CN109666703B - 一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法 - Google Patents

一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法，该方法将纳米半导体沉积于Methanosarcina菌表面，并通入CO2；在光照条件下Methanosarcina菌利用光生电子还原CO2产甲烷。通过本发明能够以丰富廉价的光能作为驱动力实现选择性CO2还原产甲烷，显著降低了工艺成本。本发明克服了传统CO2还原产甲烷过程中存在的工艺复杂、能耗大、产物选择性差等缺点，具有工艺简单、能耗低、产物选择性强的优点，系统的相对简单性使得它们更易于以模块化方式进行修改和改进，因此可进行大规模的推广应用。

Description

一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法
技术领域
本发明涉及一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法。
背景技术
由于人类经济活动的日益频繁及能源消耗的不断攀升，全球CO2的排放量不断增加。受CO2温室效应的影响，全球气温将会随之升高，这将导致南北两极冰川融化、灾难性气候频发等一系列不良后果，威胁人类生活等各方面的环境，是重大的民生问题和战略问题。通过有效手段将CO2还原为具有经济价值的甲烷是化解“环境污染”和“资源匮乏”两大矛盾的关键。
化学催化是实现CO2还原产甲烷的常用策略之一。但由于CO2分子在热力学上极其稳定、难以活化，且CO2还原的反应路径较为复杂，在缺乏高活性和高选择性的催化剂条件下，CO2的化学转化和利用过程能耗巨大且产物选择性不佳。虽然有研究表明，CO2还原酶能够在一定程度上实现CO2的选择性还原，但该途径存在无自我复制能力及耐氧性差等缺点，限制了其大规模的推广应用。
产甲烷菌具有快速的自我修复及繁殖能力，特别是Methanosarcina菌，能够有效实现CO2的选择性还原。在这个过程中，电子供体起到了重要的作用。目前常用的电子供体包括乙酸及氢气。但是由于乙酸价格较为昂贵，而氢气溶解度降低，均不利于大规模的推广应用。纳米半导体在分析化学、生物医学和生物传感器方面具有潜在的应用价值。但是经文献与专利检索，尚未有研究考虑将纳米半导体光生电子作为Methanosarcina菌电子来源优越性，也未见其应用于CO2还原产甲烷的先例。
发明内容
本发明的目的是针对传统CO2还原产甲烷过程中存在的工艺复杂、能耗大、产物选择性差等缺点，提供了一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法。该方法具有工艺简单、能耗低、产物选择性强的优点，这对于CO2还原产甲烷具有重要的应用潜力。
本发明的目的在于提供一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种产甲烷的方法，包括以下步骤：将纳米半导体沉积于Methanosarcina菌表面，并通入CO2；在光照条件下Methanosarcina菌还原CO2产甲烷。
一种产甲烷的方法，包括以下步骤：
在Methanosarcina菌液中合成或加入纳米半导体，构建Methanosarcina-纳米半导体杂化体系；
将Methanosarcina-纳米半导体杂化体系离心/过滤取沉淀转接至无碳源培养基中，加入牺牲试剂，并通入CO2；在光照条件下利用光生电子还原CO2产甲烷。
优选的，所述Methanosarcina菌液的OD600nm值为0.1～0.5，或者Methanosarcina菌液为生长对数期的菌液。
优选的，所述Methanosarcina菌为Methanosarcina barkeri、Methanosarcinamazei、Methanosarcina frisia中的至少一种。
优选的，所述纳米半导体为CdS、CdSe、Bi2S3中的至少一种。
优选的，所述纳米半导体在菌液中的终浓度为0.5～5mmol/L。
优选的，所述离心的转速为3000～5000r/min，离心时间为5～30min。
优选的，所述无碳源培养基的配方为：
Figure BDA0001951890650000021
*每升微量元素溶液SL-10中含有48～52mL 2mol/L HCl，1.8～2.2g FeCl2·4H2O，0.18～0.22g ZnCl2，0.08～0.12g MnCl2·4H2O，0.15～0.2g H3BO3，0.04～0.06g CoCl2·6H2O，5.8～6.2mg CuCl2·2H2O，70～75mg NiCl2·6H2O，100～110mg Na2MoO4·2H2O，余量为水；
**每升亚硒酸盐溶液中含有0.48～0.52g NaOH，2.8～3.2mg Na2SeO3·5H2O，3.8～4.2mg Na2WO4·2H2O，余量为水；
***每升维生素溶液中含有0.03～0.05g对氨基苯甲酸，0.008～0.012g D-生物素，0.008～0.012g a-硫辛酸，0.08～0.12g D-泛酸钙，0.08～0.12g维生素B6，0.028～0.032g叶酸，0.048～0.052g烟酸，0.048～0.052g核黄素，0.008～0.012g维生素B1，0.03g～0.07g维生素B12，余量为水。
优选的，所述牺牲试剂的加入量为使其终浓度为0.05～0.5wt％；更优选为0.1～0.2wt％。
