半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用

1.本发明属于半导体纳米材料应用领域，具体涉及半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用。


背景技术：

2.生物合成产业已成为引领未来经济发展的新兴技术产业。生物合成产业基于微生物细胞工厂生产各种高附加值产品，且以可再生的生物质为原料。基于微生物细胞工厂制造生物燃料、药物、大宗化学品等各种高附加值产品是引领未来经济发展的重要技术产业。微生物细胞工厂已广泛应用于药物、生物燃料等的大批量生产，例如紫杉醇、青蒿酸等。
3.太阳能是最重要的清洁能源。近年来，研究者提出了利用太阳能驱动微生物细胞工厂的设想，通过构建人工微生物光合作用系统利用太阳能合成药物、燃料等高附加值化学品。基本原理是将半导体材料与微生物相结合，半导体材料能够在太阳光照射下产生自由电子，自由电子传递给微生物驱动微生物中的合成代谢反应，从而提高高附加值化学品的生产速率和产量。研究结果表明，在光照下半导体材料能够将类胡萝卜素、聚β-羟基丁酸酯等的产量提高数倍以上。
4.半导体材料与微生物之间的电子传递效率是决定微生物光合作用效率的关键。增大半导体材料与细菌的接触面积能够提高电子向微生物传递的效率。另外，光照下半导体材料中的电子需要先迁移到材料表面，电子进一步跨越半导体与微生物的界面到达微生物内部，进而参与高附加值化学品的合成。因此，提高光生电子的寿命是提升电子向微生物传递效率的重要途径。
5.香港中文大学jimmyc.yu(余济美)教授课题组将cds纳米颗粒沉积在沼泽红假单胞菌表面，在可见光的照射下，cds纳米颗粒产生的光生电子传递给细菌，提高了类胡萝卜素和聚β-羟基丁酸酯(phb)的产量。(wangb,jiangz,yuj,etal.enhancedco2reductionandvaluable c
2+
chemicalproductionbyacds-photosynthetichybridsystem.nanoscale2019,11(19):9296-9301.)
6.加州大学伯克利分校杨培东教授课题组将cds纳米颗粒与可以产生乙酸的细菌(m.thermoacetica)相结合，提高了乙酸的产量。(sakimotokk,wongab,yangp.self-photosensitizationofnonphotosyntheticbacteriaforsolar-to-chemicalproduction.science2016,351(6268):74-77.)
7.加州大学伯克利分校杨培东教授课题组将超小金纳米团簇引入到m.thermoacetica细菌内部，金纳米团簇产生的光生电子直接被细菌利用，提高了光生电子利用率。(zhangh,liuh,tianz,etal.bacteriaphotosensitizedbyintracellulargoldnanoclustersforsolarfuelproduction.nat.nanotechnol.2018,13(10):900-905.)
8.武汉大学袁荃教授团队将介孔氧化铝长余辉材料与大肠杆菌相结合用于提高法尼烯的产量，长余辉材料具有超长的光生电子寿命，通常在秒量级，能够有效提高光生电子向细菌的传递效率，在光照下大肠杆菌中法尼烯的产量提高了100％以上。(wangj,chenn,
biang,etal.solar-drivenoverproductionofbiofuelsinmicroorganisms[j].angew.chem.,int.ed.2022,61(32):e202207132.)


