成钙磷纳米钙磷颗粒并可以自组装成具有一定形状的纳米材料。所述微生物自组装纳米材料的制备方法中，优选的，步骤(1)为将菌株Shewanellasp.CF8-6在海水LB液体培养基中在25℃，200rpm的条件下培养24小时，制得活化菌液；海水LB液体培养基的组成为：1％蛋白胨，0.3％酵母粉，陈海水配制。优选的，步骤(2)为将步骤(1)得到的菌液离心洗涤后按10％的比例接进含磷废水中，在25℃，200rpm的条件下培养48小时，离心即得分布于菌体细胞表面及其周围的微生物纳米颗粒及其自组装体系。优选的，离心转速为4000rpm，时间为10分钟，(离心菌液体积不同时，所需离心时间不同，但是转速均为4000rpm及以下)，控制离心转速，以防止菌体表面及周围的纳米颗粒的脱落。上述制备方法中含磷废水可为实际生活污水，如海水冲厕废水；其中本发明中采用模拟废水，模拟高盐废水配方(一)(低磷废水)：C6H12O6·H2O1.5g/L，CH3COONa0.75g/L,MgSO4·7H2O1.18g/L,NH4Cl0.9g/L,KH2PO4·2H2O0.066g/L(以P计:10mg/L),NaCl30g/L，用自来水溶解。模拟高盐废水配方(二)(高磷废水):C6H12O6·H2O1.5g/L，CH3COONa0.75g/L,MgSO4·7H2O1.18g/L,NH4Cl0.9g/L,甘油磷酸二钠盐(C3H6NaO7P，以P计50mg/L)：335.5mg/L,NaCl30g/L，CaCl2(以Ca计：80mg/L)222mg/L,用去离子水溶解。上述制备方法分离获得纳米材料的方法为本领域常规技术，比如通过煅烧去除自组装体系中的有机质从而获得纳米材料。再者，本发明的目的还在于提供一种由上述制备方法获得的微生物自组装纳米材料。不同的微生物其自组装获得的纳米材料往往差异较大，包括纳米颗粒的粒径、纳米颗粒形成纳米材料的组装排列方式、纳米材料外貌等。本发明的纳米材料中，纳米颗粒粒径为100-200nm，紧密覆盖于细胞表面，将细菌包围起来。此外，所述微生物自组装纳米材料的应用也是本发明的目的之一，其应用包括：水环境重金属污染修复或制备生物医药利用的载体或材料等。本发明具有如下优点：(1)本发明所述的菌株对环境条件有很高的适应性，可以在不含盐、低盐、高盐以及广pH、温度、营养范围内生长，而且可以高效去除废水中磷的同时合成纳米材料；(2)本发明所述的菌株可以在单一好氧条件下实现培养及除磷；(3)本发明所述菌株在去除废水中磷的同时可以利用废水中原料在低饱和度条件下合成钙磷纳米颗粒，且具有纳米自组装的能力，不需要额外投加化学试剂，环境友好成本低；(4)本发明在合成钙磷纳米颗粒时无需高温高压，不需调节pH，亦不需要前驱体，具有操作简单、无二次污染等优点；(5)本发明所述纳米材料粒径分布均匀，覆盖于菌体表面，通过控制培养菌株条件可以制备得到所需要的粒径大小和形貌尺寸。附图说明图1为菌株CF8-6在废水配方(一)条件下合成的纳米材料图片(AFM)；图2为菌株CF8-6在废水配方(二)条件下合成的纳米材料图片，图2a:原子力显微镜图片(AFM)，图2b、图2c:纳米颗粒透射电镜图片(TEM)，图2d、图2e、图2f:纳米颗粒自组装透射电镜具体实施方式实施例1希瓦氏菌(Shewanellasp.)CF8-6分离及鉴定希瓦氏菌株(Shewanellasp.)CF8-6的筛选分离过程如下：(1)从中国南海底泥分离到多株菌株，将部分分离自中国南海底泥的菌株接种到海水LB液体培养基中，在25℃，200rpm的条件下培养24小时，得到活化菌液；(2)将上述步骤(1)得到的活化菌液以10％的比例接种到模拟高盐废水中，在25℃，200rpm的条件下培养，选择在12h及24h去除率均高于90％的若干株菌进行复筛；(3)将步骤(2)所得到的菌株按照步骤(1)(2)再次筛选，增加取样时间点，选择除磷速度与除磷率最优的一株菌，命名为CF8-6。