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)明涉及微生物固定CO2領(lǐng)域，涉及一種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一個十年期(1995 2004年)，CO2當量排放的增加速率(每年9. 2億噸CO2當量)比前一個十年期(1970 1994年)的排放速率(每年4. 3 億噸CO2當量)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 (OTP)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CO2，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法和生物法，而大多數(shù)物理法和化學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工業(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，因此從整個生物圈的物質(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)細菌中的氫-氧化細菌。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，限制了其實際應(yīng)用。而氫-氧化細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，同時在實際應(yīng)用中，供氫氣也存在嚴重的安全隱患。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)境與吸收工業(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，其每年要吸收2. OGt (IGt = 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。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，進一步增強菌群在實際應(yīng)用中潛在的經(jīng)濟效益和社會效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種好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。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種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)基中加入來自海洋的混合固碳菌種，在好氧條件下培養(yǎng)。所述的步驟(I)中的培養(yǎng)基包含以下組分0. 5-1. Og/L KH2PO4' I. 0-2. Og/ L K2HPO4^O. 1-0. 2g/L MgSO4 7H20、10-30g/L NaCUO. 001-0. Olg/L CaCl2, 0. 0036mmol-0. 036mmol/L 亞鐵鹽和 0. 00375-0. 0375mol/L NH4+。所述的亞鐵鹽選自FeSO4 7H20、FeSO4 或 FeCl2 ；所述的銨鹽選自(NH4)2SO4或NH4Cl。所述的微量元素溶液包含I. 68mg/LNa2Mo04 2H20、0. 4mg/LH3B03、I. Omg/ LZnSO4 7H20、1. 0mg/LMnS04 5H20、7. 0mg/LCuS04 5H20、1. 0mg/LCoCl2 6H20 或 I. Omg/ LNiSO4 7H20中的一種以上。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 5H20、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⑵中，電子供體濃縮液中每種電子供體的濃度為80_200mg/mL。所述的步驟(3)中混合電子供體的用量為0. 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⑷中來自海洋的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，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, 包括有鐵細菌、氫細菌、硫細菌、錳細菌或硝化細菌中的一種以上。所述的步驟(4)的好氧條件為氣體中氧氣含量為5-25%，二氧化碳含量大于 0%，二氧化碳含量優(yōu)選5-30%，進一步優(yōu)選二氧化碳的含量為20%，培養(yǎng)時間為4-8天。本發(fā)明的有益效果在于將MnSO4 5H20、NaNO2、KNO2、Na2S2O3或Na2S中的一種以上制成混合電子供體系統(tǒng)， 可以有效促進非光合固碳微生物的固碳效率；經(jīng)實驗表明，使用混合電子供體培養(yǎng)非光合固碳微生物，其固碳效率是使用單一電子供體培養(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, K2S2O3^ Na2S2O3^ K2S或Na2S中任一種的效果的6424%，表明混合電子供體可有效對微生物的固碳效率進行增效，從而實現(xiàn)對CO2的資源化。本發(fā)明還具有工藝簡單、可操作性強和具有一定經(jīng)濟效益的優(yōu)點。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實施例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 (I. 0) ；K2HP04(2. 0) ；MgS04 *7H20(0. 2) ；NaCl (20)和 CaCl2(0. 01) ； (NH4)2S04(0 . 0 38mol/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 2H20 (I. 68) ； H3BO3 (0. 4) ； ZnSO4 7H20 (I. 0)； MnSO4 5H20(1. 0) ；CuSO4 5H20 (7. 0) ；CoCl2 6H20(1. 0)和 NiSO4 7H20(1. 0)，濃度以 mg/L 計；(2)分別單獨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4. 6g/L NaNO2, 5. Og/L Na2S2O3和12. 5g/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，并在好氧條件下培養(yǎng)4天，其中，其中混合氣體由空氣和二氧化碳組成，其中空氣二氧化碳=80 20，體積比。本實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,主要包括有硫細菌、硝化細菌等。實施例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. 0)； K2HPO4 (2.0) ；MgS04 7H20(0. 2) ；NaCl (20)和 CaCl2(O-Ol) ； (NH4) 2S04(0. 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 2H20 (I. 68) ； H3BO3 (0. 