硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系及其制备与固碳方法

1.本发明涉及光催化材料领域，尤其涉及一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系及其制备与固碳方法。


背景技术：

2.目前开发和利用可再生能源将co2转化为增值产物已达成全球共识。人工光合系统利用太阳光从丰富的资源中创造高价值的化学物质，但在产物的选择性低、且还原产物一般为单碳产物，限制了其大规模应用。之后人们创新性的开发了半人工光合系统(杂化体系)，有效耦合了光敏剂优异的光捕获特性和微生物高催化性和选择性，实现利用太阳能高效驱动二氧化碳转化为增值化学产物。
3.现有技术中，由于cds的带隙值较窄(2.4ev)，具有较宽的太阳光谱吸收范围，主要集中采用以cds为代表的单金属硫化物作为光敏剂。但实际应用过程中发现，以cds为代表的单金属硫化物作为光敏剂时，其对应的杂化体系存在固碳性能受限等问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系及其制备与固碳方法，旨在解决现有技术中的光敏材料在应用过程中存在光生电子空穴易复合、易团聚、生物毒性等导致的固碳性能低下等问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，包括硫化锌镉纳米颗粒和卵形鼠孢菌；其中，所述硫化锌镉纳米颗粒分布于所述卵形鼠孢菌的细胞表面。
6.本发明还提供了一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的制备方法，包括步骤：
7.s1，提供硫化锌镉纳米颗粒，所述硫化锌镉纳米颗粒粒径为20～30nm；
8.s2，在卵形鼠孢菌菌液中加入所述硫化锌镉纳米颗粒复合培养，得所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，其中，所述卵形鼠孢菌菌液的od
600
＝0.2～0.3。
9.进一步地，在步骤s2中，所述菌液中硫化锌镉的浓度为0.1～1.0mm。
10.进一步地，在步骤s1中，所述硫化锌镉纳米颗粒的获得方式为：将乙酸锌、乙酸镉以及硫化钠按照x：(1-x)：1的摩尔比在去离子水中混合，其中，x＝0.2～0.8；于140～180℃下加热，并保温10～12h，得所述硫化锌镉纳米颗粒。
11.进一步地，所述保温处理之后还包括第一离心处理、第一洗涤处理以及真空干燥处理，得所述硫化锌镉纳米颗粒。
12.其中，所述真空干燥处理的温度为50～80℃，所述真空干燥处理的时长为10～15h。
13.进一步地，在步骤s2中，所述复合培养过程之后还包括对培养得到的混合液进行第二离心处理以及第二洗涤处理，得所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系。
14.其中，所述第二离心处理的转速为5000～10000rpm，所述第二离心处理的时长为5～10min；所述第二洗涤处理为采用除氧灭菌水洗涤。
15.本发明还提供了一种基于上述的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系或如上述任意一项制备方法制备出的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的固碳方法，包括将所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系和空穴牺牲剂加入至光合培养基中，进行光照反应。
16.进一步地，所述空穴牺牲剂在总体系中的质量分数为0.01～0.06％；所述总体系由所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系、所述空穴牺牲剂以及所述光合培养基组成。
17.进一步地，所述空穴牺牲剂包括l-半胱氨酸、硫代硫酸钠、亚硫酸钠以及硫化钠中的一种或多种。
18.进一步地，所述光合培养基包括：7.6～8.4g/l的nacl，0.40～0.55g/l的kcl，0.3～0.5g/l的nh4cl，0.22～0.33g/l的mgso4·
7h2o，2.5～3.1g/l的na2hpo4·
12h2o，0.23～0.24g/l的kh2po4，2.3～2.5g/l的nahco3，0.8～1.3ml/l的微量元素溶液以及0.8～1.3ml/l维生素溶液。
19.其中，所述微量元素溶液包括：0.08～0.12g/l的znso4·
7h2o，0.02～0.04g/l的mncl2·
4h2o，0.02～0.04g/l的h3bo3，0.15～0.25g/l的cocl2·
6h2o，0.01～0.02g/l的cucl2·
2h2o，0.01～0.03mg/l的nicl2·