优选的，所述牺牲试剂为半胱氨酸、三乙胺中的至少一种。
优选的，所述光照的光源选自太阳光、LED灯或者氙灯中的至少一种。
优选的，光照的光强为0.5～10mW/cm2，光照时的温度为25～40℃。
更优选的，光照的光强为1～2mW/cm2。
优选的，所述Methanosarcina菌液为Methanosarcina在乙酸培养基中培养的菌液，乙酸培养基的pH值为6.5～7.5。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法。通过本发明能够以丰富廉价的光能作为驱动力激发纳米半导体光生电子，然后Methanosarcina菌利用光生电子实现选择性CO2还原产甲烷，显著降低了工艺成本。
本发明克服了传统CO2还原产甲烷过程中存在的工艺复杂、能耗大、产物选择性差等缺点，具有工艺简单、能耗低、产物选择性强的优点，系统的相对简单性使得它们更易于以模块化方式进行修改和改进，因此可进行大规模的推广应用。
附图说明
图1为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系产甲烷性能。
图2是对本发明实施例中的Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的表征。图2-A为Methanosarcina barkeri的SEM图；图2-B为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的SEM图；图2-C为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的TEM图；图2-D、图2-E、图2-F分别为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的高角度环形暗场图、Cd元素及S元素的EDS元素分布图；图2-G、图2-H分别为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系中Cd元素及S元素的XPS谱图；图2-I为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的XRD谱图；图2-J为Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的高分辨TEM图。图2-A、图2-B的标尺刻度为2μm，图2-C、图2-F的标尺刻度为1μm，图2-J的标尺刻度为5nm。
图3为不同光强对Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系产甲烷性能的影响。
图4为不同牺牲试剂半胱氨酸的终浓度对Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系产甲烷性能的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
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。
本发明实施例中所述乙酸培养基和无碳源培养基的配方如表1所示。
表1培养基的组成
Figure BDA0001951890650000041
*每升微量元素溶液SL-10中含有HCl(2M)50mL，2g FeCl2·4H2O，0.2g ZnCl2，0.1gMnCl2·4H2O，0.18g H3BO3，0.05g CoCl2·6H2O，6mg CuCl2·2H2O，72mg NiCl2·6H2O，108mgNa2MoO4·2H2O，余量为水。
**每升亚硒酸盐溶液中含有0.5g NaOH，3mg Na2SeO3·5H2O，4mg Na2WO4·2H2O，余量为水。
***每升维生素溶液中含有0.04g对氨基苯甲酸，0.01g D-生物素，0.01g a-硫辛酸，0.1g D-泛酸钙，0.1g维生素B6，0.03g叶酸，0.05g烟酸，0.05g核黄素，0.01g维生素B1，0.05g维生素B12，余量为水。
实施例1
(1)将Methanosarcina barkeri以20％的体积比接种至pH为6.87的乙酸培养基中，调节培养基，37℃恒温培养；
(2)当步骤1中Methanosarcina barkeri的OD600nm值为0.25时，在120r/min条件下，加入物质(CdCl2)使菌液中合成CdS(乙酸培养基中含有S2-)，使其终浓度为1mmol/L，获得Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系；
(3)将Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系以5000r/min离心分离10min，取沉淀转接至无碳源培养基中，投加半胱氨酸，使其终浓度为0.15wt％，并于培养基顶部通入CO2；
(4)在37℃恒温条件下，利用LED紫光灯(1.0mW/cm2)对步骤3的杂化体系进行光照CO2还原产甲烷。
