專利名稱：一種利用混合電子供體提高非光合微生物固碳效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物固定CO2領(lǐng)域，涉及ー種在缺氧條件下提高非光合微生物固碳效率的方法。
背景技術(shù)：
CO2引發(fā)的“溫室效應(yīng)”所造成的氣候變暖是當(dāng)前全球面臨的重大環(huán)境問題。根據(jù)IPCC第4次評估報告指出在最近的ー個十年期(1995 2004年)，CO2當(dāng)量排放的增加速率(每年9. 2億噸CO2當(dāng)量)比前ー個十年期(197(Γ1994年)的排放速率(每年4. 3億噸CO2當(dāng)量)高得多。中國的“十二五規(guī)劃建議草案”顯示我國將CO2減排放在了相當(dāng)重要的位置上。而在2010年末舉行的坎昆會議上，中國承諾到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP) CO2排放將比2005年下降40%-45%。同時CO2又是地球上最豐富的碳資源，可將其轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源和能源。因此，CO2的固定在環(huán)境、能源、資源方面都具有重要的意義。當(dāng)前，在考慮如何減排CO2的前提下，研究CO2的回收與固定，既能有效減少環(huán)境中游離的C02，又能將其再生為資源，因此已引起世界各國的廣泛興趣。CO2的固定主要有物理法化學(xué)法和生物法，而大多數(shù)物理法和化學(xué)法都必須接和生物法來最終固定co2。生物法固定CO2主要是依靠植物和自養(yǎng)微生物，傳統(tǒng)上植物的光合作用較為重要也更為人所重視。但地球上存在各種各樣的環(huán)境，在植物不能生長的特殊環(huán)境和場合(如干旱貧瘠的沙漠土壤和エ業(yè)廢氣的捕集場合)，微生物所具有的環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來了，因此從整個生物圏的物質(zhì)流和能量流來看，微生物固定CO2意義重大。目前公認(rèn)具有較高固碳效率的微生物主要是光合微生物和化能自養(yǎng)細(xì)菌中的氫-氧化細(xì)菌。藻類等光合微生物由于在培養(yǎng)過程中，需要光照，以及其不耐熱和高濃度CO2的特性，限制了其實(shí)際應(yīng)用。而氫-氧化細(xì)菌雖然不用光照且生長范圍較為寬泛，但其在生長過程中必須提供以高濃度氫氣作為電子供體，因此普通環(huán)境條件難以符合其生長要求，同時在實(shí)際應(yīng)用中，供氫氣也存在嚴(yán)重的安全隱患。鑒于此，發(fā)掘不用光照與供氫的高效固碳微生物，對于實(shí)現(xiàn)普通環(huán)境條件下的微生物固碳(如土壤環(huán)境與吸收エ業(yè)排放CO2的大型生物反應(yīng)器中)具有重要意義。海洋在全球碳循環(huán)過程中有著重要地位，其毎年要吸收2. OGt (lGt=109t)人為排放的CO2，海洋中固碳微生物的研究也一直是全球相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)注的焦點(diǎn)。為此，我們從全球多個海域(包括全球四大洋，數(shù)十個國家和地區(qū))采集水土樣品，通過分離篩選已獲得了多個系列的不用光照與供氫的固碳微生物菌群。但是這些菌群固碳效率相比光合微生物較低，其主要原因在于這些菌群可利用的能源物質(zhì)種類有限、能源物質(zhì)量有限及能源物質(zhì)的可利用性有限，如果利用混合電子供體系統(tǒng)則可有效解決這些問題，將有利于顯著提高其固碳效率，進(jìn)ー步增強(qiáng)菌群在實(shí)際應(yīng)用中潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種缺氧條件下利用混合電子、供體提高非光合微生物固碳效率的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種缺氧條件下提高非光合微生物固碳效率的方法，包含如下步驟(I)配制培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基；然后在上述培養(yǎng)基中再加入微量兀素溶液；(2)配制電子供體濃縮液；(3)將步驟(2)中制得的電子供體濃縮液加入到步驟(I)中制得的含微量元素的培養(yǎng)液中；(4)向步驟(3)得到培養(yǎng)基中加入混合固碳菌種，在缺氧條件下培養(yǎng)。