一种半人工光合系统及其构建方法和在制备氢气中的应用

本发明属于生物化学，具体涉及一种半人工光合系统及其构建方法和在制备氢气中的应用。

背景技术：

1、半人工光合系统是利用光催化材料与非光合微生物进行耦合制备特定产物。关于利用半导体材料进行氢气制备，现有技术大多是从光催化分解水角度制备氢气，关于构建生物杂化体制备氢气的研究较少，目前有学者采用cds通过与大肠杆菌结合构建半人工光合系统制备氢气；采用cds及au纳米簇与产乙酸乙醇菌(m.thermoacetica)结合来制备乙酸；即目前研究中构建半人工光合系统的材料大多数为有毒金属或者昂贵金属，例如cds、au纳米簇等。

2、但是其中构建生物杂化体制备氢气中使用的半导体材料大多数对生物自身存在毒性或者昂贵金属；如cds本身含有重金属铬，对生物具有毒性作用，而金纳米簇具有太高的合成成本；所以目前在构建半人工光合系统中存在以下缺点：一是半导体材料本身对微生物存在不利影响，二是光催化材料本身过于昂贵，不利用制备和扩大规模使用。并且大多数研究只能强化一种产物，不能做到同时强化两种产物的产率。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种半人工光合系统，旨在解决现有半人工光合系统存在合成成本高、安全性欠佳以及强化产品单一的问题。本发明还提供了该半人工光合系统的构建方法和在制备氢气中的应用。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，一种半人工光合系统，其包括但不限于光催化材料和细菌。

4、在某些具体实施方式中，所述光催化材料和生物细菌的质量比为1:(1-10)，所述光催化材料为但不限于磷化铟，所述生物细菌为但不限于非光合细菌。

5、在某些具体实施方式中，所述磷化铟的粒径为10-150nm。

6、在某些具体实施方式中，所述非光合细菌为但不限于醋酸菌，进一步的醋酸菌为但不限于木醋杆菌。

7、在某些具体实施方式中，所述磷化铟为经过修饰后的磷化铟，所述磷化铟的修饰步骤为：

8、取磷化铟置于去离子水中，超声使其悬浮，加入六水合氯化铁和单宁酸，加入tris缓冲液，静置，离心，去除上清液，收集沉淀，水洗，然后用乙醇洗涤并孵化，最后用去离子水洗涤，得到固体颗粒，即得修饰后的磷化铟。

9、在某些具体实施方式中，所述洗涤过程为：采用超声处理使颗粒悬浮在溶液中，然后再采用7500-9500rpm，3-6min使固体颗粒旋转下来，并去除上清液。

10、在某些具体实施方式中，所述磷化铟、六水合氯化铁、单宁酸的比例为5-50mg/ml:3-6mg/ml:30-50mg/ml。

11、在某些具体实施方式中，所述磷化铟通过如下制备方法获得：

12、s1)配置磷化铟储备液及edta储备液；

13、s11.氯化铟储备液：10-20g lncl3*4h2o溶于20-40ml 0.3-0.5mol/l盐酸中，转移至100ml容量瓶，用水稀释至刻度线，配置溶液浓度为0.4-0.6mol/l；

14、s12.edta储备液：将8-10gedta二钠盐溶于100ml水中，转移到250ml容量瓶中并用水稀释至刻度线；配置溶液浓度为0.05-0.15mol/l；

15、2)进行水热反应

16、s21.将10-20ml edta储备液与1.5-2.5ml的氯化铟储备液混合形成混合物；

17、s22.在搅拌下将3-6ml的naoh溶液加到混合物中，加热至该体系直至无色透明；

18、s23.加入0.2-0.3g的研磨红磷，并超声3-10分钟，混合物ph值为8.5-9.5；

19、s24.将混合物转移至50ml容量的高压反应釜中，将0.4-0.5g的kbh4加入到反应釜中，密封，在150-250℃加热10-30h，自然冷却室温，获得黑色产物；

20、s25.离心机6500-8500rpm离心收集沉淀，水洗3-6次，真空干燥箱50-70℃干燥6-10小时，得磷化铟。

21、在某些具体实施方式中，所述醋酸菌通过如下扩培方法获得：

22、1)配置培养基

23、配置1l培养基，其中包括1g nh4cl、0.33gkh2po4、0.45g k2hpo4、0.1g mgso4*7h2o、20ml微量元素、2gyeast extract(酵母膏、酵母提取物)、0.5mlna-resazurin solution(0.1％w/v)、10gnahco3、10gd-fructose、10ml维生素溶液、0.5gl-cysteine-hcl*h2o、0.5gna2s*9h2o；