技术实现要素：

[0009]
现有技术中存在的技术问题是(1)现有技术中用到的cds纳米颗粒和超小金纳米团簇的光生电子寿命很短，通常在纳秒级别，导致材料的电子向微生物传递的效率低，限制了微生物光合作用效率的提升。(2)cd是重金属，cds纳米颗粒毒性大，不环保。(3)超小金纳米团簇成本过高。(4)介孔氧化铝长余辉材料的尺寸太大，在微米级别，与细菌的接触面积有限，阻碍了光生电子向细菌的传递。(5)介孔氧化铝长余辉材料的合成成本高，而且难以大批量制备。
[0010]
为了解决上述存在的技术问题，本技术提供如下技术方案：
[0011]
本发明提供半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，包括如下步骤：
[0012]
s1：将所述半导体纳米材料、培养基、微生物加入容器中混合后在光照条件下进行孵育，得到混合产物；
[0013]
所述半导体纳米材料为镓酸盐，镓锗酸盐，氟化钙，硫化锌，铝酸盐，钛酸盐，硅酸盐或稀土硫氧化物；
[0014]
所述微生物为沼泽红假单胞菌、大肠杆菌、酵母菌、蓝藻、小球藻、链球菌、醋酸菌、希瓦氏菌、青霉菌、淀粉乳杆菌、热醋穆尔氏菌、枯草芽孢杆菌、罗尔斯通氏菌、甲基营养菌、克氏梭状芽胞杆菌、脱硫芽孢弯曲菌、伯克氏菌、埃氏巨球形菌、瘤胃球菌、拉氏梭菌、深红红螺菌、卵形鼠孢菌、硫还原地杆菌、巴氏甲烷八叠球菌或芽孢脱硫菌；
[0015]
s2：将所述混合产物离心后去除上清液，洗涤后烘干，得到烘干细菌；
[0016]
s3：使用溶剂提取所述烘干细菌的产物，得到高附加值化学品；所述高附加值化学品为番茄红素、类胡萝卜素、紫衫酚、青蒿酸、紫杉醇、紫苏醇、青蒿素、青霉素、缬氨霉素、法尼烯、松柏醇、聚(乳酸-co-3-羟基丁酸)、丁酸酯、草莽酸、聚羟基丁酸酯、脂肪酸、甲烷、乙酸、正丁醇或异丙醇。
[0017]
在太阳光照射下，半导体纳米材料产生长寿命光生电子，光生电子进一步传递给微生物，驱动微生物中的合成代谢反应，提升微生物细胞工厂中高附加值化学品的产量。
[0018]
优选的，所述镓酸盐选自znga2o4、znga2o4:cr,ln、znga2o4:cr@znga2o4:ln；其中，ln为eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb和po。
[0019]
优选的，所述镓锗酸盐选自zn
1.2
ga
1.6
ge
0.2
o4:cr、zn
2.94
ga
1.96
ge2o
10
:cr,pr或zn
2.94
ga
1.96
ge2o
10
:cr,pr；氟化钙选自caf2、caf2:dy或caf2:dy@nayf4；硫化锌选自zns、zns:cu或zns:co；铝酸盐选自sral2o4、sr3al2o6:eu,dy、sral2o4:eu、sral2o4:eu,dy、sr4al
14o25
:eu,dy、baal2o4:eu,dy或caal2o4:eu,nd；钛酸盐选自catio3:pr、cazntio3:pr、sr2tio4:pr、sr2tio4:sm、na
0.5
gd
0.5
tio3:cr或ba2tio
4:
eu；硅酸盐选自zn2sio4:mn、sr2mgsi2o7:eu,dy或ca
0.2
zn
0.9
mg
0.9
si2o6:eu,dy,mn；稀土硫氧化物选自y2o2s:eu,mg,ti或y2o2s:sm。
[0020]
优选的，所述步骤s1中，半导体纳米材料在混合前进行杀菌处理。
[0021]
进一步地，所述杀菌处理的方法为：紫外灯下照射1-2h。
[0022]
具体的，所述半导体纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
[0023]
(1)以各金属的硝酸盐为为前驱体，将前驱体按照一定比率混合后，用浓氨水将混
合液的ph调到8-9，得到反应液；
[0024]
(2)将所述反应液置于反应釜中，在210-230℃下反应9-11h后离心水洗，得到产物纳米颗粒；
[0025]
(3)将产物纳米颗粒烘干，得到所述半导体纳米材料；所述半导体纳米材料可以吸收200-700nm范围内的太阳光并产生光生电子，能够用于提高微生物的光合作用效率。
[0026]
优选的，所述步骤s1中，孵育的温度为25-35℃，时间为110-130h。
[0027]
优选的，所述步骤s1中，孵育时以150-250rpm进行摇晃。
[0028]