4) ； ZnSO4 7H20 (I. 0)； MnSO4 5H20(1. 0) ；CuSO4 5H20 (7. 0) ；CoCl2 6H20(1. 0)和 NiSO4 7H20(1. 0)，濃度以 mg/L 計；(2)分別單獨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(2)得到的電子供體濃縮液中的幾種，按照0. 01g/L MnSO4 5H20， 5. 0g/LNaN02，5. Og/L Na2S2O3和12. 5g/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，并在好氧條件下培養(yǎng)4天，其中混合氣體由空氣和二氧化碳組成，其中空氣二氧化碳=80 : 20,體積比。本實施例中的細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)微生物包括有氫細菌、硫細菌、硝化細菌。實施例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) =KH2PO4 (I. 0)； K2HPO4 (2. 0) ；MgS04 7H20(0. 2) ；NaCl (20)和 CaCl2(O-Ol) ；NH4C1 (0. 019mol/L)； FeCl2 (0. 00144mmol/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 2H20(1. 68) ；H3B03 (0. 4) ；ZnS04 7H20(1. 0) ；MnSO4 5H20(1. 0)； CuSO4 5H20(7. 0) ；CoCl2 6H20(1. 0) ；andNiS04 7H20(1. 0)，濃度以 mg/L 計。(2)分別單獨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2. 3g/ LNa2S2O3或者2g/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，并在好氧條件下培養(yǎng)4天，其中好氧條件具體是混合氣體中由空氣和二氧化碳組成，其中空氣二氧化碳=80 20，體積比。本實施例中的細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，主要包括有硫細菌、硝化細菌等。實施例中，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)液中總有機碳濃度，由于初始培養(yǎng)基總有機碳濃度為0，且在培養(yǎng)過程中微生物可以利用的碳源只有CO2這個無機碳源，所以培養(yǎng)基中增加了的總有機碳量都是來自于微生物將CO2 固定所得。實例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CO2量達到了 387. 51mg/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 5.94mg/L，前者比后者高了 6424%。實驗表明，經(jīng)過本發(fā)明的方法，微生物固定CO2效率大幅增加。實例2的結(jié)果中，以公認的最佳電子供體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380%。實例3的結(jié)果中，按照5. Og/L NaNO2或者2. 3g/L Na2S2O3或者2g/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效率要高出一倍。實驗表明， 經(jīng)過本發(fā)明的方法，微生物固定CO2效率大幅增加。綜上可見，該方法工藝簡單，可操作性強，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，從而實現(xiàn)對CO2的資源化。上述的對實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)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(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(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)基中加入來自海洋的混合固碳菌種，在好氧條件下培養(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. 0g/LKH2P04、l. 0-2. Og/L Κ2ΗΡ04、0· 1-0. 2g/L MgSO4 · 7Η20、10_30g/LNaCl、O.001-0. 01g/L CaCl2,0. 0036mmol-0. 036mmol/L 亞鐵鹽和 0. 00375-0. 0375mol/L NH:。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的亞鐵鹽選自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。
5.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，每升培養(yǎng)液中加入 2ml微量元素溶液。
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)中電子供體選自 MnSO4 · 5H20、亞硝酸鹽、硫代硫酸鹽或硫化物中的一種或一種以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于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。
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(2)中，電子供體濃縮液中每種電子供體的濃度為80-200mg/mL ；或所述的步驟(3)中混合電子供體的用量為0.01-10g/L MnSO4 ·5Η20，1-158/1亞硝酸鹽，l-15g/L硫代硫酸鹽或l_15g/L硫化物。
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)中來自海洋的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，選自海洋海水或海水沉積物的混合微生物菌群，該菌群由化能自養(yǎng)微生物組成，其中包括有鐵細菌、氫細菌、硫細菌、錳細菌或硝化細菌中的一種以上。
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)的好氧條件為氣體中氧氣含量為5-25%, 二氧化碳含量大于0%，二氧化碳含量優(yōu)選5-30%,進一步優(yōu)選二氧化碳的含量為20%，培養(yǎng)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，在好氧條件下培養(yǎng)。本發(fā)明提供的方法可有效促進非光合固碳微生物的固碳效率；本發(fā)明還具有工藝簡單、可操作性強和具有一定經(jīng)濟效益的優(yōu)點。
文檔編號C12N1/20GK102586138SQ20121001283
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者單伊娜, 席雪飛, 張士萍, 張艷楠, 王磊, 胡佳俊, 胡煜 申請人:同濟大學