24、2)细菌扩培

25、取培养的醋酸菌经5000rpm，4℃离心，在厌氧工作站内，将上清液倒出后，加入新鲜培养基完成扩培，得到醋酸菌。

26、一种根据前述半人工光合系统的构建方法，其包括但不限于混合沉降法、原位生成法和静电吸附法；

27、进一步的，所述混合沉降法包括如下步骤：

28、1)磷化铟制备与修饰以及醋酸菌的制备；

29、2)修饰后的磷化铟与加入细菌的培养基中摇床震荡，混匀，通过相互碰撞及多酚修饰的作用使得磷化铟与木醋杆菌进行结合。

30、一种根据前述的半人工光合系统在制备氢气中的应用。

31、优选地，前述的半人工光合系统在制备氢气中的应用方法为：将半人工光合系统置于厌氧发酵环境中，发酵底物为糖类；所述糖类为果糖但不限于果糖，所述半人工光合系统产物包括但不限于氢气及乙酸。

32、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

33、1)本发明所提供的半人工光合系统，通过选用磷化铟作为光催化材料，其本身无毒、生物相容性良好、性能稳定、简单易获得，可在可见光区域(400-600nm)受光激发，受光激发不会形成活性氧损伤生物细菌等优点；通过构建磷化铟耦合生物细菌的半人工光合系统，也具有无毒、经济性好、生物相容性好等特点，解决了生物杂化体领域光催化材料有毒性或价格昂贵的缺陷，并且效果明显；

34、2)本发明的半人工光合系统，醋酸菌(木醋杆酸)通过吸收来自磷化铟受光激发产生的电子从而驱动自身代谢，电子与细菌体内质子结合从而形成氢分子释放氢气，另外电子在生物细菌体内形成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，从而驱动生物体内乙酸代谢，形成乙酸，即该半人工光合系统在异养条件下，产氢气量和乙酸量都得到明显提升。

技术特征：

1.一种半人工光合系统，其特征在于，其包括光催化材料和生物细菌；所述光催化材料和生物细菌的质量比为1:(1-10)；所述光催化材料为但不限于磷化铟，所述生物细菌为非光合细菌。

2.根据权利要求1所述的半人工光合系统，其特征在于，所述磷化铟的粒径为10-150nm。

3.根据权利要求2所述的半人工光合系统，其特征在于，所述非光合细菌为但不限于木醋杆菌。

4.根据权利要求2所述的半人工光合系统，其特征在于，所述磷化铟为经过修饰后的磷化铟，所述磷化铟的修饰步骤为：

5.根据权利要求4所述的半人工光合系统，其特征在于，所述磷化铟、六水合氯化铁、单宁酸的比例为5-50mg/ml：3-6mg/ml：30-50mg/ml。

6.根据权利要求1所述的半人工光合系统，其特征在于，所述磷化铟的制备方法包括但不限于水热法，具体为：

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的半人工光合系统的构建方法，其特征在于，所述半人工光合系统的构建方法包括但不限于混合沉降、原位生成或静电吸附。

8.根据权利要7所述的半人工光合系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.一种根据权利要求1-7中任一项所述的半人工光合系统在制备氢气中的应用。

10.根据权利要求9所述的半人工光合系统在制备氢气中的应用，其特征在于，将半人工光合系统置于厌氧发酵环境中，发酵底物为糖类；所述糖类为果糖但不限于果糖，所述半人工光合系统产物包括但不限于氢气及乙酸。

技术总结
本发明公开了一种半人工光合系统，其包括光催化材料和生物细菌，所述光催化材料和生物细菌的质量比为1:(1‑10)；发明还公开了一种半人工光合系统的构建方法和在制备氢气中的应用。本发明所提供的半人工光合系统，通过构建磷化铟耦合生物细菌的半人工光合系统，其具有无毒、经济性好、生物相容性好等特点；解决了生物杂化体领域光催化材料有毒性或价格昂贵的缺陷等问题，在厌氧发酵中，产氢气量和乙酸量都得到明显提升，本发明可用于促进非光合生物自身代谢，增强代谢产物产率，推动生物能源合成领域发展。

技术研发人员：黄云,廖强,刘豪,朱恂,夏奡,朱贤青,张敬苗,程旻
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/11