优选的，所述步骤s2中，洗涤的方法为采用1g/l的氯化钠溶液洗涤两次。
[0029]
优选的，所述步骤s3中，烘干的温度为75-85℃，时间为10-14h。
[0030]
优选的，所述步骤s3中，提取的方法为：将烘干细菌和溶剂混合，震荡25-35min后静置分层，上层液体即为烘干细菌的产物。
[0031]
优选的，所述溶剂由体积比为1-2：1的正己烷和甲醇组成。
[0032]
本发明解决现有技术中半导体材料光生电子寿命和尺寸难以同时兼顾的问题，从而提高光生电子向微生物的传递效率，提升高附加值化学品的产量。同时本发明解决现有技术中半导体材料毒性大、成本高、难以大批量生产的问题。
[0033]
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0034]
(1)本发明中使用的半导体纳米材料同时具有超长光生电子寿命和超小尺寸，能够明显提高微生物的光合作用效率，有望用于生物合成领域；
[0035]
(2)本发明中使用的半导体纳米材料原料来源丰富，价格实惠，稳定；
[0036]
(3)本发明中使用的半导体纳米材料合成方法操作简单；
[0037]
(4)本发明中使用的半导体纳米材料毒性低，环保。
附图说明
[0038]
图1为znga2o4:cr@znga2o4:eu纳米颗粒的透射电镜图和粒径分布图。
[0039]
图2为znga2o4:cr@znga2o4:eu纳米颗粒的长寿命发光照片。
[0040]
图3为不同光合作用体系中番茄红素的产量。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0042]
实施例1
[0043]
本发明采用水热法合成znga2o4:cr,ln(ln:eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb、po)纳米颗粒，具体步骤如下：首先，在50ml烧杯中，加入10ml的超纯水，在搅拌过程中，依次缓慢加入1mlzn(no3)2(1mol/l)、5mlga(no3)3(0.4mol/l)、125μlcr(no3)3(0.08mol/l)、一定体积的ln(no3)3(0.1mol/l)。在不断搅拌下，缓慢加入一定体积的浓氨水(28wt％)，将上述溶液ph值调至8.5左右，在滴加过程中，逐渐会有白色沉淀生成。之后在室温下，搅拌反应1h。将混合溶液转移至水热釜中，220℃反应10h。反应结束后，冷却至室温，离心(7000rpm，6min)收集得到产物，通过超纯水洗涤三次，放入鼓风干燥箱中(80℃，2h)烘干，得到znga2o4:cr,ln长余辉纳米颗粒。
[0044]
实施例2
[0045]
本发明采用水热法合成znga2o4:cr@znga2o4:ln(ln:eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb、po)纳米颗粒，具体步骤如下：在50ml的烧杯中，加入10ml水，在搅拌过程中，依次缓慢加入1mlzn(no3)2(1mol/l)、5mlga(no3)3(0.4mol/l)、125μlcr(no3)3(0.08mol/l)。在不断搅拌下，缓慢加入一定体积的浓氨水(28wt％)，将上述溶液ph值调至8.5左右。将混合溶液转移至水热釜中，220℃反应10h。反应结束后，冷却至室温，离心(7000rpm，6min)收集得到产物，用水洗涤，放入鼓风干燥箱中烘干，得到znga2o4:cr长余辉纳米颗粒。在50ml的烧杯中，加入0.1gznga2o4:cr的水溶液(10mg/ml)，5ml的超纯水，在搅拌过程中，依次缓慢加入0.25mlzn(no3)2(1mol/l)、1.25mlga(no3)3(0.4mol/l)、一定体积的ln(no3)3(0.1mol/l，ln:eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb、po)。加入一定体积的浓氨水(28wt％)，将上述溶液ph值调至8.5左右。将混合溶液转移至水热釜中，220℃反应10h。反应结束后，冷却至室温，通过离心(7000rpm,8min)收集得到产物，用水洗涤，放入鼓风干燥箱中烘干，得到核壳结构的znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒。
[0046]
