CN114958666A - 一种微生物半导体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种微生物半导体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微生物半导体，其包括电活性菌和硫化镉；所述硫化镉分散在所述电活性菌中。本发明还涉及上述微生物半导体的制备方法：S1.将所述电活性菌培养至对数期；S2.离心得到湿菌体，使用培养液重悬得到菌悬液；S3.将可溶性镉盐和半胱氨酸加入到所述菌悬液中，震荡培养。本发明技术方案所得微生物半导体中，电活性菌与硫化镉的有效结合，可以充分发挥微生物与半导体的协同作用。将所得的该微生物半导体，外接三电极体系，令人意外地发现，其具有良好的光电响应和优异的生物相容性。

Description

一种微生物半导体及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种微生物半导体及其制备方法和应用。
背景技术
污水中含有大量废弃有机物，而传统污水处理过程是一个高耗能过程。如何在污水处理过程中将其中的“资源”捕获、回收、利用的同时降低能耗成为环境领域的研究热点。将微生物与半导体材料结合的复合催化体系能够将无机半导体材料优异的光捕获能力和微生物良好的催化能力结合，在回收污水有机物中化学能的同时储存太阳能，实现污水碳中和方面展现出优异的应用前景。但目前对于高效的微生物-半导体复合催化体系的构建仍然存在生物和化学不兼容的问题，阻碍了其进一步的发展。
电活性菌能够代谢污水中的有机物并将生物电子传递到胞外，在降解污染物的同时用于还原反应。半导体硫化镉具有良好的生物相容性和可见光响应能力，在光的照射下，光电子被激发到导带上并在价带上留下一个光生空穴。光电子可以参与还原反应，而光生空穴能够氧化污水中的污染物。光电子同样可以通过电活性菌胞外电子传递途径参与电活性菌的生长代谢，光空穴也可以接受电活性菌胞外电子传递的生物电子，从而在半导体纳米材料与微生物细胞结合的界面上实现能量和电子的传递。
现有技术CN109987720A公开了一种利用希瓦氏菌处理污水中的重金属离子的方法，其将污水中的各个重金属离子经希瓦氏菌处理后，得到了金属沉淀物，从而降低了废水中的可溶性金属重离子含量，但是并没有实现对金属沉淀物的再次利用。
现有技术CN109554400A公开了一种生物纳米硫化亚铁的合成方法，利用生物合成，制备了纳米硫化亚铁，但是生物仅是参与了反应，所得产物纳米硫化亚铁并非生物本身自带，或内置于生物中，无法体现出产物的生物性能。
因此，如何尝试构建高效有机物氧化能力的微生物-半导体复合催化体系，使其高效处理污水中的重金属离子，并且使得该体系具有理想的性能(如光电性能)，从而在某一特定领域产生经济价值，是研发的热点。
发明内容
本发明充分利用了生物代谢机制的能动性和电活性菌的胞外电子传递能力，构建了基于电活性菌自合成半导体硫化镉的复合催化体系，其本质上为一种微生物半导体。本发明技术方案材料简单，应用成本低，并且使得目标电活性菌具有优异的半导体行为，为高效微生物-半导体复合催化体系的构建提供了新方法和应用领域。
本发明中，术语“湿菌体”是指将在液体培养基中培养好的细菌离心收集所得菌体沉淀。
本发明中，术语“重悬”是指用适当的缓冲液或培养液，将离心或沉降等方法得到的固体(沉淀、细胞、活性物质等等)重新悬浮。
本发明的一个目的在于提供一种微生物半导体，其包括电活性菌和硫化镉；所述硫化镉分散在所述电活性菌中。
经透射电子显微镜显示，本发明中的硫化镉在电活性菌中呈现出均匀分布的态势。
进一步地，所述电活性菌为希瓦氏菌。
进一步地，所述硫化镉占微生物半导体的20-40wt％；所述硫化镉的粒径为50-100nm。
硫化镉在电活性菌中的含量，以及粒径尺寸，是影响微生物半导体光电行为的重要因素：若硫化镉的含量过小或粒径过大，则半导体所占的区域的比表面积太小，且粒径过大容易导致互相之间的团聚行为，造成电活性菌中部分区域处于无硫化镉分布，或硫化镉过于集中等情况，从而有可能使得硫化镉在电活性菌中分布不均，导致微生物半导体的光电响应不均、偏弱等不理想的情形出现。
本发明的另一个目的在于提供上述微生物半导体的制备方法，其包括如下步骤：
S1.将所述电活性菌培养至对数期；
S2.离心得到湿菌体，使用培养液重悬得到菌悬液；
S3.将可溶性镉盐和半胱氨酸加入到所述菌悬液中，震荡培养。
本发明技术方案中，采用半胱氨酸作为硫源。令人意外地发现，该成分与希瓦氏菌具有良好的生物相容性，可以均匀分布在希瓦氏菌之中，从而后续在希瓦氏菌细胞内与镉离子结合，合成的硫化镉，具有粒径小、比表面积大，且分布均匀等特征。
进一步地，S1中，所述培养条件为：温度为30-35℃、时间为10-24h、震荡速度为120-160rpm。
进一步地，S2中，所述培养液的成分包括羟乙基哌嗪乙硫磺酸和钠盐。
