【摘 要】
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光催化是解决当前能源短缺和环境污染问题最具前景的方法之一。光催化剂协同微生物混合光合系统是光催化领域的一个新兴方向,该混合系统能通过半导体光催化剂捕获太阳能并传递能量给微生物生产多碳化工产品。本论文选择石墨相氮化碳（g-C3N4）和Cd S作为光催化剂,选择既能异养又能自养生产生物塑料聚β-羟基丁酸酯（PHB）的真养产碱杆菌为微生物催化剂,构建了混合光合系统,并初步探究了光催化剂与微生物之间的相互
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光催化是解决当前能源短缺和环境污染问题最具前景的方法之一。光催化剂协同微生物混合光合系统是光催化领域的一个新兴方向,该混合系统能通过半导体光催化剂捕获太阳能并传递能量给微生物生产多碳化工产品。本论文选择石墨相氮化碳（g-C3N4）和Cd S作为光催化剂,选择既能异养又能自养生产生物塑料聚β-羟基丁酸酯（PHB）的真养产碱杆菌为微生物催化剂,构建了混合光合系统,并初步探究了光催化剂与微生物之间的相互作用机制。主要研究内容和结果如下:第一,通过将尿素焙烧合成g-C3N4,考察g-C3N4对真养产碱杆菌以果糖为底物异养生产PHB的影响。发现光驱动g-C3N4产生的还原当量可以促进PHB的生成。在没有牺牲剂的情况下,添加g-C3N4能将PHB产量增加到1.2倍,共同添加牺牲剂三乙醇胺和g-C3N4能将PHB产量增加到1.4倍,说明在该混合光合系统里牺牲剂的添加对于这一生物生产过程是有益的,但不是必须的。另外,还原型辅酶II/氧化型辅酶II（NADPH/NADP+）的比例的增加进一步说明g-C3N4对真养产碱杆菌的异养能量代谢具有积极影响。第二,通过比较g-C3N4在真养产碱杆菌的原始异养培养基和去除细胞的异养培养基中的光催化产氢性能,发现在去除细胞的培养基中含有过氧化氢降解酶可以抑制g-C3N4的H2O2中毒,提高其光催化产氢速率。因此研究g-C3N4-过氧化氢酶对真养产碱杆菌产PHB的影响,结果发现过氧化氢酶的添加不仅可以实现g-C3N4的光催化分解水产生H2和O2,提高其产氢速率,太阳能转化为氢能效率高达3.4%,而且可以在混合光合系统里将以果糖为底物异养生产PHB的量提高到1.8倍,将以CO2为底物自养生产PHB的量提高到2.2倍。第三,通过一步水热法合成高结晶度、合适形貌和结构的光催化性能优异的Cd S纳米棒（Cd S NR）,比较Cd S NR和商业购买的Cd S在光驱动下促进真养产碱杆菌异养生产PHB的量。发现在没有牺牲剂的情况下,具有高催化活性的Cd S NR促进真养产碱杆菌异养产PHB的量为商业购买Cd S的1.5倍,为不添加Cd S NR的2.1倍。说明光催化剂在与微生物结合之前通过合成过程的优化提高其光催化活性可以有效提高混合光合系统的化工品产量。第四,通过研究Cd S NR对真养产碱杆菌和鱼腥藻自养生长以及酿酒酵母和木葡糖酸醋杆菌异养生长的影响,发现Cd S NR的添加可以将真养产碱杆菌以CO2为底物自养生产PHB的量提高到1.7倍。细胞内NADPH/NADP+的比值显著升高同样可以确定Cd S NR对真养产碱杆菌的自养能量代谢具有积极影响。然而Cd S NR对鱼腥藻、酿酒酵母和木葡糖酸醋杆菌的生长产生抑制作用。说明光驱动Cd S NR对真养产碱杆菌的PHB产量的促进作用具有特异性。
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