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

本发明专利技术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。通过本发明专利技术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。本发明专利技术克服了传统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。

A Method for Reducing Carbon Dioxide to Methane by Light-Driven Methanococcus Octopus

The invention discloses a method of photocurrent driving methane ococcus to reduce carbon dioxide to produce methane. The method deposits nano-semiconductor on the surface of Methanosarcina bacteria and passes into carbon dioxide. Methanosarcina bacteria reduces carbon dioxide to produce methane by photoelectrons under light conditions. Through the invention, the selective reduction of methane by CO2 can be realized with abundant and cheap light energy as driving force, and the process cost is significantly reduced. The invention overcomes the shortcomings of complex process, high energy consumption and poor product selectivity existing in the traditional CO2 reduction process for methane production, and has the advantages of simple process, low energy consumption and strong product selectivity. The relative simplicity of the system makes them easier to modify and improve in a modular way, so it can be widely applied.

【技术实现步骤摘要】
一种光驱动甲烷八叠球菌还原二氧化碳产甲烷的方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对传统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。本专利技术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。本专利技术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Methanosarcinabarkeri、Methanosarcinamazei、Methanosarcinafrisia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：*每升微量元素溶液SL-10中含有48～52mL2mol/LHCl，1.8～2.2gFeCl2·4H2O，0.18～0.22gZnCl2，0.08～0.12gMnCl2·4H2O，0.15～0.2gH3BO3，0.04～0.06gCoCl2·6H2O，5.8～6.2mgCuCl2·2H2O，70～75mgNiCl2·6H2O，100～110mgNa2MoO4·2H2O，余量为水；**每升亚硒酸盐溶液中含有0.48～0.52gNaOH，2.8～3.2mgNa2SeO3·5H2O，3.8～4.2mgNa2WO4·2H2O，余量为水；***每升维生素溶液中含有0.03～0.05g对氨基苯甲酸，0.008～0.012gD-生物素，0.008～0.012ga-硫辛酸，0.08～0.12gD-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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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。通过本专利技术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。本专利技术克服了传统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Methanosarcinabarkeri-CdS杂化体系产甲烷性能。图2是对本专利技术实施例中的Methanosarcinabarkeri-CdS杂化体系的表征。图2-A为Methanosarcinabarkeri的SEM图；图2-B为Methanosarcinabarkeri-CdS杂化体系的SEM图；图2-C为Methanosarcinabarkeri-CdS杂化体系的TEM图；图2-D、图2-E、图2-F分别为Methanosarcinabarkeri-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Methanosarcinabarkeri-CdS杂化体系中Cd元素及S元素的XPS谱图；图2-I为Methanosarcinabarkeri-CdS杂化体系的XRD谱图；图2-J为Methanosarcinabarkeri-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Methanosarcinabarkeri-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Methanosarcinabarkeri-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专利技术作进一步的说明。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本专利技术的范围。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。本专利技术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*每升微量元素溶液SL-10中含有HCl(2M)50mL，2gFeCl2·4H本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：将纳米半导体沉积于甲烷八叠球菌(Methanosarcina)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。

【技术特征摘要】
1.一种产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：将纳米半导体沉积于甲烷八叠球菌(Methanosarcina)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。2.一种产甲烷的方法，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/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。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述Methanosarcina菌为Methanosarcinabarkeri、Methanosarcinamazei、Methanosarcinafrisia中的至少一种。5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纳米半导体为CdS、CdSe、Bi2S3中的至少一种。6.根据权利要求2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0.5～5mmol/L。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离心的转速为3000～5000r/min，离心时间为5～30min。8.根据权利要求2所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：周顺桂，叶捷，俞景，
申请(专利权)人：福建农林大学，
类型：发明
国别省市：福建,35