硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系及其制备与固碳方法

本发明涉及纳米材料，尤其涉及一种奥奈达希瓦氏菌自合成硫化镉纳米颗粒构成的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系及其制备方法和实现二氧化碳固定的方法。

背景技术：

1、人工光合系统中，基于半导体的光催化体系可以更高效地收集太阳能以产生激发态电子用于生成h2、co2还原和n2固定，但是难以实现多碳产物的高活性和高选择性生产。因此，近年来出现了半人工光合系统，集成了自然和人工光合作用的力量，利用人工光敏剂可以有效捕获光和产生载流子，结合生物组分实现低能垒的高特异性催化，最终实现太阳能的向化学能的转化。

2、现有技术中，基于细胞的半人工光合系统一般采用合成或天然光敏材料作为电子供体，活细胞作为反应工厂可以生产出复杂的化学物质。这种方式保留了无细胞半人工光合系统太阳能的高转化效率以及多碳产物的高选择性生产能力，进一步克服了酶固有的不稳定性和繁琐的纯化过程所带来的经济性困难，且活细胞的自我修复和自复制特性也赋予基于细胞的系统潜在的稳定性和可扩展性，使其在太阳能转换方面具有持续商业应用的潜力。然而现有研究中这种系统还处于初级阶段，还存在着转换效率不够高，无法在长时间维度上保持系统的平稳运行，为了消除光照射产生的高氧化性电子空穴而需要持续加入空穴清除剂等诸多瓶颈。

3、因此，研究一种能够长期平稳进行二氧化碳固定，并保持细胞活力的半人工光合体系对本领域具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种新的奥奈达希瓦氏菌自合成硫化镉纳米颗粒构成的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系及其制备方法和实现二氧化碳固定的方法。

2、为实现上述目的，本发明提供一种硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系，包括硫化镉纳米颗粒和奥奈达希瓦氏菌，其中，所述硫化镉纳米颗粒负载在所述奥奈达希瓦氏菌细胞表面及细胞周质空间上。

3、本发明还提供一种硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的制备方法，包括步骤：将奥奈达希瓦氏菌体以6-15％的体积比接种在扩大液体lb培养基中进行厌氧培养，得到硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系；其中，所述厌氧培养温度为26～35℃，所述扩大液体lb培养基中还包含lb培养基、30～50mm的乳酸钠、8～12mm的的硫代硫酸钠以及0.7～1.3mm的硝酸镉。

4、优选的，所述厌氧培养还在旋转摇动的条件下进行。

5、优选的，还包括制备所述奥奈达希瓦氏菌体的步骤，包括：将奥奈达希瓦氏菌种接种在lb培养基中进行好氧培养8-16h，生长温度为26～35℃。

6、优选的，所述制备奥奈达希瓦氏菌体的步骤，还包括，对进行好氧培养后的培养液进行洗涤并离心得到所述奥奈达希瓦氏菌体；其中，对进行好氧培养后的培养液进行洗涤采用所述扩大液体lb培养基液体。

7、本发明还提供一种基于如上任一项所述的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的固碳方法，其特征在于，包括步骤：将硫化镉/奥奈达希瓦氏菌与自养培养基进行混合后，在氮气/二氧化碳为60～90:40～10的气体环境下进行光照反应，以所述气体环境中的二氧化碳作为碳源生成醋酸，以完成对二氧化碳的固化；其中，所述自养培养基为碳酸氢盐缓冲培养基。

8、优选的，还包括步骤：在所述自养培养基中加入硫代硫酸钠作为空穴清除剂；其中，所述硫代硫酸钠在所述自养培养基中的含量为13～18mm。

9、优选的，所述自养培养基中还包括0.2～0.5g/l的nacl，0.2～0.5g/l的氯化铵，0.2～0.35g/l的mgcl2·6h2o，0.01～0.1g/l的氯化钙，018～0.3g/l的氯化钾，0.5～0.8g/l的k2hpo4，2～3g/l的碳酸氢钠。

10、优选的，所述自养培养基中还按照0.6～1.5ml/l的比例添加有微量元素溶液和维生素溶液；所述维生素溶液包括：12～18mg/l的生物素，15～25mg/l的叶酸，80～120mg/l的吡哆醇·hcl，40～60mg/l的硫胺素·hcl，40～60mg/l的核黄素，40～60mg/l的烟酸，40～60mg/l的d-(+)-泛酸钙，0.7～1.3mg/l的维生素b12，40～60mg/l的硫辛酸；所述微量元素溶液包括：1200～1800mg/l的次氮乙酸，8000～12000mg/l的mnso4·h2o，150～250mg/l的feso4，150～250mg/l的cocl2·6h2o，150～250mg/l的znso4·7h2o，15～25mg/l的cucl2·2h2o，15～25mg/l的nicl2·6h2o，15～25mg/l的na2moo4·2h2o，15～25mg/l的na2seo4。