所述的步驟(I)中的培養(yǎng)基包含以下組分0· 5-1. Og/L KH2PO4U. 0-2. OgL K2HPO4, O. 1-0. 2g/L MgSO4· 7H20、10-30g/L NaCl、0· 001-0. 01g/L CaCl2,0. 0036mmol-0. 036mmol/L亞鐵鹽和(λ 0075-0. 075mol/L ΝΗ4+。所述的亞鐵離子來自FeSO4 · 7H20、FeSO4或FeCl2。所述的NH4+離子來自(NH4) 2S04 或 NH4Cl。所述的微量元素溶液包含I. 68mg/LNa2Mo04 · 2Η20、0· 4mg/LH3B03、I. Omg/LZnSO4 · 7Η20、1· 0mg/LMnS04 · 5Η20、7· 0mg/LCuS04 · 5Η20、1· 0mg/LCoCl2 · 6Η20 或 I. Omg/LNiSO4 · 7Η20中的ー種以上。所述的步驟(I)中，每升培養(yǎng)液中加入2ml微量元素溶液。所述的步驟(2)中電子供體選自MnSO4 ·5Η20、亞硝酸鹽、硫代硫酸鹽或硫化物中的一種或一種以上。所述的亞硝酸鹽選自NaNO2或KNO2 ；所述的硫代硫酸鹽選自Na2S2O3或K2S2O3。 所述的硫化物選自Na2S或K2S。所述的步驟(2)中，電子供體濃縮液中每種電子供體的濃度為80_200g/L。所述的步驟(3)中電子供體濃縮液的加入量為O. 01-10g/L MnSO4 · 5H20, l_15g/L亞硝酸鹽，l-15g/L硫代硫酸鹽或l_15g/L硫化物。所述的步驟(4)中混合固碳菌種來自海洋，選自專性/兼性自養(yǎng)微生物及異養(yǎng)微生物，選自海洋海水或海水沉積物的混合微生物菌群,該菌群主要由化能自養(yǎng)微生物組成，包括有鐵細(xì)菌、氫細(xì)菌、硫細(xì)菌、錳細(xì)菌或硝化細(xì)菌中的ー種以上。所述的步驟(4)中混合固碳菌種的加入量大于等于0. lmg/L,優(yōu)選0. l^Omg/L,以
碳含量計。所述的步驟(4)的缺氧條件為氣體中氧氣含量為0%，ニ氧化碳含量大于0%，ニ氧化碳含量優(yōu)選5-30%，進(jìn)ー步優(yōu)選ニ氧化碳的含量為20%。所述培養(yǎng)的時間為4-8天。本發(fā)明的有益效果在于·Μη504·5Η20、Ν&Ν02、ΚΝ02、Ν&25203 _Ν&23中的ー種以上制成電子供體濃縮液，可以有效促進(jìn)非光合固碳微生物的固碳效率；經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，使用混合電子供體培養(yǎng)非光合固碳微生物，其固碳效率是使用単一電子供體培養(yǎng)的數(shù)倍，如以NaNO2, Na2S2O3和Na2S組成的混合電子供體系統(tǒng)的效果是不加MnSO4 · 5H20、NaNO2, KNO2, K2S203、Na2S2O3^ K2S或Na2S中任ー種的效果的7179%，表明混合電子供體可有效對微生物的固碳效率進(jìn)行增效，從而實(shí)現(xiàn)對CO2的資源化。本發(fā)明還具有エ藝簡單、可操作性強(qiáng)和具有一定經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)ー步闡述本發(fā)明。實(shí)施例I(I)配制培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基培養(yǎng)基配方如下(g/L): KH2PO4 (1.0) ; K2HPO4 (2. O) ; MgSO4 · 7H20 (O. 2) ; NaCl (20)和CaCl2(O. 01) ； (NH4)2SO4(O. 038mol/L) ；FeS04 · 7H20(0. 