6h2o，0.02～0.04g/l的na2moo4·
2h2o。
20.所述维生素溶液包括：1.5～2.5mg/l的生物素，1.5～2.5mg/l的叶酸，9.0～11.0mg/l的吡哆醇盐酸盐，4.5～5.5mg/l的硫胺素盐酸盐，4.5～5.5mg/l的核黄素，4.5～5.5mg/l的烟酸，4.5～5.5mg/l的d-(+)-泛酸钙，0.08～0.13mg/l的维生素b12，4.5～5.5mg/l的p-氨基苯甲酸，4.5～5.5mg/l的硫辛酸。
21.本发明达到的有益效果：
22.本发明提供的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，包括密集分布于所述卵形鼠孢菌的细胞表面的硫化锌镉纳米颗粒和卵形鼠孢菌。
23.在可见光照射下，杂化体系中的硫化锌镉纳米颗粒被激发产生光电子空穴对，在固碳的过程中还引入空穴牺牲剂，在硫化锌镉纳米颗粒和空穴牺牲剂的共同作用下，有效降低了光生电子和空穴复合的情况，减轻了光腐蚀的危害，同时锌元素的引入一定程度上改善了光敏剂的生物毒性。光电子传递给卵形鼠孢菌作为还原力进行固碳，将二氧化碳转化为具有高利用价值的多碳产物乙酸，为改善全球变暖问题和高价值化学品的生产提供了环保的解决途径。
24.本发明提供的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的制备方法简单易操作，且所需各原料组分生物毒性较低。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
26.图1为实施例1制备得到的硫化锌镉纳米颗粒的扫描电子显微镜(sem)图；
27.图2为实施例1制备得到的硫化锌镉纳米颗粒的透射电子显微镜(tem)图；
28.图3为实施例1制备得到的硫化锌镉纳米颗粒与相同条件制备的硫化镉、硫化锌的光电流响应对比图；
29.图4为实施例1制备得到的硫化锌镉纳米颗粒与相同条件制备的硫化镉、硫化锌的电化学阻抗对比图；
30.图5实施例1制备得到的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的扫描电镜图；
31.图6为实施例1制备得到的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的透射电子显微镜(tem)图，能谱(eds)图，s元素、cd元素、zn元素的元素分布图的对比图；其中，(a)为硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的tem图，(b)为硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的eds图，(c)为其中s元素分布图，(d)为其中cd元素分布图，(e)为其中zn元素分布图；
32.图7实施例1制备得到的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系光驱动固碳产乙酸性能图；
33.图8实施例2中，不同空穴牺牲剂对硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系光驱动固碳产乙酸性能影响的对比图；
34.图9实施例3中，以不同浓度l-半胱氨酸作为空穴牺牲剂对硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系光驱动固碳产乙酸性能影响的对比图；
35.图10实施例4中，不同硫化锌镉纳米颗粒添加量对硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系光驱动固碳产乙酸性能影响的对比图。
36.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
39.除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。本领域技术人员应当知道的是，作为对本技术文件的一种说明，在不影响对本技术技术方案实际理解的情况下，“gurrent(μa)”可以表示为电流，“time(s)”可以表示为时间，“accumulatedacetate(mm)”可以表示为乙酸积累量，“cys”可以表示为l-半胱氨酸，“vitamin solution”可以表示为维生素溶液，“yeast extract”可以表示为酵母提取物，“casitone”可以表示为酪胨，“resazurin”可以表示为刃天青，“wolfe,s vitamin solution”可以表示为wolfe氏维生素溶液，“trace elements solution sl-6”可以表示为购买自北京酷来搏科技有限公司的sl-6微量元素溶液，“distilledwater”可以表示为蒸馏水。
