光催化-生物耦合反硝化脱氮系统及其原位构建方法技术方案

本发明专利技术公开了光催化

【技术实现步骤摘要】
光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统及其原位构建方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料与微生物技术交叉
，具体涉及光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统及其原位构建方法。

技术介绍

[0002]氮污染是导致水体富营养化的重要原因之一。因此废水深度脱氮是实现水环境质量改善的一项重要保障。目前，生物脱氮工艺被广泛用于废水处理，而反硝化过程是其中最主要的薄弱环节，部分微生物能在厌氧条件下利用有机物作为电子供体进行反硝化，即还原硝酸盐为氮气，但往往涉及到亚硝酸盐和一氧化氮、氧化亚氮等气态中间产物的形成。由于生活污水碳氮比较低，有机物相对不足往往会导致硝酸盐去除效率低以及还原不充分导致生成大量氧化亚氮(一种重要的温室气体)。因此通常需要额外添加有机物以及硫化物等作为电子供体以改善反硝化效果，但不仅会增加运行成本而且还会造成二次污染。与之相比，利用太阳能来驱动的光催化
‑
生物耦合反硝化技术日益受到关注。其中，一种重要的策略是将人工合成的无机半导体纳米材料直接固定在微生物细胞表面构成材料
‑
生物杂化体，半导体被激发后产生的光生电子直接被微生物利用还原硝酸盐。然而，由于半导体材料位于胞外而参与反硝化过程的酶主要位于胞内(包括细胞周质空间以及细胞质)，光电子需要穿过细胞膜到达胞内时酶才能被利用。因此，这类材料
‑
生物杂化体的光生电子利用效率普遍较低，制约了其运行效果。另外，在连续运行过程中这类人工合成的半导体材料会逐渐流失，导致系统的运行性能下降。因此，亟需开发更高效的光催化
‑
生物耦合系统，本专利技术由此而来。