0036mmol/L);在每升上述培養(yǎng)基中再加入2mL的微量元素溶液。微量元素溶液選自包含Na2MoO4·2Η20(1· 68) ;H3BO3(O. 4) ;ZnSO4 ·7Η20(1· O) ;MnSO4 ·5Η20(1. O) ; CuSO4 · 5Η20(7· O) ; CoCl2 · 6Η20(1. O)和 NiSO4 · 7Η20(1· O)，濃度以 mg/L 計；(2)分別單獨(dú)配制之后作為電子供體的NaNO2, Na2S2O3和Na2S的濃縮液，其濃度分別為 80mg/mL ；(3)選取步驟⑵得到的電子供體濃縮液中的幾種，按照10. 4g/L NaNO2, 10. 7g/LNa2S2O3和9. 8g/LNa2S的用量向步驟(I)得到的培養(yǎng)基中加入步驟(2)得到的電子供體濃縮液；(4)將篩選自多個海洋海水樣品且經(jīng)過半年的馴化培養(yǎng)的固碳微生物菌群接種于步驟(3)得到培養(yǎng)基中，其中混合固碳菌種的加入量為O. 64mg/L (以碳含量計)，并在缺氧條件下培養(yǎng)4天，其中，其中混合氣體由氮?dú)夂庭搜趸冀M成，其中氮?dú)猊搜趸?80:20，體積比。本實(shí)施例中的固碳微生物菌群具體是篩選自海洋海水或海水沉積物的混合微生物菌群，該菌群主要由化能自養(yǎng)微生物組成，主要包括有硫細(xì)菌等。實(shí)施例2(I)配制培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基配方如下(g/L) : KH2PO4 (I. O)
;K2HPO4 (2. O) ; MgSO4 · 7H20 (O. 2) ; NaCl (20)和 CaCl2 (O. 01) ； (NH4)2SO4 (O. 038mol/L)；FeSO4 · 7H20(0. 0036mmol/L)在每升上述培養(yǎng)基中再加入2mL的微量元素溶液。微量元素溶液選自包含Na2MoO4·2Η20(1· 68) ;H3BO3(O. 4) ;ZnSO4 ·7Η20(1· O) ;MnSO4 ·5Η20(1. O) ; CuSO4 · 5Η20(7· O) ; CoCl2 · 6Η20(1. O)和 NiSO4 · 7Η20(1· O)，濃度以 mg/L 計；(2)分別單獨(dú)配制之后作為電子供體的NaNO2, Na2S2O3和Na2S的濃縮液，其濃度分別為 160mg/mL ；(3)選取步驟⑵得到的電子供體濃縮液中的幾種，按照O. 01g/LMnSO4 · 5H20, 10. 4g/LNaN02, 10. 7g/L Na2S2O3 和 9. 8g/L Na2S 的用量向步驟(I)得到的培養(yǎng)基中加入步驟(2)得到的電子供體濃縮液。(4)將篩選自中國廈門、中國海南、中國上海、中國青島、澳大利亞、泰國普吉、日本仙臺、法國加萊、巴布亞新幾內(nèi)亞、南極和北極海水樣品的多個固碳微生物菌群接種于步驟
(3)得到培養(yǎng)基中，其中混合固碳菌種的加入量為O. 1-0. 2mg/L (以碳含量計)，并在缺氧條件下培養(yǎng)4天，其中混合氣體由氮?dú)夂庭搜趸冀M成，其中氮?dú)猊搜趸?80:20，體積比。本實(shí)施例中的細(xì)菌篩選自海洋海水或海水沉積物的混合微生物菌群，該菌群主要由化能自養(yǎng)微生物組成，化能自養(yǎng)微生物包括有氫細(xì)菌、硫細(xì)菌。實(shí)施例3
(I)配制培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基配方如下(g/L) IKH2PO4 (I. O) ;K2HPO4(2 O) ;MgSO4 ·7Η20(0· 2) ; NaCl (20)和 CaCl2 (O. 01) ;NH4CI (O. 019mol/L) ；FeCl2(0. 00144mmol/L);在姆升上述培養(yǎng)基中再加入2mL的微量元素溶液。微量元素溶液選自包含Na2MoO4 ·2Η20(I. 68) ;H3BO3(O. 4) ;ZnSO4 ·7Η20(1· O) ;MnSO4 ·5Η20(1· O) ;CuSO4 ·5Η20(7. O) ;CoCl2 ·6Η20(1· O);和 NiSO4 · 7Η20(1· O)，濃度以 mg/L 計。