图1为核壳结构znga2o4:cr@znga2o4:eu纳米颗粒的透射电镜图和粒径分布图，从图中可以看出核壳结构的纳米颗粒尺寸在13nm左右，颗粒均一且分散性好。图2为znga2o4:cr@znga2o4:eu纳米颗粒的长寿命发光照片，从图中可以看到在激发停止后2小时还能够检测到纳米颗粒的发光，说明znga2o4:cr@znga2o4:eu纳米颗粒具有超长的光生电子寿命。
[0047]
实施例3znga2o4:cr,ln、znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒驱动微生物合成番茄红素
[0048]
分别称取10mgznga2o4:cr,ln和10mgznga2o4:cr@znga2o4:ln(ln:eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb、po)纳米颗粒于1ml的离心管中，在紫外灯下照射1h，进行杀菌处理。往15ml灭菌离心管中加入9.8ml的tsa培养基、200μlod
600
约为0.8的沼泽红假单胞菌、10mg提前杀菌处理的znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒，将其置于恒温摇床中在光照下共孵育(30℃，200rpm)。光照120h后结束反应，通过离心(8000rpm，6min)收集细菌，倒掉上清液，加入1g/l的氯化钠溶液洗涤两次，将最终得到的细菌置于烘箱中烘干(80℃，12h)。在烘干的细菌中加入6ml正己烷和甲醇的混合溶液(2:1v/v)用来提取番茄红素。涡旋分散均匀后，将样品避光放置于摇床中震荡30min，取出后静置，待溶液分层后，取出上层橙色液体即为提取到的番茄红素溶液。
[0049]
图3为测得的番茄红素的产量图，相较于单独的沼泽红假单胞菌，加入znga2o4:cr和znga2o4:cr@znga2o4:eu纳米颗粒后，光合作用产生的番茄红素的产量分别提高了约1.8倍和3倍。
[0050]
实施例4znga2o4:cr,ln、znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒驱动微生物合成甲酸
[0051]
分别称取10mgznga2o4:cr,ln和10mgznga2o4:cr@znga2o4:ln(ln:eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb、po)纳米颗粒于1ml的离心管中，在紫外灯下照射1h，进行杀菌处理。往15ml灭菌离心管中加入9.8ml的lb培养基、200μlod
600
约为0.8的大肠杆菌、10mg提前杀菌处理的znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒，将其置于恒温摇床中在光照下共孵育(37℃，200rpm)。光照1h后结束反应，通过离心(8000rpm，6min)收集上清液，通过甲酸检测试剂盒检测上清中甲酸的含量。
[0052]
实施例5znga2o4:cr,ln、znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒驱动微生物合成类胡萝
卜素
[0053]
分别称取10mgznga2o4:cr,ln和10mgznga2o4:cr@znga2o4:ln(ln:eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb、po)纳米颗粒于1ml的离心管中，在紫外灯下照射1h，进行杀菌处理。往15ml灭菌离心管中加入9.8ml的tsa培养基、200μlod
600
约为0.8的沼泽红假单胞菌、10mg提前杀菌处理的znga2o4:cr@znga2o4:ln纳米颗粒，将其置于恒温摇床中在光照下共孵育(30℃，200rpm)。光照120h后结束反应，通过离心(8000rpm，6min)收集细菌，倒掉上清液，提取得到类胡萝卜素。
