半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。同时本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
半导体纳米材料在微生物光合作用中的应用


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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.)
[0006]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.)
[0007]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.)
[0008]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.)

技术实现思路

[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，本申请提供如下技术方案：
[0011]本专利技术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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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co
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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
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Ge
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O4:Cr、Zn
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Ga
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Ge2O
10
:Cr,Pr或Zn
2.94
Ga
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Ge2O
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: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、SrAl2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王杰，代文静，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：