杨氏梭菌一步法制备生物膜的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.1二氧化碳与环境问题

温室气体与气候变化是当前全球变化研究的核心问题之一。温室气体主要有水汽、CO2、CH4、N2O、O3、氯氟烃等。它们在大气中性质稳定，留存时间长，几乎吸收地面发出的所有长波辐射，并将其中的一部分再反射到地球表面，从而维持着地球表面温暖舒适的温度。温室效应主要是因为人类活动增加了温室气体的数量和品种，使本应返还给宇宙空间的热量下降，从而使地球变暖[1]。

CO2是引起温室效应的主要气体之一，同时也是一种潜在的碳资源。大气中的CO2主要是使用化石燃料等工业过程、生物物质燃烧及动物新陈代谢的产物。19世纪前大气中CO2的质量浓度保持在550mg/m3，2000年时达到了722.9mg/m3，2004年增至746.4mg/m3，，按此速度推算，预计到21世纪末，CO2的含量将翻倍。根据美国能源部的预测，在全球范围内必须减少60%的CO2排放才能真正防止气候变化[2-3]。

1.2固定二氧化碳的方法

1.2.1二氧化碳的物理吸附

1.2.1.1活性炭类物理吸附剂

活性炭是一种最常见的黑色大比表面孔性吸附剂，其主要成分为无定型碳，还有少量的氢、氧、氮、硫及灰分。不同的制备工艺和活化方法制得的活性炭的理化性质和表面化学性质都会有差异。决定活性炭吸附能力大小的主要是比表面大小、孔结构特点、表面性质和吸附质的吸附。Song和Yong等[4-5]研究了几种活性炭类吸附剂在高温下对CO2的吸附性能，表1为吸附剂的主要物理性质。

表1碳基吸附剂的主要物理性能[4-5]

由表可看出，对于不同种类的吸附剂，CO2的吸附量与活性炭的比表面积和总孔容成正比；而对于同一种吸附剂，吸附量与压力成正比，与温度成反比。

1.2.2　酶法固定二氧化碳

Parkinson等[6]于1984年提出了酶固定CO2的途径,以甲酸脱氢酶作催化剂将CO2还原为甲酸。Susumu等[7]以甲酸脱氢酶为催化剂,以甲基紫精或PQQ作为电子传递体,以饱和CO2磷酸缓冲溶液（pH=7)为电解液,-0.7～-0.9V(相比于SCE饱和甘汞电极)电极电势下将溶解的CO2转化成甲酸盐,转化率高达90%,甲酸脱氢酶在暗处的酶活力较为持久。在以甲醇脱氢酶为催化剂、以甲基紫精为电子传递体、以甲酸钠饱和磷酸盐溶液为电解液、电极电势为-0.7～-0.9V(相比于SCE饱和甘汞电极)的条件下,酶浓度低时生成甲醛;酶浓度高时,甲醛积累到一定程度生成甲醇;当PQQ代替甲基紫精作为电子中间体时只产生甲醇。在以上结果的基础上,以甲酸脱氢酶和甲醇脱氢酶共同作为催化剂,以PQQ作为电子中间体可将CO2还原成为甲醇。

姜忠义等[8]采用改进的溶胶-凝胶法固定多酶体系,以NADH为电子供体,在低温低压条件下将CO2还原成甲醇,通过改变反应物配比、催化剂用量及其它反应条件,摸索出较适宜的凝胶化条件为:37℃、pH=7.0,在此条件下甲醇产率达92.4%。

上述反应体系需加入昂贵的NADH电子供体,且不能连续反应。

崔俊儒等[9]发现含多酶体系的甲烷氧化细菌在温和条件下经过一系列反应能够将CO2还原成甲醇,CO2还原而成的甲醇在细胞外得以积累。在反应体系中加入甲烷作为底物时,产生的还原能量推动反应连续稳定进行。

1.2.3微生物法固定二氧化碳

随着基因工程的发展,固定CO2细菌和基因工程有了契合点。杜翠红[10]以沼泽红假单胞菌为受体菌株,以卡尔文循环中的关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶(RubisCO)的基因为目的基因,借助沼泽红假单胞菌/大肠杆菌穿梭载体,将目的基因转入受体菌株中,构建了一株固定CO2的基因工程菌。

