CN110339704B - 金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用及方法 - Google Patents

金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用及利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法。所述方法是将金属氧化物纳米材料添加到无氮液体或固体培养基中，再培养固氮微生物；所述金属氧化物纳米材料在无氮液体或固体培养基中的含量为0.001—10000μg/mL。通过在液体或者固体培养基加入该材料，可以显著地提高固氮微生物的固氮能力。从纳米材料纳米催化角度出发，利用金属氧化物纳米材料吸附氮气且催化固氮过程的特点，从而达到降低氮氮三键键能，提升固氮微生物固氮能力的目的。采用本发明的方法，固氮微生物的固氮能力可显著提高1～270％。

Description

金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中 的应用及方法
技术领域
本发明属于生物固氮领域，涉及金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用及利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法。
背景技术
大气中79％是氮气，是工业固氮和生物固氮的主要来源。氮气分子因具有稳定氮氮三键的结构，很难被大部分生物破坏并直接吸收利用，只能通过工业或者生物固氮作用转变为化合态的氮才可进入自然界氮循环。因工业固氮具有能耗高、污染大、效率低下的特点，生物固氮特别是微生物固氮被认为是目前安全、高效、清洁的固氮方式，但是生物固氮同样需要面对能量较高的氮氮三键的问题，微生物需要消耗大量的能量完成固氮过程，从而导致微生物固氮过程缓慢、固氮量偏低，远远不能满足目前人类和其他生物的需求。因此，如何提高微生物的固氮能力已然成为众多科学家需要解决的棘手问题。目前，用于提高固氮微生物固氮能力的材料有碳化类纳米材料、表面活性剂等，金属氧化物纳米材料应因具有较小的尺寸，利于进入微生物体内；材料本身的不溶解性促使其功能稳定发挥；材料大比表面积提升氮气分子吸附量。本发明从微生固氮的途径出发，特提出利用金属氧化物纳米材料促进固氮菌固氮的某个过程，从而达到提升固氮菌固氮的能力。
发明内容
本发明旨在克服现有微生物固氮能力不足，提供金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用及利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法，该方法使用过程操作简单、易实行。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用；所述金属氧化物纳米材料为MXOY，其中，所述M为金属元素，O为氧元素，所述X>0，所述Y>0。
利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法是将金属氧化物纳米材料添加到无氮液体或固体培养基中，再培养固氮微生物；所述金属氧化物纳米材料在无氮液体或固体培养基中的含量为0.001—10000μg/mL。
优选地，所述金属氧化物纳米材料为MXOY，其中，所述M为金属元素，O为氧元素，所述X>0，所述Y>0。且所述金属氧化物纳米材料为MXOY中的至少一种。
优选地，所述固氮微生物为细菌。
更优选地，所述细菌为单一菌或复合菌。
所述方法具体包括如下步骤：
(1)将金属氧化物纳米材料添加到无氮液体或固体培养基中，超声分散10～30min，使金属氧化物纳米材料均匀分散于无氮液体或固体培养基中，得到金属氧化物纳米材料培养基；所述金属氧化物纳米材料在无氮液体或固体培养基中的含量为0.001—10000μg/mL；
(2)将固氮菌接种至金属氧化物纳米材料培养基中，于30～35℃、50～250rpm转速条件下过夜培养；
(3)离心或过滤收集经步骤(2)过夜培养后的菌体；将菌体分散在金属氧化物纳米材料培养基中，控制OD600＝0.1-1.0，即得固氮能力被提高且活性稳定的固氮菌菌体。
本发明从纳米材料纳米催化角度出发，利用金属氧化物纳米材料吸附氮气且催化固氮过程的特点，从而达到降低氮氮三键键能，提升固氮微生物固氮能力的目的。采用金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用及利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法，通过在液体或者固体培养基加入该材料，可以显著地提高固氮微生物的固氮能力。采用本发明的方法，固氮微生物的固氮能力可显著提高1～270％。
附图说明
图1为实例1中不同纳米材料(二氧化锡、三氧化钨)对固氮菌株(AzotobacterHR1)固氮活性的影响；
图2为实例2中不同浓度的二氧化锡纳米材料对固氮菌株(Azotobacter HR1)固氮活性的影响；
图3为实例3中不同浓度的三氧化钨纳米材料对固氮菌株(Azotobacter HR1)固氮活性的影响。
具体实施方式
实施例1
所述利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法包括如下步骤：
(1)金属氧化物纳米材料无氮培养基的制备：称取1mg不同的金属氧化物纳米材料(二氧化锡、三氧化钨)置于100mL无氮液体培养基中，超声分散30min，使金属氧化物纳米材料均匀分散于培养基中；
(2)以2.0％接种量将固氮菌(Azotobacter HR1)接种在无氮液体培养基中，在温度为34℃，转速为150rpm培养箱中振荡培养过夜。
(3)离心或过滤收集步骤(2)的菌体，将菌体稀释在步骤(1)的培养基中(OD600＝0.225)。
(4)向20mL血清瓶中加入5mL步骤3的菌液，盖上胶塞，注入10％乙炔，在温度为34℃和转速为150rpm的摇床中振荡培养12h后，检测乙烯含量，计算固氮活性。
以添加不同金属氧化物纳米材料作为实验组，其中以不加任何金属氧化物纳米材料作为空白对照。结果见图1，经过不同金属氧化物纳米材料处理的固氮菌(AzotobacterHR1)，可显著提高固氮菌的固氮活性。
实施例2
所述利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法包括如下步骤：
(1)金属氧化物纳米材料无氮培养基的制备：称取纳米二氧化锡0.1、1、10、100、1000ug，分别放置于无氮液体培养基中，超声分散30min，使其中的金属氧化物纳米材料均匀分散于培养基中，得到不同浓度的混合液；
(2)以2.0％接种量将固氮菌(Azotobacter HR1)接种在无氮液体培养基中，在温度为34℃，转速为150rpm培养箱中振荡培养过夜。
(3)离心或过滤收集步骤(2)的菌体，分别将菌体稀释在步骤(1)的培养基中(OD600＝0.225)。
(4)向20mL血清瓶中加入5mL步骤(3)的菌液，盖上胶塞，注入10％乙炔，在温度为34℃和转速为150rpm的摇床中振荡培养12h后，检测乙烯含量，计算固氮活性。
以加入二氧化锡金属氧化物纳米材料的固氮菌(Azotobacter HR1)的培养基作为实验组，其中以不加任何金属氧化物纳米材料处理的作为空白对照。结果见图2，在无氮培养基中加入浓度为0.1-1000μg/mL的纳米二氧化锡后，可显著提高了固氮菌的固氮活性，其中添加量为1μg/mL时固氮活性提高了270％。
实施例3
所述利用金属氧化物纳米材料提高固氮微生物固氮能力的方法包括如下步骤：
(1)金属氧化物纳米材料无氮培养基的制备：称取纳米三氧化钨0.1、1、10、100、1000ug，分别放置于无氮液体培养基中，超声分散30min，使其中的金属氧化物纳米材料均匀分散于培养基中；
(2)以2.0％接种量将固氮菌(Azotobacter HR1)接种在无氮液体培养基中，在温度为34℃，转速为150rpm培养箱中振荡培养过夜。
(3)离心或过滤收集步骤(2)的菌体，将菌体稀释在步骤(1)的培养基中(OD600＝0.225)。
(4)向20mL血清瓶中加入5mL步骤3的菌液，盖上胶塞，注入10％乙炔，在温度为34℃和转速为150rpm的摇床中振荡培养12h后，检测乙烯含量，计算固氮活性。
以加入三氧化钨金属氧化物纳米材料的固氮菌(Azotobacter HR1)的培养基作为实验组，其中以不加任何金属氧化物纳米材料处理的作为空白对照。结果见图3，在无氮培养基中加入浓度为0.1-1000μg/mL的纳米三氧化钨后，可显著提高了固氮菌的固氮活性，其中添加量为1μg/mL时固氮活性提高了265％。