为了分析产甲烷菌Methanosarcina barkeri、纳米半导体CdS及光源在CO2还原产甲烷的作用，还进行了对照组实验，包括：Methanosarcina barkeri(光照)组，即不加入CdS，其他操作均同实施例1；Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系(黑暗)组，即将紫光灯光照替换成黑暗条件下处理，其他操作均同实施例1；Methanosarcina barkeri(灭活)-CdS杂化体系(光照)组，即加入的Methanosarcina barkeri为灭活菌体，其他操作均同实施例1。结果显示，上述3组对照组实验未有明显的甲烷产生，仅实施例1组中的体系能产生大量的甲烷，3天甲烷积累量达到了13.70μmol(图1)，说明本发明Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系在光照的条件下有优越的CO2还原产甲烷性能。
图2是对本发明实施例中的Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的表征。与纯菌Methanosarcina barkeri相比(SEM，图2-A)，Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系中Methanosarcina barkeri的表面覆盖了一层粗糙的直径为10-100nm的颗粒物(SEM，图2-B；TEM，图2-C)；这些颗粒主要由元素Cd和S组成(EDS，图2-D、图2-E、图2-F)，且Cd与S的原子比为1:1(XPS，图2-G、图2-H)，证明了CdS纳米颗粒的形成；XRD及高分辨TEM谱图进一步证实，所形成颗粒为结晶CdS(DPF 41-1049)(图2-I、图2-J)。
图2-A、图2-B的标尺刻度为2μm，图2-C、图2-F的标尺刻度为1μm，图2-J的标尺刻度为5nm。
实施例2
(1)将Methanosarcina barkeri以20％的体积比接种至pH为6.87的乙酸培养基中，调节培养基，37℃恒温培养；
(2)当步骤1中Methanosarcina barkeri的OD600nm值为0.25时，在120r/min条件下，加入物质使菌液中合成CdS，使其终浓度为1mmol/L，构建Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系；
(3)将Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系以5000r/min离心分离10min，转接至无碳源培养基中，投加牺牲试剂半胱氨酸，使其终浓度为0.15wt％，并于培养基顶部通入CO2；
(4)在37℃恒温条件下，利用不同的光照强度0.5、1.0、2.0、4.0、8.0mW/cm2，对步骤3的杂化体系进行光照CO2还原产甲烷。
结果显示，Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的CO2还原产甲烷性能随着光照强度的增加而先提高而后降低，当光度强度为2.0mW/cm2时，其产甲烷速率达到了0.23μmol/h(图3)。
实施例3
(1)将Methanosarcina barkeri以20％的体积比接种至pH为6.87的乙酸培养基中，调节培养基，37℃恒温培养；
(2)当步骤1中Methanosarcina barkeri的OD600nm值为0.25时，在120r/min条件下，加入物质使菌液中合成CdS，使其终浓度为1mmol/L，构建Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系；
(3)将Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系以5000r/min离心分离10min，转接至无碳源培养基中，投加牺牲试剂半胱氨酸，使其终浓度分别为0.05、0.1、0.15、0.2wt％，并于培养基顶部通入CO2；
(4)在37℃恒温条件下，利用LED紫光灯(1.0mW/cm2)对步骤3的杂化体系进行光照CO2还原产甲烷。
结果显示，Methanosarcina barkeri-CdS杂化体系的CO2还原产甲烷性能随着牺牲试剂浓度的增加而提高，当牺牲试剂半胱氨酸的终浓度为0.2wt％时，其产甲烷量达到了14.35μmol(图4)。
实施例4
(1)将Methanosarcina mazei以30％的体积比接种至pH为6.5的乙酸培养基中，调节培养基，37℃恒温培养；
(2)当步骤1中Methanosarcina mazei的OD600nm值为0.5时，在240r/min条件下，加入物质使菌液中合成CdSe(或者直接加入纳米半导体CdSe)，使其终浓度为5mmol/L，构建Methanosarcina mazei-CdSe杂化体系；
(3)将Methanosarcina barkeri-CdSe杂化体系以3000r/min离心分离30min，取沉淀转接至无碳源培养基中，投加半胱氨酸，使其终浓度为0.5wt％，并于培养基顶部通入CO2；
(4)在40℃恒温条件下，利用太阳光对步骤3的杂化体系进行光照，从而CO2还原产甲烷。
结果显示，Methanosarcina mazei-CdSe杂化体系的CO2还原产甲烷量达到了19.58μmol.