11、优选的，所述硫化镉/奥奈达希瓦氏菌在所述自养培养基的含量控制在使所述自养培养基的od600＝0.1。

12、在本发明中，利用奥奈达希瓦氏菌的硫还原代谢能力，在细胞表面及其周质空间合成并负载纳米级硫化镉纳米颗粒，两者形成的杂化体通过cds纳米颗粒将可见光催化产生电子和空穴对，刺激奥奈达希瓦氏菌进行固碳的代谢过程，这是第一次在实际应用中实现奥奈达希瓦氏菌固碳能力。本发明中，所述硫化镉纳米颗粒/奥奈达希瓦氏菌杂化体系能够将镉富集资源化利用，减小环境风险；将镉富集合理处置的同时，将二氧化碳转化为具有高利用价值的多碳化学品，不仅可以避免环境二次污染，又能改善环境全球变暖问题，还给高价值化学品的生产提供了新的解决途径。本发明中奥奈达希瓦氏菌兼具生物硫还原和固碳两种途径，以硫代硫酸钠作为电子空穴清除剂加入，与生物种内硫循环产物(s0、hs-和so32-)都可以淬灭cds光反应产生的空穴对，这有助于分离光电子-空穴对以释放自由光电子，且保护细胞免受光损伤，是系统初步具有长期运行的潜力，光照24小时后获得了0.5mm的乙酸产率，1.6％的量子产率与具有产乙酸细菌m.thermoaccia(1.6–2.86％)的无机生物混合系统以及植物和藻类的全年平均值(0.2–1.6％)相当，细胞浓度和乙酸产率在8天后开始趋于平稳，直到两个月后，在混合系统中仍然观察到mr-1的活力。系统运行的稳定性与长期性与其它工作相比有显著提升。本发明以奥奈达希瓦氏菌为载体，在细胞表面及其周质空间负载纳米级硫化镉纳米颗粒，在以二氧化碳为唯一碳源的厌氧环境中进行光照，使硫化镉激发产生光电子，电子传导进细胞启动内部固碳代谢途径还原二氧化碳产生乙酸，硫代硫酸盐及其生物种内硫循环产物可淬灭cds的空穴，有助于分离光电子-空穴对以释放自由光电子，使微生物在系统长期运行中保持稳定。

技术特征：

1.一种硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系，其特征在于，包括硫化镉纳米颗粒和奥奈达希瓦氏菌，其中，所述硫化镉纳米颗粒负载在所述奥奈达希瓦氏菌细胞表面及细胞周质空间上。

2.一种硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的制备方法，其特征在于，包括步骤：将奥奈达希瓦氏菌体以6～15％的体积比接种在扩大液体lb培养基中进行厌氧培养，得到所述硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系；其中，所述厌氧培养温度为26～35℃，所述扩大液体lb培养基中包含lb培养基、30～50mm的乳酸钠、8～12mm的的硫代硫酸钠以及0.7～1.3mm的硝酸镉。

3.根据权利要求2所述的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的制备方法，其特征在于，所述厌氧培养还在旋转摇动的条件下进行。

4.根据权利要求2所述的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的制备方法，其特征在于，还包括制备所述奥奈达希瓦氏菌体的步骤，包括：将奥奈达希瓦氏菌种接种在lb培养基中进行好氧培养8-16h，生长温度为26～35℃。

5.根据权利要求4所述的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的制备方法，其特征在于，所述制备奥奈达希瓦氏菌体的步骤，还包括：对进行好氧培养后的培养液进行洗涤并离心得到所述奥奈达希瓦氏菌体；其中，对进行好氧培养后的培养液进行洗涤采用所述扩大液体lb培养基液体。

6.一种基于如权利要求1-5中任一项所述的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系的固碳方法，其特征在于，包括步骤：将硫化镉/奥奈达希瓦氏菌与自养培养基进行混合后，在氮气/二氧化碳为60～90:40～10的气体环境下进行光照反应，以所述气体环境中的二氧化碳作为碳源生成醋酸，以完成对二氧化碳的固化；其中，所述自养培养基为碳酸氢盐缓冲培养基。

7.根据权利要求6所述的固碳方法，其特征在于，还包括步骤：在所述自养培养基中加入硫代硫酸钠作为空穴清除剂；其中，所述硫代硫酸钠在所述自养培养基中的含量为13～18mm。

8.根据权利要求6所述的固碳方法，其特征在于，所述自养培养基中还包括0.2～0.5g/l的nacl，0.2～0.5g/l的氯化铵，0.2～0.35g/l的mgcl2·6h2o，0.01～0.1g/l的氯化钙，0.18～0.3g/l的氯化钾，0.5～0.8g/l的k2hpo4，2～3g/l的碳酸氢钠。

9.根据权利要求8所述的固碳方法，其特征在于，所述自养培养基中还按照0.6～1.5ml/l的比例添加有微量元素溶液和维生素溶液；所述维生素溶液包括：12～18mg/l的生物素，15～25mg/l的叶酸，80～120mg/l的吡哆醇·hcl，40～60mg/l的硫胺素·hcl，40～60mg/l的核黄素，40～60mg/l的烟酸，40～60mg/l的d-(+)-泛酸钙，0.7～1.3mg/l的维生素b12，40～60mg/l的硫辛酸；所述微量元素溶液包括：1200～1800mg/l的次氮乙酸，8000～12000mg/l的mnso4·h2o，150～250mg/l的feso4，150～250mg/l的cocl2·6h2o，150～250mg/l的znso4·7h2o，15～25mg/l的cucl2·2h2o，15～25mg/l的nicl2·6h2o，15～25mg/l的na2moo4·2h2o，15～25mg/l的na2seo4。

10.根据权利要求6所述的固碳方法，其特征在于，所述硫化镉/奥奈达希瓦氏菌在所述自养培养基的含量控制在使所述自养培养基的od600＝0.1。

技术总结
本发明提供了一种新的奥奈达希瓦氏菌自合成硫化镉纳米颗粒构成的硫化镉/奥奈达希瓦氏菌杂化体系及其制备方法和实现二氧化碳固定的方法，利用奥奈达希瓦氏菌的硫还原代谢能力，在细胞表面及其周质空间合成并负载纳米级硫化镉纳米颗粒，两者形成的杂化体通过CdS纳米颗粒将可见光催化产生电子和空穴对，刺激奥奈达希瓦氏菌进行固碳的代谢过程，这是第一次在实际应用中实现奥奈达希瓦氏菌固碳能力。

技术研发人员：林璋,谢明波,张可菁,陈健欣,谭晓倩,李欣月,李泽恩,柴立元,石岩
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15