(2)分別單獨(dú)配制之后作為電子供體的，NaNO2, Na2S2O3和Na2S的濃縮液，其濃度為200mg/mL ；(3)選取步驟(2)得到的電子供體濃縮液中的幾種，按照5. Og/L NaNO2或者I. 7g/LNa2S2O3或者3. 3g/L Na2S中的任意一種的電子供體用量向步驟(I)得到的培養(yǎng)基中加入步驟(2)得到的電子供體濃縮液；(4)將篩選自多個海洋海水樣品且經(jīng)過半年多時間馴化培養(yǎng)的固碳微生物菌群接種于步驟(3)得到培養(yǎng)基中，其中混合固碳菌種的加入量為O. 19mg/L(以碳含量計)，并在缺 氧條件下培養(yǎng)4天，其中缺氧條件具體是混合氣體中由氮?dú)夂庭搜趸冀M成，其中氮?dú)猊搜趸?80:20，體積比。本實(shí)施例中的細(xì)菌篩選自海洋海水或海水沉積物的混合微生物菌群，該菌群主要由化能自養(yǎng)微生物組成，主要包括有硫細(xì)菌、硝化細(xì)菌等。實(shí)施例中，為研究混合電子供體對微生物的增效效果，取培養(yǎng)4天的樣品，測其培養(yǎng)液中總有機(jī)碳濃度，由于初始培養(yǎng)基總有機(jī)碳濃度為0，且在培養(yǎng)過程中微生物可以利用的碳源只有CO2這個無機(jī)碳源，所以培養(yǎng)基中増加了的總有機(jī)碳量都是來自于微生物將CO2固定所得。實(shí)施例I的結(jié)果表明，經(jīng)過混合電子供體培養(yǎng)的微生物其在4天內(nèi)固定的0)2量達(dá)到了 512. 57mg/L，而未使用混合電子供體培養(yǎng)的微生物同樣培養(yǎng)條件下固定CO2效率僅為7. 14mg/L，前者是后者的7179%。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過本發(fā)明的方法，微生物固定CO2效率大幅増加。實(shí)施例2的結(jié)果中，以公認(rèn)的最佳電子供體H2為對照，用混合電子供體培養(yǎng)4天后，來自十多個海域的不同微生物菌群，其固定CO2效率是使用H2培養(yǎng)時的385%。實(shí)施例3的結(jié)果中，按照5. Og/L NaNO2或者I. 7g/L Na2S2O3或者3. 3g/L Na2S中的任意一種的電子供體用量培養(yǎng)的微生物，比不加它們的直接培養(yǎng)的微生物的固定CO2效率要分別高出26%、44%和50%。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過本發(fā)明的方法，微生物固定CO2效率大幅増加。綜上可見，該方法エ藝簡單，可操作性強(qiáng)，而且對于來自全球4大洋十多個海域的微生物菌群均有效，說明該方法對于缺氧條件下微生物菌群固定CO2的增效效果具有普遍性，可有效利用于微生物固定CO2的過程中，從而實(shí)現(xiàn)對CO2的資源化。上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的掲示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高非光合微生物固碳效率的方法，其特征在于包含如下步驟 (O配制培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基；然后在上述培養(yǎng)基中再加入微量兀素溶液； (2)配制電子供體濃縮液； (3)將步驟(2)中制得的電子供體濃縮液加入到步驟(I)中制得的含微量元素的培養(yǎng)液中； (4)向步驟(3)得到培養(yǎng)基中加入混合固碳菌種，在缺氧條件下培養(yǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的步驟(I)中的培養(yǎng)基包含以下組分0· 5-1. Og/L KH2PO4U. 0-2. Og/L Κ2ΗΡ04、0· 1-0. 