上述海水LB培养基成分：蛋白胨10g/L，酵母提取物3g/L，陈海水配制，其中海水盐度为3.5％。模拟高盐生活废水成分如下：C6H12O6·H2O1.5g/L，CH3COONa0.75g/L，MgSO4·7H2O1.18g/L，NH4Cl0.9g/L，KH2PO4·2H2O0.066g/L(P:10mg/L)，NaCl30g/L。所有培养基在使用之前均121℃高温灭菌20min。接种在洁净工作台中进行。菌种保存在1.5mL离心管中(含600uL菌液与300uL甘油)，在超低温冰箱中-80℃长期保存。该菌株的生理生化表征：菌株CF8-6可在温度5-35℃，pH5.8-9.8，盐度0-12％、严格好氧的培养条件下生长，且具有较好的磷去除效果，菌体形态特征为革兰氏染色呈阴性，电子显微镜下观察为杆菌，有荚膜及鞭毛。菌株固体培养24小时菌落特征为圆形，乳白色。该菌株的分子生物学鉴定：使用试剂盒提取菌株CF8-6的DNA，通过PCR进行扩增16SrDNA序列，得出菌株CF8-6的16SrDNA序列，如序列表SEQIDNO:1所示。用BLAST程序对菌株CF8-6的16SrDNA序列和GenBank中已登录的16SrNDA序列进行核苷酸同源性比较，得知菌株CF8-6属于希瓦氏菌属(Shewanella)，因此将该菌命名为Shewanellasp.CF8-6。该希瓦氏菌(Shewanellasp.)CF8-6，于2016年3月29日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏地址为：湖北省武汉市武昌珞珈山，保藏号为：CCTCCM2016154。实施例2微生物自组装纳米材料的制备利用希瓦氏菌株(Shewanellasp.)CF8-6制备纳米材料的方法如下：(1)将菌株Shewanellasp.CF8-6在海水LB液体培养基中在25℃，200rpm的条件下培养24小时，制得活化菌液；活化菌液离心参数：10000rpm条件下离心10min；(2)将步骤(1)得到的菌液离心洗涤后按10％(v/v)的比例接进模拟废水中，在25℃，200rpm的条件下培养48小时，离心即得到菌体，纳米颗粒分布于细胞表面及其周围。离心转速为4000rpm，时间为10分钟；(3)将步骤(2)得到的含有纳米颗粒的菌体用去离子水洗两遍，转速为4000rpm,时间为15分钟。然后拿去做透射电镜(TEM)。(4)将步骤(2)得到的含有纳米颗粒的菌体处理后去做原子力显微镜，观察颗粒形状及大小。模拟高盐废水配方(一)(低磷废水)：C6H12O6·H2O1.5g/L，CH3COONa0.75g/L,MgSO4·7H2O1.18g/L,NH4Cl0.9g/L,KH2PO4·2H2O0.066g/L(以P10mg/L计:),NaCl30g/L，用自来水溶解。模拟高盐废水配方(二)(高磷废水):C6H12O6·H2O1.5g/L，CH3COONa0.75g/L,MgSO4·7H2O1.18g/L,NH4Cl0.9g/L,甘油磷酸二钠盐(C3H6NaO7P，以P计：50mg/L),NaCl30g/L，CaCl2(以Ca计：80mg/L)，用去离子水溶解。其制备的纳米材料图片分别见图1和图2，其中图1为菌株CF8-6在废水配方(一)条件下合成的纳米材料图片(AFM)，图2为菌株CF8-6在废水配方(二)条件下合成的纳米材料图片，图2a:原子力显微镜图片(AFM)，图2b、图2c:纳米颗粒透射电镜图片(TEM)，图2d、图2e、图2f:纳米颗粒自组装透射电镜。本发明的纳米材料中，钙磷纳米颗粒粒径为100-200nm。应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。