Claims (4)

1.金属氧化物纳米材料在制备提高固氮微生物固氮能力制剂中的应用；所述金属氧化物纳米材料为二氧化锡或三氧化钨；所述应用是将金属氧化物纳米材料二氧化锡或三氧化钨添加到无氮液体或固体培养基中，再培养固氮微生物；所述金属氧化物纳米材料二氧化锡在无氮液体或固体培养基中的含量为0.1～1000μg/mL，所述金属氧化物纳米材料三氧化钨在无氮液体或固体培养基中的含量为0.1～100μg/mL。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述固氮微生物为细菌。
3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述细菌为单一菌或复合菌。
4.如权利要求1至3任一项所述的应用，其特征在于，所述应用具体包括如下步骤：
(1)将金属氧化物纳米材料添加到无氮液体或固体培养基中，超声分散10～30min，使金属氧化物纳米材料均匀分散于无氮液体或固体培养基中，得到金属氧化物纳米材料培养基；所述金属氧化物纳米材料二氧化锡在无氮液体或固体培养基中的含量为0.1～1000μg/mL，所述金属氧化物纳米材料三氧化钨在无氮液体或固体培养基中的含量为0.1～100μg/mL；
(2)将固氮菌接种至金属氧化物纳米材料培养基中，于30～35℃、50～250rpm转速条件下过夜培养；
(3)离心或过滤收集经步骤(2)过夜培养后的菌体；将菌体分散在金属氧化物纳米材料培养基中，控制OD600＝0.1～1.0，即得固氮能力被提高且活性稳定的固氮菌菌体。
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