研究人员在研究CO2还原产物的同时,发现CO2被固定后的某些产物还可以作为中间物质维持还原反应的循环进行。Ishizaki等[11]和Tanaka[12]利用AlcaligeneseutrophusATCC17697T固定CO2生产聚-3-羟基丁酸酯。辛嘉英[13]利用甲基弯菌IMV3011催化CO2生物转化生成甲醇,在细胞悬浮液中充入CO2反应一段时间后,在反应液中检测到甲醇。还发现细胞内贮存的聚-β-羟基丁酸分解后能够产生还原当量,通过改变培养基中氮和铜的起始浓度对PHB积累量进行调节,可提高甲基弯菌IMV3011还原CO2生成甲醇的能力。

1.3微生物固定二氧化碳的应用前景

微生物及酶固定CO2的研究取得了一些进展,目前有望实现大规模工业生产的是微藻类和氢细菌。微藻类在自身繁殖菌体时,可将CO2转化为生物柴油等液体燃料或者利用CO2生产有用物质,如:类脂和蛋白质等;氢细菌在固定CO2的同时还能积累大量胞内糖原。通过相应的酶作用可以将CO2还原为苹果酸和异柠檬酸、甲烷、甲醇、乙醇等。微生物固定CO2仍有一些瓶颈问题,如细胞生长速度慢、密度低,可用的菌种资源有限,催化氧化过程需要还原性辅酶参与。酶法固定CO2存在酶种类少、途径单一、转化效率低等缺点。微生物和酶固定CO2的机理也较复杂,还需要不断的探索。

微生物和酶固定CO2今后的研究方向主要是:(1)开发光生物反应器以满足微藻类生长所需的光强,实现CO2在温和条件下转化为有机碳;(2)通过基因工程构建固定CO2的高效菌株;(3)进一步研究微生物和酶固定CO2的机理,为CO2固定研究提供理论支持;(4)开发新的高效分离技术以分离还原产物;（5)同其它还原CO2的方式(如光催化和电化学还原等)结合,用于合成各种化学品及高分子材料。[14]

1.4生物电化学对二氧化碳的转化

1.4.1生物电化学的优势

在生物电化学系统中微生物作为电催化剂，催化合成能源物质或化学制品的过程也被称作微生物电合成（Microbialelectrosynthesis）[15,16].利用微生物催化电合成进行CO2固定的潜在优势[15,17-19]在于：（i）廉价易得的电子受体；（ii）减少日益增大的温室气体浓度；（iii）微生物电合成的能量效率是植物光合作用的100倍；（iv）与生物质作原料生产化学燃料相比，微生物电合成不需要大量的耕地、水.

1.4.2生物电化学系统

生物电化学系统（Bioelectrochemicalsystems,BESs）是利用吸附在任一个或两个电极上的微生物催化氧化反应（生物阳极）或（和）还原反应（生物阴极）的生物电化学反应器[20]，是一种能够实现从废水中回收能量的新兴技术[21-22]，近年来引起越来越多研究者们的兴趣.除了在废水处理方面的应用，BESs还广泛应用于重金属还原[23-26]、硝酸盐去除[27-29]、卤代烃脱氯[30]及燃料和有机物的合成.其中，BESs在合成能源物质方面的应用具有更重要的应用价值，尤其是利用BESs驱动微生物代谢，将温室气体CO2去除同时产生附加值更高的燃料或化学制品（如甲烷、乙酸等生产），正受到科研工作者们的强烈关注.

在外加电势下，微生物与电极之间可能存在直接或者间接的电子传递.当无外加电子媒介体如H2时，微生物可以从电极上直接得到电子或者通过自身分泌的电子媒介体间接得电子[31].

参考文献：

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[9]　崔俊儒,辛嘉英,牛建中,等.甲烷氧化细菌催化二氧化碳生物合成甲醇的研究[J].分子催化,2004,18(3):214-218.

[10]杜翠红.沼泽红假单胞菌RubisCO基因的克隆与表达及其固定二氧化碳特性的研究[D].大连:大连理工大学,2003.

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[13]　辛嘉英.甲基弯菌IMV3011细胞生物催化二氧化碳制甲醇[J].分子催化,2008,22(4):356-361.

[14]微生物及酶固定二氧化碳的研究进展彭艳丽,赵华章,杨亲正,宋　娟

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1本课题的主要研究内容

本课题主要研究的是微生物固定二氧化碳的研究，重要从微生物固定二氧化碳反应器构建、影响微生物固定二氧化碳工艺优化这两个方面进行研究，以期为微生物固定二氧化碳提供科学依据。

（1）首先构建微生物固定二氧化碳的反应器，并从反应器结构上考虑气体密闭、方便取样等。