一种产氢的氧缺陷二氧化钛与大肠杆菌生物复合系统的制备技术方案

本发明专利技术提出了用于产氢的氧缺陷二氧化钛

【技术实现步骤摘要】
一种产氢的氧缺陷二氧化钛与大肠杆菌生物复合系统的制备


[0001]本专利技术属于生物制氢领域；用于产氢的氧缺陷二氧化钛与大肠杆菌生物复合系统 (TiO2‑
x
@E.Coli)主要涉及以下步骤：氧缺陷二氧化钛(TiO2‑
x
)纳米材料的制备和表征、 TiO2‑
x
@E.Coli生物复合系统的制备与表征和复合系统产氢性能的探究。

技术介绍

[0002]由于能源的枯竭和化石燃料燃烧导致的环境问题，人们需要利用可再生的、生态友好的太阳能。太阳能驱动产生的氢能为解决有限化石燃料短缺的问题提供了一种理想的策略，因此受到了极大的关注。近年来，由无机半导体优良的光吸收效率和高产氢微生物组成的生物复合系统引起了人们的极大关注。通常，光合作用生物复合系统(PBSS)包括基于酶的(无细胞的)和基于全细胞的两种形式。无细胞的PBSS对酶的纯化要求很高，且纯化酶操作复杂，成本高。而全细胞PBSS是表达氢酶的全细胞作为生物催化剂的新方法，由于其制备简单、稳定性高，与纯氢酶生物复合系统相比具有明显的优势。
[0003]在全细胞PBSS的原型中，几种纳米颗粒
‑
细胞生物复合材料被设计用于实现无机材料和活细胞之间的电子传递。其中非光合作用的热醋酸菌被生物沉淀的硫化镉自光敏化，并在光下促进醋酸的产生。随后，将镉与不同的细菌物种整合，包括大肠杆菌、沼泽红假单胞菌、脱氮硫杆菌，用于将太阳能转化为化学物质。此外，还成功地证明了AglnS2/In2S3、 InP和CdS@ZnS与微生物的整合。尽管取得了这些有希望的进展，但PBSS仍处于早期发展阶段，对生物和非生物界面上的电子传递机制和界面效应知之甚少。在这项研究中，我们通过在二氧化钛的导带下引入缺陷带，来实现可见光吸收以及电荷分离效率的提高。并将氧缺陷TiO2‑
x
纳米颗粒和兼性厌氧细菌大肠杆菌(E.Coli)结合起来，用于生物制氢。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的是TiO2具有较大的禁带宽度，仅能吸收太阳光中小于5％的紫外光，导致TiO2@E.Coli生物复合系统产氢效率较低的问题。通过本方法能够大量生产出氧缺陷 TiO2‑
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纳米颗粒，来实现可见光吸收以及电荷分离效率的提高。其次，本方法使用PEI修饰了TiO2‑
x
纳米颗粒，使TiO2‑
x
纳米粒子由负电变成了正电，这样其可以与表面带负电的大肠杆菌通过静电相互作用结合。这样可以显著提高TiO2‑
x
@E.Coli生物复合系统的产氢效率。
[0005]为解决上述问题，本专利技术用于产氢的氧缺陷二氧化钛
‑
大肠杆菌(TiO2‑
x
@E.Coli)生物复合系统的制备，主要涉及：氧缺陷二氧化钛(TiO2‑
x
)纳米材料的制备和表征、TiO2‑
x
@E.Coli生物复合系统的制备与表征和复合系统产氢性能的探究。具体是按下述步骤进行的：
[0006]步骤一、将1.0g TiO
2 NPs与1.0g的NaBH4共同研磨30min，在管式炉中氮气的保护下以10℃/min的升温速率升温至300℃，保持90min；
[0007]步骤二、将上述材料冷却至室温后用水和乙醇去除未反应的NaBH4，于50℃真空干
燥，得到氧缺陷TiO2‑
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NPs；
[0008]步骤三、用聚乙烯亚胺(PEI)修饰氧缺陷TiO2‑
x
NPs，在磁力搅拌器上混合均匀，离心清洗后，使用Zeta电位测定TiO2‑
x
NPs的电性；
[0009]步骤四、配置大肠杆菌生长所需的LB培养液，调节PH至7.3
‑
7.4，将配置好的LB 培养液放在高压蒸汽灭菌锅中灭菌(121℃20min)；
[0010]步骤五、待灭菌的培养液静置室温后，在超净台中接种细菌，将接种好的细菌培养液放置在摇床(37℃100rpm)中培养；
[0011]步骤六、使用紫外
‑
可见吸收光谱测定细菌的OD600，当细菌培养液的OD600值为 0.5时，加入200ug/ml经过PEI修饰过的氧缺陷TiO2‑