40.当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。下列实施例中所需要的材料或试剂，如无特殊说明均为市场购得。
41.申请人经过大量的实验研究发现，现有技术中的光敏材料，由于其采用的光敏剂(如cds)存在光生电子空穴易复合、易团聚的问题，导致电子分离效率低、重金属毒性及光腐蚀性较强，严重限制了光敏材料(杂化体系)的固碳性能。同样地，cds具有较窄的带隙值，可吸收较宽范围的太阳光谱，因此在现有技术中若需要获得较高的固碳性能，势必提高其中cds的占比，但由于cds具有一定的生物毒性，会使获得的杂化体系具有一定的生物毒性。
42.为了解决现有技术中的光敏材料在应用过程中存在光生电子空穴易复合、易团聚、光腐蚀严重、生物毒性等导致的固碳性能低下等问题，本发明提供一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，包括硫化锌镉纳米颗粒和卵形鼠孢菌；其中，硫化锌镉纳米颗粒分布于卵形鼠孢菌的细胞表面。
43.在可见光照射下，杂化体系中的硫化锌镉纳米颗粒被激发产生光电子空穴对，在固碳的过程中还引入空穴牺牲剂，在硫化锌镉纳米颗粒和空穴牺牲剂的共同作用下，有效降低了光生电子和空穴复合的情况。硫化锌镉纳米颗粒具有较宽的带隙，其氧化还原能力得到强化，空穴更易与空穴牺牲剂作用，可以减缓光腐蚀作用。同时锌元素的引入，得到了硫化锌镉纳米颗粒，相较于现有技术中采用的单一含镉的光敏剂具有良好的生物相容性，一定程度上改善了光敏剂的生物毒性。光电子传递给卵形鼠孢菌作为还原力进行固碳，将二氧化碳转化为具有高利用价值的多碳产物乙酸，为改善全球变暖问题和高价值化学品的生产提供了环保的解决途径。
44.本发明还提供了一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的制备方法，包括步骤：
45.s1，提供硫化锌镉纳米颗粒，硫化锌镉纳米颗粒粒径为20～30nm；
46.s2，在卵形鼠孢菌菌液中加入硫化锌镉纳米颗粒复合培养，得硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，其中，所述卵形鼠孢菌菌液的od
600
＝0.2～0.3。
47.具体地，od
600
＝0.2～0.3的卵形鼠孢菌菌液的来源可以为无菌厌氧条件下，将卵形鼠孢菌(sporomusa ovataatcc 35899)以10％体积比接入除氧有机培养基中，于厌氧培养箱在30℃下静置培养48h至od
600
＝0.2～0.3。
48.需要说明的是，卵形鼠孢菌(sporomusa ovataatcc 35899)购买自宁波明舟生物科技有限公司，编号为dsm-2662。
49.复合培养的方式包括在25～35℃黑暗条件下持续搅拌孵育6～8h；其中，搅拌速度为80～120rpm。
50.该制备方法简单易操作，且所需各原料组分生物毒性较低。
51.进一步地，在步骤s2中，菌液中硫化锌镉纳米的浓度为0.1～1.0mm。
52.具体地，称取一定量的硫化锌镉纳米颗粒溶于除氧无菌水中使其充分分散，并用注射器将其打入od
600
＝0.2～0.3的卵形鼠孢菌菌液中，最终菌液中光敏剂(硫化锌镉)的浓度为0.1～1.0mm。当菌液中的硫化锌镉的浓度《0.1mm时，其难以提供充足的光生电子；而当菌液中的硫化锌镉的浓度》1.0mm时，会临界卵形鼠孢菌的耐受限度，造成卵形鼠孢菌的细胞活性降低甚至死亡。
53.进一步地，在步骤s1中，硫化锌镉纳米颗粒的获得方式为：将乙酸锌、乙酸镉以及硫化钠按照x：(1-x)：1的摩尔比在去离子水中混合，其中，x＝0.2～0.8；于140～180℃下加热，并保温10～12h，得硫化锌镉纳米颗粒。
54.具体地，可以对溶于去离子水中的乙酸锌和乙酸镉在500rpm下磁力搅拌混合，得
到锌镉混合液。并将硫化钠溶于去离子水中，得到硫化钠溶液。采用微量注射泵将硫化钠溶液缓慢滴入锌镉混合液中，恒速搅拌2h，得到淡黄色液体。其中，淡黄色液体中的乙酸锌、乙酸镉以及硫化钠的摩尔比为x：(1-x)：1，其中，x＝0.2～0.8。
55.通过调控乙酸锌、乙酸镉以及硫化钠的摩尔比为x：(1-x)：1，其中，x＝0.2～0.8；能实现该材料带隙宽度的调控，平衡该材料的光吸收范围和氧化还原能力的矛盾。
56.具体地，当x：(1-x)：1＝0.8：0.2：1时效果最优，可以将得到的淡黄色液体转移到石英内衬微型高压反应釜中，在140～180℃和300rpm下反应，保温10～12h，最终得到硫化锌镉纳米颗粒，命名为zn
0.2
cd
0.8
s。其有效抑制了光生电子和空穴的复合，强化了电子传递效率，同时锌的生物相容性降低了现有技术中光敏剂采用硫化镉具有的生物毒性。
57.进一步地，保温处理之后还包括第一离心处理、第一洗涤处理以及真空干燥处理，得硫化锌镉纳米颗粒。