进一步地，S3中，所述可溶性镉盐的浓度为0.1-1mM；所述半胱氨酸的浓度为1-2mM。
进一步地，S3中，所述震荡培养的条件为：温度为30-35℃、时间为24-72h、震荡速度为120-160rpm。
进一步地，S2中，所述菌悬液的OD值为0.1-1.0。
本发明的另一个目的在于提供上述微生物半导体在光电器件中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明制备的基于电活性菌-硫化镉复合催化体系的微生物半导体在合成过程中充分利用了电活性菌代谢机制的能动性和胞外电子传递能力，材料简单，应用成本低。
本发明技术方案所得微生物半导体中，电活性菌与硫化镉的有效结合，可以充分发挥微生物与半导体的协同作用。经测得，硫化镉在电活性菌的细胞内部具有理想的粒径，从而半导体所占的区域具有比表面积大的特点；而且硫化镉在电活性菌的细胞内部还同时实现了高效沉积和均匀分布，从而使得电活性菌具有优异、稳定、均匀的半导体行为。将所得的该微生物半导体，外接三电极体系，令人意外地发现，其具有良好的光电响应和优异的生物相容性。
附图说明
图1示出了实施例1中的微生物半导体的外观。
图2示出了菌悬液的初始溶液中，加入的镉离子浓度随时间变化的曲线。
图3(a)-(c)示出了透射电子显微镜下微生物半导体的形貌特征。
图4示出了微生物半导体中所合成的硫化镉的X射线衍射表征图。
图5示出了实施例1的微生物半导体的光电响应行为曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例和对比例。实施例和对比例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。
除非另外指明，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本文中“包括”、“包含”、“含”、“含有”、“具有”或其它变体意在涵盖非封闭式包括，这些术语之间不作区分、术语“包含”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和成分。术语“包含”还包括术语“由…组成”和“基本上由…组成”。本发明的组合物和方法/工艺可包含、由其组成和基本上由本文描述的必要元素和限制项以及本文描述的任一的附加的或任选的成分、组成、步骤或限制项组成。
本发明中，Luria-Bertani(LB)培养基采购自杭州百思生物技术有限公司。
实施例1
一种微生物半导体，其由希瓦氏菌和硫化镉构成，其中，硫化镉均匀分散在希瓦氏菌的细胞内部，占半导体的20wt％，硫化镉的粒径约为50nm。
上述微生物半导体的制备方法，包括如下步骤：
S1.将希瓦氏菌，用Luria-Bertani(LB)培养基扩大培养，于121℃、0.1MPa条件下灭菌20min后待用。然后将希瓦氏菌接种，在培养基中，于35℃、转速为140rpm的条件下，好氧培养过夜；
S2.在转速为6000rpm下，离心10min，收集希瓦氏菌得到湿菌体，使用培养液(每L培养液中，含有羟乙基哌嗪乙硫磺酸11.9g、氯化钠2.9g、乳酸钠2.8g)，将上述湿菌体重悬至OD600≈0.20，得到菌悬液；
S3.用注射器将100mM、0.5mL的半胱氨酸添加到50mL菌悬液中，再将50mM、0.2mL的CdCl2加入其中，然后在35℃、转速为140rpm的调节下，震荡培养48h。
此时菌悬液由无色变为图1所示的黄色，表示微生物半导体的成功构建。
用电感耦合等离子体质谱的方法对上述体系中，CdCl2在初始溶液中的浓度进行追踪，可以看出，镉离子的浓度随着时间推移显著下降，说明大多数溶液中的镉离子沉积到了希瓦氏菌之中。经测算，镉离子的沉积率为96.3％。
用透射电子显微镜观察上述微生物半导体的形貌特征，并用能谱分析检测样品中元素组成。图3示出了合成的硫化镉均匀分布在细胞胞内，且为纳米级颗粒。图3(a)呈现了生物半导体的透射电镜图，说明合成的硫化镉均匀分布在希瓦氏菌细胞内，粒径为纳米级别。图3(b)和图3(c)分别示出了图(a)中镉元素和硫元素的分布，这证明了硫化镉在细菌细胞内的成功合成与均匀分布。
对上述微生物半导中所合成的硫化镉进行X射线衍射表征，如图4所示。图4示出了所合成的硫化镉存在111、220和311晶面，因此为立方晶系。
实施例2
一种微生物半导体，其由希瓦氏菌和硫化镉构成，其中，硫化镉均匀分散在希瓦氏菌的细胞内部，占半导体的40wt％，硫化镉的粒径约为100nm。
上述微生物半导体的制备方法，包括如下步骤：
S1.将希瓦氏菌，用Luria-Bertani(LB)培养基扩大培养，于118℃、0.1MPa条件下灭菌20min后待用。然后将希瓦氏菌接种，在培养基中，于35℃、转速为160rpm的条件下，好氧培养过夜；
S2.在转速为7000rpm下，离心15min，收集希瓦氏菌得到湿菌体，使用培养液(每L培养液中，含有羟乙基哌嗪乙硫磺酸11.9g、氯化钠2.9g、乳酸钠2.8g)，将上述湿菌体重悬至OD600≈0.30，得到菌悬液；