x
NPs，培养2
‑
4小时使氧缺陷TiO2‑
x NPs和细菌结合；
[0012]步骤七、将上述培养液离心(3000r min
‑110min)，将沉淀转入厌氧瓶中，加入灭菌过的新鲜培养液(0.5g酵母浸膏、1g
‑
1.5g蛋白胨、1g
‑
1.2g氯化钠、100ml去离子水、葡萄糖)放入摇床中过夜培养，使细菌适应厌氧环境；
[0013]步骤八、将上述厌氧培养后的细菌离心(3000r min
‑110min)，放入100ml的厌氧反应器中，加入新的灭菌过的培养液(0.5g酵母浸膏、1g
‑
1.5g蛋白胨、1g
‑
1.2g氯化钠、100ml 去离子水、12.1mg半胱氨酸、葡萄糖、甲基紫精)；
[0014]步骤九、开始测定TiO2‑
x
@E.Coli生物复合系统的产氢量，从第0小时开始测定，一共测定3个小时。
[0015]本专利技术通过简单且环境友好的方法合成的氧缺陷TiO2‑
x
NPs，其具有较高的光活性、光化学稳定性、能显著提高可见光吸收以及电荷分离效率。
[0016]本专利技术中氧缺陷TiO2‑
x
NPs经过PEI修饰后表现出正电性，能够与表面带负电的大肠杆菌通过静电相互作用结合在一起。
[0017]本专利技术优化了氧缺陷TiO2‑
x NPs的添加量，得出最佳的氧缺陷TiO2‑
x NPs浓度是 200ug/ml。
[0018]本专利技术中该TiO2‑
x
@E.Coli生物复合体系在可见光(780nm>λ>420nm)照射下三小时产氢量能够达到1.25mmol，是TiO2@E.Coli生物复合系统产氢量的1.31倍，是纯大肠杆菌产氢量的3.13倍，显著提高了产氢效率。
附图说明
[0019]图1是TiO2‑
x
NPs的TEM图。
[0020]图2是TiO
2 NPs和TiO2‑
x
NPs的UV
‑
Vis图谱。
[0021]图3是TiO2NPs和TiO2‑
x
NPs的PL图谱。
[0022]图4是将不同浓度TiO2‑
x
NPs加入细菌培养液后不同时间段的OD600值。
[0023]图5是TiO2‑
x
@E.Coli生物复合系统、TiO2@E.Coli生物复合系统和纯细菌产氢量的对比图。
具体实施方式
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于产氢的氧缺陷二氧化钛纳米粒子和大肠杆菌生物复合系统(TiO2‑
x
@E.Coli)的制备，其特征在于制备和检测方法是按下述步骤进行的：步骤一、配置大肠杆菌生长所需的LB培养液，调节PH至7.3
‑
7.4，将配置好的LB培养液放在高压蒸汽灭菌锅中灭菌(121℃20min)；步骤二、待灭菌的培养液静置室温后，在超净台中接种细菌，将接种好的细菌培养液放置在摇床(37℃100rpm)中培养；步骤三、使用紫外
‑
可见吸收光谱测定细菌的OD600，当细菌培养液的OD600值为0.5时，加入200ug/ml经过聚乙烯亚胺(PEI)修饰过的氧缺陷二氧化钛纳米粒子，培养2
‑
4小时使氧缺陷二氧化钛纳米粒子和细菌结合；步骤四、将上述培养液离心(3000r min
‑110min)，将沉淀转入厌氧瓶中，加入灭菌过的新鲜培养液(0.5g酵母浸膏、1g
‑
1.5g蛋白胨、1g
‑
1.2g氯化钠、100ml去离子水、葡萄糖)放入摇床中过夜培养，使细菌适应厌氧环境；步骤五、将上述厌氧培养后的细菌离心(3000r min
‑110min)后，放入100ml的厌氧反应器中，加入新的灭菌过的培养液中(0.5g酵母浸膏、1g
‑
1.5g蛋白胨、1g
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1.2g氯化钠、100ml去离子水、12.1mg半胱氨酸、葡萄糖、甲基紫精)；步骤六、开始测定TiO2‑
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@E.Coli生物复合系统的产氢量，从第0小时开始测定，一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丹青，吕星星，高雅，李跃，陈睿，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：