58.其中，真空干燥处理的温度为50～80℃，真空干燥处理的时长为10～15h。
59.具体地，当前述淡黄色液体在石英内衬微型高压反应釜中的保温时长结束后，泄压冷却，并通过第一离心处理分离出沉淀物。用去离子水和无水乙醇对沉淀物交替洗涤3次，并在50～80℃下真空干燥处理10～15h，得到硫化锌镉纳米颗粒。
60.进一步地，在步骤s2中，复合培养过程之后还包括对培养得到的混合液进行第二离心处理以及第二洗涤处理，得硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系。
61.其中，第二离心处理的转速为5000～10000rpm，第二离心处理的时长为5～10min；第二洗涤处理为采用除氧灭菌水洗涤。
62.具体地，可以对复合培养得到的混合液在厌氧条件下以5000～10000rpm离心5～10min；离心后，使用除氧灭菌水洗涤2～3次，保留洗涤后沉淀物，即硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系。
63.本发明还提供了一种基于上述的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系或如上述任意一项制备方法制备出的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的固碳方法，包括将的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系和空穴牺牲剂加入至光合培养基中，进行光照反应。
64.具体地，可以将前述得到的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系转接到光合培养基中，并向光合培养基中添加空穴牺牲剂，在光照条件下进行光驱动固碳产乙酸。
65.进一步地，空穴牺牲剂在总体系中的质量分数为0.01～0.06％；总体系由硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系、空穴牺牲剂以及所述光合培养基组成。
66.具体地，可以在硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系转接到光合培养基中后，再向光合培养基中加入一定体积的0.2％～0.4％的空穴牺牲剂，使空穴牺牲剂的质量为总体系质量的0.01～0.06％。
67.进一步地，空穴牺牲剂包括l-半胱氨酸、硫代硫酸钠、亚硫酸钠以及硫化钠中的一种或多种。
68.进一步地，光合培养基包括：7.6～8.4g/l的nacl，0.40～0.55g/l的kcl，0.3～0.5g/l的nh4cl，0.22～0.33g/l的mgso4·
7h2o，2.5～3.1g/l的na2hpo4·
12h2o，0.23～0.24g/l的kh2po4，2.3～2.5g/l的nahco3，0.8～1.3ml/l的微量元素溶液以及0.8～1.3ml/l维生素溶液。
69.其中，微量元素溶液包括：0.08～0.12g/l的znso4·
7h2o，0.02～0.04g/l的
mncl2·
4h2o，0.02～0.04g/l的h3bo3，0.15～0.25g/l的cocl2·
6h2o，0.01～0.02g/l的cucl2·
2h2o，0.01～0.03mg/l的nicl2·
6h2o，0.02～0.04g/l的na2moo4·
2h2o。
70.具体地，微量元素可以采用购买自北京酷来搏科技有限公司的sl-6微量元素溶液；也可以按照上述比例自行配制。需要说明的是，本技术的实施例中使用的微量元素溶液均为购买自北京酷来搏科技有限公司的sl-6微量元素溶液。
71.维生素溶液包括：1.5～2.5mg/l的生物素，1.5～2.5mg/l的叶酸，9.0～11.0mg/l的吡哆醇盐酸盐，4.5～5.5mg/l的硫胺素盐酸盐，4.5～5.5mg/l的核黄素，4.5～5.5mg/l的烟酸，4.5～5.5mg/l的d-(+)-泛酸钙，0.08～0.13mg/l的维生素b12，4.5～5.5mg/l的p-氨基苯甲酸，4.5～5.5mg/l的硫辛酸。
72.实施例1
73.卵形鼠孢菌、不同光敏剂种类(硫化锌镉、硫化锌、硫化镉)及光照在固碳过程的影响：
74.(1)在500rpm磁力搅拌下，将8mmol cd(ac)2·
2h2o和2mmol zn(ac)2·
2h2o溶于70ml去离子水中，将10mmol na2s
·
9h2o溶于30ml去离子水中，采用微量注射泵将硫化钠溶液缓慢滴入锌镉混合液中，恒速搅拌2h，将得到的淡黄色液体转移到200ml石英内衬微型高压反应釜中，在160℃和300rpm下反应12h，泄压冷却后通过离心分离沉淀物并用去离子水和无水乙醇交替洗涤3次，在60℃下真空干燥10h，得到硫化锌镉纳米颗粒，命名为zn
0.2
cd
0.8
