一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统、组合物及其制备方法

本发明属于微生物固氮领域，具体涉及一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统、组合物及其制备方法。

背景技术：

1、氮循环是生态系统物质循环的重要组成部分，主要由微生物介导驱动并向高等生物提供不同形式的氮化合物。自然界中，氮的固定通常有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，由此形成的氮化物很少；第二种是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90％以上的分子态氮是通过固氮微生物的作用被还原为氨。传统工艺需要高温高压等条件大大提高了生产成本。因此，急需一种绿色环保的固氮方法，其中微生物固氮法因其清洁且成本低廉而受到广泛关注。

2、新兴学科“材料-微生物混合杂化体系”的产生使得微生物固氮效率的提高变为可能。期望将材料的独特物理化学性质与微生物细胞的生物属性结合起来努力旨在制造具有改进功能和新特性的活性材料。其中，量子点是人们研究微生物固氮的热点材料之一。

3、但是上述技术手段仍存在以下挑战：(1)量子点的介入使微生物产生活性氧(ros)，其强氧化性会导致固氮细菌死亡；(2)材料和微生物的界面相互作用会直接影响电荷在界面处的转移效率，从而影响固氮效率。

技术实现思路

1、本发明提供了一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统、组合物及其制备方法，解决了现有技术中量子点的介入会使固氮微生物产生活性氧(ros)，强氧化性会导致固氮微生物死亡，从而无法实现提高固氮微生物固氮效率的问题。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明公开了一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统，包括固氮微生物和以碳点为载体的氧化铈。

4、进一步改进的方案：所述固氮微生物为具有电化学活性的固氮菌。

5、进一步改进的方案：所述固氮微生物为固氮螺菌sgz-5t。

6、第二方面，本发明公开了一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，包括以下步骤：

7、s1、制备碳点溶液；

8、s2、向碳点溶液中加入硝酸铈六水合物，在碳点表面生成氢氧化铈；

9、s3、对步骤s2获得的溶液中加热，将碳点表面的氢氧化铈转化为氧化铈，获得以碳点为载体的氧化铈；

10、s4、将以碳点为载体的氧化铈添加到含有固氮微生物的培养基中。

11、进一步改进的方案：按照0.18-0.24mg/ml的添加量，将以碳点为载体的氧化铈添加到含有固氮微生物的培养基中。

12、进一步改进的方案：在步骤s1中，采用电化学剥离法制备碳点溶液。

13、进一步改进的方案：选用电化学剥离法制备碳点溶液的步骤包括：

14、s101、在纯水中用石磨棒为阳极和阴极，间距7.5cm；

15、s102、将步骤s101所得的溶液在搅拌状态下通过15-60v的直流电源电解5-10天；

16、s103、将步骤s102电解之后的溶液用定量滤纸过滤；

17、s104、将步骤s103过滤所得的溶液通过25000rpm离心取上清液获得碳点溶液。

18、进一步改进的方案：在步骤s3中，将步骤s2所得的溶液加入水热反应釜中，反应温度为100-150℃，反应时间为4-6h，使得氢氧化铈转化为氧化铈。

19、进一步改进的方案：在步骤s4中，含有固氮微生物的培养基制备步骤如下：

20、在灭菌的lb培养基中接种固氮微生物，培养至对数生长期后取出离心，分散到nfb培养基中，再离心分散重复2-3次去除培养基中的lb培养基成分；

21、向灭菌好的nfb培养基中加入以碳点为载体的氧化铈。

22、第三方面，本发明公开了一种提高微生物固氮能力的组合物，包括以碳点为载体的氧化铈。

23、本发明的有益效果为：

24、碳点载体具备优良的导电性和生物相容性，能强化固氮菌的胞外电子传递能力进而提高固氮效率，在固氮微生物中具有良好的固氮效果。

25、氧化铈是一种抗氧化性材料，同时具有优异的抗氧化性能和生物相容性，氧化铈能够模拟细胞抗氧化酶，避免碳点的介入使固氮微生物产生活性氧(ros)，从而避免强氧化性会导致固氮微生物的死亡。

技术特征：

1.一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统，其特征在于，包括固氮微生物和以碳点为载体的氧化铈。

2.根据权利要求1所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统，其特征在于，所述固氮微生物为具有电化学活性的固氮菌。

3.根据权利要求1所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统，其特征在于，所述固氮微生物为固氮螺菌sgz-5t。

4.一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求3所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，其特征在于，按照0.18-0.24mg/ml的添加量，将以碳点为载体的氧化铈添加到含有固氮微生物的培养基中。

6.根据权利要求3所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，其特征在于，在步骤s1中，采用电化学剥离法制备碳点溶液。

7.根据权利要求6所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求3所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，其特征在于，在步骤s3中，将步骤s2所得的溶液加入水热反应釜中，反应温度为100-150℃，反应时间为4-6h，使得氢氧化铈转化为氧化铈。

9.根据权利要求3所述的一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统制备方法，其特征在于，在步骤s4中，含有固氮微生物的培养基制备步骤如下：

10.一种提高微生物固氮能力的组合物，其特征在于，包括以碳点为载体的氧化铈。

技术总结
本发明提供了一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统、组合物及其制备方法，解决了现有技术中量子点的介入会使固氮微生物产生活性氧(ROS)，强氧化性会导致固氮微生物死亡，从而无法实现提高固氮微生物固氮效率的问题。一种提高微生物固氮能力的纳米生物杂交系统，包括固氮微生物和以碳点为载体的氧化铈。碳点载体具备优良的导电性和生物相容性，能强化固氮菌的胞外电子传递能力进而提高固氮效率，在固氮微生物中具有良好的固氮效果。氧化铈是一种抗氧化性材料，同时具有优异的抗氧化性能和生物相容性，氧化铈能够模拟细胞抗氧化酶，避免碳点的介入使固氮微生物产生活性氧(ROS)，从而避免强氧化性会导致固氮微生物的死亡。

技术研发人员：游乐星,赵梦欣,吴高凯
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15