2g/L MgSO4 · 7Η20、10_30g/L NaCl,O.001-0. 01g/L CaCl2,0. 0036mmol-0. 036mmol/L 亞鐵離子和 0. 0075-0. 075mol/L N H:離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的亞鐵離子選自FeSO4· 7H20、FeSO4或 FeCl2 ； 或所述的銨鹽選自(NH4) 2S04或NH4Cl。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的微量元素溶液包含1.68mg/LNa2MoO4 · 2Η20、0· 4mg/LH3B03、I· 0mg/LZnS04 · 7Η20、1· 0mg/LMnS04 · 5Η20、7· Omg/LCuSO4 · 5Η20、1· 0mg/LCoCl2 · 6Η20 或 I. 0mg/LNiS04 · 7H20 中的一種以上； 或所述的步驟(I)中，每升培養(yǎng)液中加入2ml微量元素溶液； 或所述的步驟(2)中電子供體選自MnSO4 ·5Η20、亞硝酸鹽、硫代硫酸鹽或硫化物中的一種或一種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的亞硝酸鹽選自NaNO2或KNO2； 或所述的硫代硫酸鹽選自Na2S2O3或K2S2O3 ； 或所述的硫化物選自Na2S或K2S。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的步驟(2)中，電子供體濃縮液中每種電子供體的濃度為80-200g/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的步驟(3)中電子供體濃縮液的加入量為O. 01-10g/L MnSO4 ·5Η20，l_15g/L亞硝酸鹽，l_15g/L硫代硫酸鹽或l_15g/L硫化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的步驟(4)中混合固碳菌種選自專性/兼性自養(yǎng)微生物及異養(yǎng)微生物，進(jìn)一步選自海洋海水或海水沉積物的混合微生物菌群，該菌群主要由化能自養(yǎng)微生物組成，包括有鐵細(xì)菌、氫細(xì)菌、硫細(xì)菌、錳細(xì)菌或硝化細(xì)菌中的一種以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的步驟(4)中混合固碳菌種的加入量大于等于0. lmg/L,優(yōu)選0. l^Omg/L,以碳含量計。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的步驟(4)的缺氧條件為氣體中氧氣含量為0%, 二氧化碳含量大于0%, 二氧化碳含量優(yōu)選5-30%,進(jìn)一步優(yōu)選二氧化碳的含量為20% ； 或所述培養(yǎng)的時間為4-8天。
全文摘要
本發(fā)明涉及微生物固定CO2領(lǐng)域，涉及一種在缺氧條件下提高非光合微生物固碳效率的方法。其包含如下步驟(1)配制培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基；然后在上述培養(yǎng)基中再加入微量元素溶液；(2)配制電子供體濃縮液；(3)將步驟(2)中制得的電子供體濃縮液加入到步驟(1)中制得的含微量元素的培養(yǎng)液中；(4)向步驟(3)得到培養(yǎng)基中加入來自海洋的混合固碳菌種，在缺氧條件下培養(yǎng)。本發(fā)明提供的方法可有效促進(jìn)非光合固碳微生物的固碳效率；本發(fā)明還具有工藝簡單、可操作性強(qiáng)和具有一定經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C12N1/38GK102660492SQ20121014425
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者席雪飛, 張士萍, 李凡, 王磊, 胡佳俊, 胡煜, 陳金海 申請人:同濟(jì)大學(xué)