s。硫化锌镉纳米颗粒的扫描电子显微镜(sem)图如图1所示；其透射电子显微镜(tem)图如图2所示。
75.从图1中可以看出，得到的硫化锌镉纳米颗粒呈球形堆积；图2中可以看出其中硫化锌镉纳米颗粒的粒径为20～30nm。
76.采用上述同样的方法，仅改变步骤(1)中：将10mmol cd(ac)2·
2h2o溶于70ml去离子水中。最终，得到硫化镉纳米颗粒(cds)。
77.采用上述同样的方法，仅改变步骤(1)中：将10mmol zn(ac)2·
2h2o溶于70ml去离子水中。最终，得到硫化锌纳米颗粒(zns)。
78.将制备得到的zn
0.2
cd
0.8
s、cd(ac)2·
2h2o以及zn(ac)2·
2h2o进行光电流响应对比分析，三者的光电流响应对比图如图3所示；其电化学阻抗对比图如图4所示。
79.从图3中可以看出，硫化锌镉纳米颗粒的光电响应性能远超硫化锌纳米颗粒和硫化镉纳米颗粒近一个数量级，可以在光激发下产生更多的光电子；图4中可以看出硫化锌镉纳米颗粒的阻抗明显低于硫化锌纳米颗粒和硫化镉纳米颗粒，因此可以保证光生电子的有效传输。
80.(2)在无菌厌氧条件下，将卵形鼠孢菌(sporomusa ovataatcc 35899)以10％体积比接入除氧有机培养基中，于厌氧培养箱在30℃静置培养48h至od600＝0.25。
81.(3)称取0.0034g纳米颗粒溶入3ml除氧无菌水中，超声30min使光敏剂(硫化锌镉)充分分散，用注射器将其打入菌液中(最终菌液中光敏剂浓度为0.5mm)，在转速100rpm下黑暗培养8h使光敏剂与微生物充分复合。
82.(4)厌氧条件下8000rpm离心6min。离心后用除氧无菌超纯水清洗2次，保留沉淀物(硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系)，得到的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的扫描电镜图如图5所示。其tem图及eds图如图6所示，其中，(a)为硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的tem图，
(b)为硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的eds图，(c)为其中s元素分布图，(d)为其中cd元素分布图，(e)为其中zn元素分布图。
83.从图5中可以看出，卵形鼠孢菌表面均匀分布尺寸为20～50nm的超小球形纳米颗粒，杂化体系有效构建。
84.从图6(a)中可以看出，硫化锌镉纳米颗粒密集分布于卵形鼠孢菌的细胞表面；由图6(b)、图6(c)以及图6(d)可知，s元素、cd元素以及zn元素在卵形鼠孢菌的细胞上均匀分布。
85.(5)将沉淀物转接种到光合培养基中，添加1ml l-半胱氨酸(0.25％)作为空穴牺牲剂，在光照条件下进行光驱动固碳产乙酸，命名为zn
0.2
cd
0.8
s-bacterium组。
86.还设置了其他6组光驱动固碳产乙酸实验，包括：dark组，即不加光源，其他操作均相同；bacterium组，即不加硫化锌镉纳米颗粒，其他操作均相同；zn
0.2
cd
0.8
s组，即不加卵形鼠孢菌，其他操作均相同；inactivation组，即对硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系进行高温灭活处理，其他操作均相同；zns-bacterium组，即将硫化锌镉纳米颗粒替换为硫化锌纳米颗粒，其他操作均相同；cds-bacterium组，即将硫化锌镉纳米颗粒替换为硫化镉纳米颗粒，其他操作均相同。
87.以上7组光驱动固碳产乙酸性能对比图如图7所示。
88.从图7中可以看出，zn
0.2
cd
0.8
s-bacterium组的固碳性能相较于zns-bacterium组、cds-bacterium组有明显的提升；且其他4组对照组均为发现明显的固碳产乙酸。
89.其中，有机培养基的配方如表1所示；光合培养基的配方如表2所示。
90.表1有机培养基的配方
91.[0092][0093]
表2光合培养基的配方
[0094][0095]
实施例2
[0096]
不同空穴牺牲剂(l-半胱氨酸、硫代硫酸钠、亚硫酸钠以及硫化钠)在固碳过程的影响：
[0097]
(1)在500rpm磁力搅拌下，将8mmol cd(ac)2·
2h2o和2mmol zn(ac)2·
2h2o溶于70ml去离子水中，将10mmol na2s
·
9h2o溶于30ml去离子水中，采用微量注射泵将硫化钠溶液缓慢滴入锌镉混合液中，恒速搅拌2h，将得到的淡黄色液体转移到200ml石英内衬微型高压反应釜中，在160℃和300rpm下反应12h，泄压冷却后通过离心分离沉淀物并用去离子水和无水乙醇交替洗涤3次，在60℃下真空干燥10h，得到硫化锌镉纳米颗粒，命名为zn