技术实现思路

[0003]针对上述存在的技术问题至少之一，本专利技术目的是提供光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统及其原位构建方法。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]本专利技术的一个目的在于提供光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统，利用反硝化细菌细胞在胞内自合成光催化纳米材料来实现自组装构建反硝化细菌
‑
量子点复合体系，复合体系中的量子点经光照产生光生电子，促进反硝化进程。
[0006]本专利技术还有一个目的在于提供光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统的原位构建方法，本专利技术实施例的光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统的原位构建方法，包括以下步骤：
[0007](1)接种反硝化菌生长8
‑
12小时后，转接到新鲜培养基中扩增至生长平台期；
[0008](2)配制合成培养基装入厌氧反应器中，曝气除氧后进行高压蒸汽灭菌，灭菌温度为121℃，灭菌时间为30分钟；
[0009](3)以6000g的转速离心10分钟收集步骤(1)中的细菌细胞，转入步骤(2)准备的厌氧反应器中，同时加入0.25
‑
2mmol/L二价镉盐和亚硒酸盐；
[0010](4)配制反硝化培养基装入厌氧反应器中，高压蒸汽灭菌灭菌，温度为121℃，灭菌
时间为30分钟；
[0011](5)以6000g的转速离心10分钟收集步骤(3)中的细菌细胞加入步骤(4)准备的厌氧反应器中，外加光源辐照以进行光催化还原硝酸盐反应。
[0012]本专利技术利用反硝化菌细胞在胞内生物合成光催化纳米材料来实现自组装构建微生物
‑
无机量子点复合体系，并将其应用于光强化生物反硝化脱氮。光生电子增强了微生物代谢产氢过程的电子供给，弥补了碳源短缺导致的电子供体不足，复合体系中的量子点经光照产生光生电子促进了NADH的再生以及与反硝化相关的关键酶(硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶及氧化亚氮还原酶)的上调表达，进而促进反硝化进程，并显著提高了终产物氮气的生成速率和选择性。
[0013]本专利技术拓展了光催化生物杂化技术的应用领域，并为光强化废水生物处理开辟了一条极具前景的可持续发展方向。在光照下，杂化体胞内的量子点被激发产生的光生电子可以用于NAD+还原以及传递给胞内的反硝化相关酶。由于量子点和功能酶都位于细胞内，因此可实现两者之间高效的电子转移，与传统的胞外材料
‑
生物杂合体相比，显著提高了光电子利用效率；另外，生物合成的量子点不仅制备工艺简单、成本低而且具有优异的生物兼容性，因此确保了自组装形成的杂化体具有良好的活性。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的优点是：
[0015]本专利技术的光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统及其原位构建方法，
[0016]1、目前报导的具有反硝化功能的材料
‑
生物杂合体都是基于自养反硝化菌和人工合成的纳米材料构建，而本专利技术采用异养反硝化菌和生物合成纳米材料来自组装构建材料
‑
生物杂合体，具有操作简单和活性更高优点；
[0017]2、本专利技术通过调控量子点的合成条件(包括好厌氧、pH、前驱浓度等)在Pseudomonas aeruginos细胞周质空间及细胞质内自合成CdSe
x
S1‑
x
量子点，成功构建了光催化材料与反硝化反应关键酶在同一紧密空间内的材料
‑
生物杂合体，在光辐照条件下，材料
‑
生物杂合体在低碳氮比下的硝酸盐去除率比单独Pseudomonas aeruginos细胞提高了3.5倍。在本专利技术中，由于光催化材料在光照下产生的光电子无需经过跨膜传输便能到达反硝化关键反应酶活性中心，避免了因跨膜电子传递带来的能量损失，对比半导体材料在细胞外的混合体系，Pseudomonas aeruginos
‑
CdSe
x
S1‑
x
复合体系的硝酸盐去除率也提高了3.0倍。
[0018]3、本专利技术提出的杂化体，通过太阳能的引入来激发NADH的再生及反硝化关键酶的表达，进一步提高了终产物氮气的转化率，相比细胞组中硝酸盐还原的主要产物为氧化亚氮(59.9％)和氮气(42.3％)，复合体系产物中氮气的比例增加到了72.1％，氧化亚氮转化率下降至24.6％。
附图说明
[0019]下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：
[0020]图1、本专利技术实施例中(A)Pseudomonas aeruginosa
‑
CdSe
x
S1‑
x
复合体系的细胞切片HAADF
‑
TEM图；(B)提取的CdSe
x
S1‑
x
生物量子点HRTEM图；(C)能量色散X射线谱(EDX)显示CdSe
x
S1‑
x
生物量子点主要元素；(D)CdSe
x
S1‑
x
生物量子的X射线光电子能谱(XPS)；
[0021]图2、本专利技术实施例中提取的CdSe
x
S1‑
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，利用反硝化细菌细胞在胞内自合成光催化纳米材料来实现自组装构建反硝化细菌
‑
量子点复合体系，复合体系中的量子点经光照产生光生电子，促进反硝化进程。2.根据权利要求1所述的光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述的反硝化细菌为Pseudomonas aeruginosa，所述的量子点为CdSe
x
S1‑
x
量子点，所述的复合体系为Pseudomonas aeruginosa
‑
CdSe
x
S1‑
x
复合体系；CdSe
x
S1‑
x
量子点在Pseudomonas aeruginosa细胞的细胞周质空间及细胞质自合成Pseudomonas aeruginosa
‑
CdSe
x
S1‑
x
复合体系。3.一种光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)接种反硝化菌生长8
‑
12小时后，转接到新鲜培养基中扩增至生长平台期；(2)配制合成培养基装入厌氧反应器中，曝气除氧后进行高压蒸汽灭菌，灭菌温度为121℃，灭菌时间为30分钟；(3)以6000g的转速离心10分钟收集步骤(1)中的细菌细胞，转入步骤(2)准备的厌氧反应器中，同时加入0.25
‑
2mmol/L二价镉盐和亚硒酸盐；(4)配制反硝化培养基装入厌氧反应器中，高压蒸汽灭菌灭菌，温度为121℃，灭菌时间为30分钟；(5)以6000g的转速离心10分钟收集步骤(3)中的细菌细胞加入步骤(4)准备的厌氧反应器中，外加光源辐照以进行光催化还原硝酸盐反应。4.根据权利要求3所述的光催化
‑
生物耦合反硝化脱氮系统的原位构建方法，其特征在于，步骤(1)中，反硝化细菌菌株为Pseudomonas aeruginosa；接种培养基为30mL的LB培养基：10g/L氯化钠、10g/L蛋白胨和5g/L酵母提取物，以1％
‑
10％体积转接到200mL新鲜LB培养基，置于30
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文卫，崔硕，陈琳，柳后起，
申请(专利权)人：中国科学技术大学苏州高等研究院，
类型：发明
国别省市：