S3.用注射器将100mM、0.5mL的半胱氨酸添加到菌悬液中，再将50mM、0.4mL的CdCl2加入其中，然后在35℃、转速为160rpm的调节下，震荡培养60h。
实施例3
一种微生物半导体，其由希瓦氏菌和硫化镉构成，其中，硫化镉均匀分散在希瓦氏菌的细胞内部，占半导体的30wt％，硫化镉的粒径约为70nm。
上述微生物半导体的制备方法，包括如下步骤：
S1.将希瓦氏菌，用Luria-Bertani(LB)培养基扩大培养，于119℃、0.1MPa条件下灭菌20min后待用。然后将希瓦氏菌接种，在培养基中，于35℃、转速为180rpm的条件下，好氧培养过夜；
S2.在转速为5000rpm下，离心20min，收集希瓦氏菌得到湿菌体，使用培养液(每L培养液中，含有羟乙基哌嗪乙硫磺酸11.9g、氯化钠2.9g、乳酸钠2.8g)，将上述湿菌体重悬至OD600≈0.25，得到菌悬液；
S3.用注射器将100mM、0.5mL的半胱氨酸添加到菌悬液中，再将50mM、0.3mL的CdCl2加入其中，然后在35℃、转速为180rpm的调节下，震荡培养52h。
对比例1
对比例1与实施例1所用原料种类和用量、制备方法均相同，唯一不同在于，对比例1中的硫源，采用等物质的量的硫代硫酸钠，代替半胱氨酸。
对比例2
对比例2与实施例1所用原料种类和用量、制备方法均相同，唯一不同在于，对比例2中的S2步骤中，菌悬液的OD600≈0.05。
测试例
为了验证所合成希瓦氏菌-硫化镉的光电响应，将实施例1、对比例1和对比例2所得的微生物半导体，分别涂覆在导电玻璃上作为工作电极，并且置于三电极体系中(铂片为对电极，银/氯化银为参比电极)，对其光电响应进行测试，电解液即为上述培养液。使用电化学工作站，选用计时电流法模式，在合适的电压下(0-0.8V)进行测试。
我们希望，所合成的微生物半导体在光暗循环过程中，光照下表现出比黑暗下明显更高的电流，此行为定义为显著的光电响应。图5示出了实施例1中的微生物半导体(希瓦氏菌-硫化镉)在测试中，随时间推移的电流密度变化曲线(光电响应行为曲线)。可以看出，在每一个特定的时间段内，实施例1中的微生物半导体在光照下的光响应，均强于黑暗下的光响应，这说明该微生物半导体具有显著的光电响应行为。
所得结果如表1所示。
表1实施例1、对比例1和对比例2所得的微生物半导体的光电响应数据
Figure BDA0003665314300000061
其中，光电流1，暗电流1分别指的是第一次光暗循环下所记录的光照下电流和黑暗下的电流；光电流2，暗电流2分别指的是第二次光暗循环下所记录的光照下电流和黑暗下的电流。
从表1看出，实施例1中合成的生物硫化镉光照下电流要大于黑暗下电流，且具有重复性，具有较好地光电响应能力；而对比例1和2所合成的微生物半导体，光电响应行为则没有实施例1显著。这是因为：硫源不同或者菌量不同而造成所合成生物硫化镉的合成量、合成的硫化镉的晶型以及颗粒粒径均不太理想，从而会极大地影响生物半导体的光电响应能力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种微生物半导体，其特征在于，所述微生物半导体包括电活性菌和硫化镉；所述硫化镉分散在所述电活性菌中。
2.根据权利要求1所述微生物半导体，其特征在于，所述电活性菌为希瓦氏菌。
3.根据权利要求1所述微生物半导体，其特征在于，所述硫化镉占微生物半导体的20-40wt％；所述硫化镉的粒径为50-100nm。
4.权利要求1-3任一项所述微生物半导体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将所述电活性菌培养至对数期；
S2.离心得到湿菌体，使用培养液重悬得到菌悬液；
S3.将可溶性镉盐和半胱氨酸加入到所述菌悬液中，震荡培养。
5.根据权利要求4所述微生物半导体的制备方法，其特征在于，S1中，所述培养条件为：温度为30-35℃、时间为10-24h、震荡速度为120-160rpm。
6.根据权利要求4所述微生物半导体的制备方法，其特征在于，S2中，所述培养液的成分包括羟乙基哌嗪乙硫磺酸和钠盐。
7.根据权利要求4所述微生物半导体的制备方法，其特征在于，S3中，所述可溶性镉盐的浓度为0.1-1mM；所述半胱氨酸的浓度为1-2mM。
8.根据权利要求4所述微生物半导体的制备方法，其特征在于，S3中，所述震荡培养的条件为：温度为30-35℃、时间为24-72h、震荡速度为120-160rpm。
9.根据权利要求4所述微生物半导体的制备方法，其特征在于，S2中，所述菌悬液的OD值为0.1-1.0。
10.权利要求1-3任一项所述微生物半导体在光电器件中的应用。
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