0.2
cd
0.8
s。
[0098]
(2)在无菌厌氧条件下，将卵形鼠孢菌(sporomusa ovataatcc 35899)以10％体积比接入除氧有机培养基中，于厌氧培养箱在30℃静置培养48h至od600＝0.3。
[0099]
(3)称取0.0034g纳米颗粒溶入3ml除氧无菌水中，超声30min使光敏剂(硫化锌镉)充分分散，用注射器将其打入菌液中(最终菌液中光敏剂浓度为0.5mm)，在转速100rpm下黑暗培养8h使光敏剂与微生物充分复合。
[0100]
(4)厌氧条件下8000rpm离心6min。离心后用除氧无菌超纯水清洗2次，保留沉淀物(硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系)。
[0101]
(5)将沉淀物转接种到光合培养基中，添加1ml l-半胱氨酸(0.25％)(cys)作为空穴牺牲剂，在光照条件下进行光驱动固碳产乙酸，命名为l-半胱氨酸组(cys)。
[0102]
还设置了其他3组光驱动固碳产乙酸实验，包括：硫代硫酸钠组(na2s2o3)，即仅将
cys替换为na2s2o3，其他操作均相同；亚硫酸钠组(na2so3)，即仅将cys替换为na2so3，其他操作均相同，其他操作均相同；硫化钠组(na2s)，即仅将cys替换为na2s，其他操作均相同，其他操作均相同。
[0103]
以上4组光驱动固碳产乙酸性能对比图如图8所示。
[0104]
从图8中可以看出，l-半胱氨酸、硫代硫酸钠、亚硫酸钠和硫化钠均能作为空穴牺牲试剂，被硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系利用，从而实现光驱动固碳产乙酸。但是以l-半胱氨酸为空穴牺牲试剂的效果明显好于其他3组。
[0105]
其中，有机培养基的配方如表3所示；光合培养基的配方如表4所示。
[0106]
表3有机培养基的配方
[0107][0108][0109]
表4光合培养基的配方
[0110][0111]
实施例3
[0112]
不同浓度(0.2％、0.25％、0.3％以及0.4％)的空穴牺牲剂(l-半胱氨酸)在固碳过程的影响：
[0113]
(1)在500rpm磁力搅拌下，将8mmol cd(ac)2·
2h2o和2mmol zn(ac)2·
2h2o溶于70ml去离子水中，将10mmol na2s
·
9h2o溶于30ml去离子水中，采用微量注射泵将硫化钠溶液缓慢滴入锌镉混合液中，恒速搅拌2h，将得到的淡黄色液体转移到200ml石英内衬微型高压反应釜中，在160℃和300rpm下反应12h，泄压冷却后通过离心分离沉淀物并用去离子水和无水乙醇交替洗涤3次，在60℃下真空干燥10h，得到硫化锌镉纳米颗粒，命名为zn
0.2
cd
0.8
s。
[0114]
(2)在无菌厌氧条件下，将卵形鼠孢菌(sporomusa ovataatcc 35899)以10％体积比接入除氧有机培养基中，于厌氧培养箱在30℃静置培养48h至od600＝0.2。
[0115]
(3)称取0.0034g纳米颗粒溶入3ml除氧无菌水中，超声30min使光敏剂(硫化锌镉)充分分散，用注射器将其打入菌液中(最终菌液中光敏剂浓度为0.5mm)，在转速100rpm下黑暗培养8h使光敏剂与微生物充分复合。
[0116]
(4)厌氧条件下8000rpm离心6min。离心后用除氧无菌超纯水清洗2次，保留沉淀物(硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系)。
[0117]
(5)将沉淀物转接种到光合培养基中，添加1ml l-半胱氨酸(0.25％)(cys)作为空穴牺牲剂，在光照条件下进行光驱动固碳产乙酸，命名为0.25％cys组。
[0118]
还设置了其他3组光驱动固碳产乙酸实验，包括：0.2％cys组，即仅将0.25％cys替换为0.2％cys，其他操作均相同；0.3％cys组，即仅将0.25％cys替换为0.3％cys，其他操作均相同；0.4％cys组，即仅将0.25％cys替换为0.4％cys，其他操作均相同。
[0119]
以上4组光驱动固碳产乙酸性能对比图如图9所示。
[0120]
从图9中可以看出，在硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系中，随着空穴牺牲剂l-半胱氨酸的浓度增加，固碳性能先增强后减弱；其中，以0.25％cys浓度最佳。
[0121]
其中，有机培养基的配方如表5所示；光合培养基的配方如表6所示。
[0122]
表5有机培养基的配方
[0123][0124][0125]
表6光合培养基的配方
[0126][0127]
实施例4
[0128]
不同硫化锌镉纳米颗粒添加量(0.1mm、0.3mm、0.5mm以及0.7mm)在固碳过程的影响：
[0129]