实施例5
(1)将Methanosarcina frisia以10％的体积比接种至pH为7.5的乙酸培养基中，调节培养基，37℃恒温培养；
(2)当步骤1中Methanosarcina frisia生长至对数期时，在60r/min条件下，加入物质使菌液中合成Bi2S3(或者直接加入纳米半导体Bi2S3)，使其终浓度为0.5mmol/L，构建Methanosarcina barkeri-Bi2S3杂化体系；
(3)将Methanosarcina frisia-Bi2S3杂化体系以5000r/min离心分离5min，取沉淀转接至无碳源培养基中，投加三乙胺，使其终浓度为0.5wt％，并于培养基顶部通入CO2；
(4)在25℃恒温条件下，利用氙灯(10mW/cm2)对步骤3的杂化体系进行光照，从而CO2还原产甲烷。
结果显示，Methanosarcina frisia-Bi2S3杂化体系的CO2还原产甲烷量达到了2.49μmol.
综上所述，本发明包括产甲烷微生物Methanosarcina、纳米半导体及光源三个核心要素。该方法(半人工光合系统)有效克服自然和人工光合系统的局限性，将二者的优势有效结合，实现自修复、低成本的高转化效率。系统的相对简单性使得它们更易于以模块化方式进行修改和改进。
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、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。

Claims (7)

1.一种产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在Methanosarcina菌液中合成或加入纳米半导体，构建Methanosarcina-纳米半导体杂化体系；
将Methanosarcina-纳米半导体杂化体系离心或过滤取沉淀转接至无碳源培养基中，加入牺牲试剂，并通入CO2；在光照条件下利用光生电子还原CO2产甲烷；
所述光照的光强为1～2 mW/cm2；
所述纳米半导体为CdS、CdSe、Bi2S3中的至少一种；
所述无碳源培养基的配方为：
成分 含量 MgCl2·6H2O 0.3～0.5 g/L CaCl2·2H2O 0.08～0.12 g/L NH4Cl 0.08～0.12 g/L KH2PO4 0.18～0.22 g/L KCl 0.48～0.52 g/L HEPES 7.1～7.2 g/L NaHCO3 2.5～2.6 g/L 半胱氨酸盐酸盐 0.2～2.3 g/L 微量元素溶液SL-10* 0.8～1.2 mL/l 亚硒酸盐溶液** 0.8～1.2 mL/L 维生素溶液*** 2.5～3.5 mL/L 水 余量
*每升微量元素溶液SL-10中含有48～52 mL 2mol/L HCl，1.8～2.2 g FeCl2·4H2O，0.18～0.22 g ZnCl2，0.08～0.12 g MnCl2·4H2O，0.15～0.2 g H3BO3，0.04～0.06 gCoCl2·6H2O，5.8～6.2 mg CuCl2·2H2O，70～75 mg NiCl2·6H2O，100～110 mg Na2MoO4·2H2O，余量为水；
**每升亚硒酸盐溶液中含有0.48～0.52 g NaOH，2.8～3.2 mg Na2SeO3·5H2O，3.8～4.2 mg Na2WO4·2H2O，余量为水；
***每升维生素溶液中含有0.03～0.05 g对氨基苯甲酸，0.008～0.012 g D-生物素，0.008～0.012 g a-硫辛酸，0.08～0.12 g D-泛酸钙，0.08～0.12 g维生素B6，0.028～0.032 g叶酸，0.048～0.052 g烟酸，0.048～0.052 g核黄素，0.008～0.012 g维生素B1，0.03g~0.07g维生素B12，余量为水；
所述牺牲试剂为半胱氨酸、三乙胺中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Methanosarcina菌液的OD600 nm值为0.1～0.5，或者Methanosarcina菌液为生长对数期的菌液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Methanosarcina菌为Methanosarcina barkeri、Methanosarcina mazei、Methanosarcina frisia中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米半导体的量为使其在菌液中的终浓度为0.5～5 mmol/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离心的转速为3000～5000 r/min，离心时间为5～30 min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲试剂的加入量为使其终浓度为0.05～0.5 wt %。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光照时的温度为25～40℃；所述光照的光源选自太阳光、LED灯或者氙灯中的至少一种。
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