[0054]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，包括如下步骤：s1：将所述半导体纳米材料、培养基和微生物加入容器中混合后在光照条件下进行孵育，得到混合产物；所述半导体纳米材料选自镓酸盐，镓锗酸盐，氟化钙，硫化锌，铝酸盐，钛酸盐，硅酸盐或稀土硫氧化物；所述微生物为沼泽红假单胞菌、大肠杆菌、酵母菌、蓝藻、小球藻、链球菌、醋酸菌、希瓦氏菌、青霉菌、淀粉乳杆菌、热醋穆尔氏菌、枯草芽孢杆菌、罗尔斯通氏菌、甲基营养菌、克氏梭状芽胞杆菌、脱硫芽孢弯曲菌、伯克氏菌、埃氏巨球形菌、瘤胃球菌、拉氏梭菌、深红红螺菌、卵形鼠孢菌、硫还原地杆菌、巴氏甲烷八叠球菌或芽孢脱硫菌；s2：将所述混合产物离心后去除上清液，洗涤后烘干，得到烘干细菌；s3：使用溶剂提取所述烘干细菌的产物，得到高附加值化学品；所述高附加值化学品为番茄红素、类胡萝卜素、紫衫酚、青蒿酸、紫杉醇、紫苏醇、青蒿素、青霉素、缬氨霉素、法尼烯、松柏醇、聚(乳酸-co-3-羟基丁酸)、丁酸酯、草莽酸、聚羟基丁酸酯、脂肪酸、甲烷、乙酸、正丁醇或异丙醇。2.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述镓酸盐选自znga2o4、znga2o4:cr,ln、znga2o4:cr@znga2o4:ln；其中，ln为eu、ho、y、gd、nd、tb、tm、ce、la、pr、sm、er、yb和po。3.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述镓锗酸盐选自zn
1.2
ga
1.6
ge
0.2
o4:cr、zn
2.94
ga
1.96
ge2o
10
:cr,pr或zn
2.94
ga
1.96
ge2o
10
:cr,pr；氟化钙选自caf2、caf2:dy或caf2:dy@nayf4；硫化锌选自zns、zns:cu或zns:co；铝酸盐选自sral2o4、sr3al2o6:eu,dy、sral2o4:eu、sral2o4:eu,dy、sr4al
14
o
25
:eu,dy、baal2o4:eu,dy或caal2o4:eu,nd；钛酸盐选自catio3:pr、cazntio3:pr、sr2tio4:pr、sr2tio4:sm、na
0.5
gd
0.5
tio3:cr或ba2tio
4:
eu；硅酸盐选自zn2sio4:mn、sr2mgsi2o7:eu,dy或ca
0.2
zn
0.9
mg
0.9
si2o6:eu,dy,mn；稀土硫氧化物选自y2o2s:eu,mg,ti或y2o2s:sm。4.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述步骤s1中，半导体纳米材料在混合前进行杀菌处理。5.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述步骤s1中，孵育的温度为25-35℃，时间为110-130h。6.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述步骤s1中，孵育时以150-250rpm进行摇晃。7.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述步骤s2中，洗涤的方法为采用1g/l的氯化钠溶液洗涤两次。8.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述步骤s3中，烘干的温度为75-85℃，时间为10-14h。9.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述步骤s3中，提取的方法为：将烘干细菌和溶剂混合，震荡25-35min后静置分层，上层液体即为烘干细菌的产物。10.如权利要求1所述的半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用，其特征在于，所述溶剂由体积比为1-2：1的正己烷和甲醇组成。

技术总结
本发明属于半导体纳米材料应用领域，具体涉及半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用。在太阳光照射下，该系列半导体纳米材料产生长寿命光生电子，光生电子进一步传递给微生物，驱动微生物中的合成代谢反应，提升微生物细胞工厂中高附加值化学品的产量。本发明解决现有技术中半导体材料光生电子寿命和尺寸难以同时兼顾的问题，从而提高光生电子向微生物的传递效率，提升高附加值化学品的产量。同时本发明解决现有技术中半导体材料毒性大、成本高、难以大批量生产的问题。难以大批量生产的问题。难以大批量生产的问题。


技术研发人员：王杰 代文静
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/8