(1)在500rpm磁力搅拌下，将8mmol cd(ac)2·
2h2o和2mmol zn(ac)2·
2h2o溶于
70ml去离子水中，将10mmol na2s
·
9h2o溶于30ml去离子水中，采用微量注射泵将硫化钠溶液缓慢滴入锌镉混合液中，恒速搅拌2h，将得到的淡黄色液体转移到200ml石英内衬微型高压反应釜中，在160℃和300rpm下反应12h，泄压冷却后通过离心分离沉淀物并用去离子水和无水乙醇交替洗涤3次，在60℃下真空干燥10h，得到硫化锌镉纳米颗粒，命名为zn
0.2
cd
0.8
s。
[0130]
(2)在无菌厌氧条件下，将卵形鼠孢菌(sporomusa ovataatcc 35899)以10％体积比接入除氧有机培养基中，于厌氧培养箱在30℃静置培养48h至od600＝0.25。
[0131]
(3)称取0.0034g纳米颗粒溶入3ml除氧无菌水中，超声30min使光敏剂(硫化锌镉)充分分散，用注射器将其打入菌液中(最终菌液中光敏剂浓度为0.5mm)，在转速100rpm下黑暗培养8h使光敏剂与微生物充分复合。
[0132]
(4)厌氧条件下8000rpm离心6min。离心后用除氧无菌超纯水清洗2次，保留沉淀物(硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系)。
[0133]
(5)将沉淀物转接种到光合培养基中，添加1ml l-半胱氨酸(0.25％)(cys)作为空穴牺牲剂，在光照条件下进行光驱动固碳产乙酸，命名为0.5mm zn
0.2
cd
0.8
s组。
[0134]
还设置了其他3组光驱动固碳产乙酸实验，包括：0.1mm zn
0.2
cd
0.8
s组，即仅将步骤(3)中0.0034g纳米颗粒替换为0.00068g纳米颗粒，其他操作均相同，使最终菌液中光敏剂浓度为0.1mm；0.3mm zn
0.2
cd
0.8
s组，即仅将步骤(3)中0.0034g纳米颗粒替换为0.002g纳米颗粒，其他操作均相同，使最终菌液中光敏剂浓度为0.3mm；0.7mm zn
0.2
cd
0.8
s组，即仅将步骤(3)中0.0034g纳米颗粒替换为0.0048g纳米颗粒，其他操作均相同，使最终菌液中光敏剂浓度为0.7mm。
[0135]
以上4组光驱动固碳产乙酸性能对比图如图10所示。
[0136]
从图10中可以看出，在硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系中，随着光敏剂硫化锌镉的浓度增加，固碳性能先增强后减弱，其中以0.5mm硫化锌镉浓度最佳。
[0137]
其中，有机培养基的配方如表7所示；光合培养基的配方如表8所示。
[0138]
表7有机培养基的配方
[0139]
for co2 reduction intoaceticacid》”中得到的pdi/pfp-热醋穆尔氏菌、“sangrak jin的《acetogenicbacteriautilize light-driven electrons as an energy source for autotrophic growth》”中得到的cds
–
产醇梭菌进行固碳性能比较。
[0146]
以上6组光驱动固碳产乙酸的酸量和量子产量如表9所示。
[0147]
表9不同杂化体系固碳性能比较
[0148][0149]
从表9中可以看出，本技术中的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的产乙酸酸量最大，量子产率也最高，固碳性能最强。除了硫化锌镉纳米颗粒具有较宽的带隙，拥有较强的氧化还原能力之外，推测卵形鼠孢菌在产乙酸的过程中起到了生物催化的作用，可以很容易地直接从周围环境中获得电子还原二氧化碳。使得最终得到的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系在细胞内高效催化其产生的光生电子，减少了光生电子传输过程的损耗，进一步强化了电子传递效率，保证了更高效电子吸收率、转化率、催化性和选择性，进而实现了相较于现有技术的固碳性能的突破。
[0150]
综上所述，本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。

技术特征：
1.一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，其特征在于，包括硫化锌镉纳米颗粒和卵形鼠孢菌；其中，所述硫化锌镉纳米颗粒分布于所述卵形鼠孢菌的细胞表面。2.一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的制备方法，其特征在于，包括步骤：s1，提供硫化锌镉纳米颗粒，所述硫化锌镉纳米颗粒粒径为20～30nm；s2，在卵形鼠孢菌菌液中加入所述硫化锌镉纳米颗粒复合培养，得所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系，其中，所述卵形鼠孢菌菌液的od
600
＝0.2～0.3。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述菌液中硫化锌镉的浓度为0.1～1.0mm。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述硫化锌镉纳米颗粒的获得方式为：将乙酸锌、乙酸镉以及硫化钠按照x：(1-x)：1的摩尔比在去离子水中混合，其中，x＝0.2～0.8；于140～180℃下加热，并保温10～12h，得所述硫化锌镉纳米颗粒。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述保温处理之后还包括第一离心处理、第一洗涤处理以及真空干燥处理，得所述硫化锌镉纳米颗粒；其中，所述真空干燥处理的温度为50～80℃，所述真空干燥处理的时长为10～15h。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述复合培养过程之后还包括对培养得到的混合液进行第二离心处理以及第二洗涤处理，得所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系；其中，所述第二离心处理的转速为5000～10000rpm，所述第二离心处理的时长为5～10min；所述第二洗涤处理为采用除氧灭菌水洗涤。7.一种基于如权利要求1所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系或如权利要求2～6任意一项所述的制备方法制备出的硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系的固碳方法，其特征在于，包括将所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系和空穴牺牲剂加入至光合培养基中，进行光照反应。8.根据权利要求7所述的固碳方法，其特征在于，所述空穴牺牲剂在总体系中的质量分数为0.01～0.06％；所述总体系由所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系、所述空穴牺牲剂以及所述光合培养基组成。9.根据权利要求8所述的固碳方法，其特征在于，所述空穴牺牲剂包括l-半胱氨酸、硫代硫酸钠、亚硫酸钠以及硫化钠中的一种或多种。10.根据权利要求7所述的固碳方法，其特征在于，所述光合培养基包括：7.6～8.4g/l的nacl，0.40～0.55g/l的kcl，0.3～0.5g/l的nh4cl，0.22～0.33g/l的mgso4·
7h2o，2.5～3.1g/l的na2hpo4·
12h2o，0.23～0.24g/l的kh2po4，2.3～2.5g/l的nahco3，0.8～1.3ml/l的微量元素溶液以及0.8～1.3ml/l维生素溶液；其中，所述微量元素溶液包括：0.08～0.12g/l的znso4·
7h2o，0.02～0.04g/l的mncl2·
4h2o，0.02～0.04g/l的h3bo3，0.15～0.25g/l的cocl2·
6h2o，0.01～0.02g/l的cucl2·
2h2o，0.01～0.03mg/l的nicl2·
6h2o，0.02～0.04g/l的na2moo4·
2h2o；所述维生素溶液包括：1.5～2.5mg/l的生物素，1.5～2.5mg/l的叶酸，9.0～11.0mg/l
的吡哆醇盐酸盐，4.5～5.5mg/l的硫胺素盐酸盐，4.5～5.5mg/l的核黄素，4.5～5.5mg/l的烟酸，4.5～5.5mg/l的d-(+)-泛酸钙，0.08～0.13mg/l的维生素b12，4.5～5.5mg/l的p-氨基苯甲酸，4.5～5.5mg/l的硫辛酸。

技术总结
本发明提供了一种硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系及其制备与固碳方法，包括硫化锌镉纳米颗粒和卵形鼠孢菌；其中，所述硫化锌镉纳米颗粒分布于所述卵形鼠孢菌的细胞表面。相比于现有技术，所述硫化锌镉/卵形鼠孢菌杂化体系在固碳过程中，有效降低了光生电子和空穴复合的情况，减轻了光腐蚀的危害，同时锌元素的引入一定程度上改善了光敏剂的生物毒性。光电子传递给卵形鼠孢菌作为还原力进行固碳，将二氧化碳转化为具有高利用价值的多碳产物乙酸，为改善全球变暖问题和高价值化学品的生产提供了环保的解决途径。环保的解决途径。环保的解决途径。


技术研发人员：石岩 李瑞杰 邓迪 陈健欣 张可菁 谭晓倩 李欣月 杨志辉 柴立元 林璋
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/9