硫酸盐还原菌合成纳米硫化物的研究

The synthesis of nano-materials by microbiological methods has become a new direction which pocesses research potential and value in nano-materials preparation fields because of its simple method and friendly environment. This project will study several nanophase sulfide preparation by different species of sulfate-reducing bacteria and analysis influence factors and morphology and properties of the products using microbiological and material analysis methods. The distribution of nanophase sulfide in the cell and the mechanism and the way of nanophase sulfide synthsis by sulfate-reducing bacteria will also be studied through biochemical analysis method and means which can exploit a new thought for microbiological synthesis of nanomaterials. The luminescent mechanism and photocatalytic property will also studied through the experiments about luminescent and photocatalytic property detection and doping different ions. This project develops the species of nanomaterials synthesis by bacteria based on a new thought which will embody subject cross. Various nanophase sulfide which have certain morphology and quantity will be prepared by two strain of sulfate-reducing bacteria under certain condition. The mechanism and the way of nanophase sulfide synthsis by sulfate-reducing bacteria will be studied and breakthrough progress will be gained. Luminescent and photocatalytic property of the nanophase sulfide prepared will also be investigated. This study can lay a theoretical foundation for the study and application of nanomaterials synthesis by microorganism.

微生物法合成纳米材料由于其方法简单、环境友好等特点，成为纳米材料制备领域一个新型的极具研究潜力和价值的方向。本项目利用微生物学和材料科学的有关实验和分析方法，对不同种硫酸盐还原菌制备多种纳米硫化物进行研究，并对其影响因素和产物形态性能进行分析，同时利用生物化学的分析方法和手段对纳米硫化物在细胞内外的分布状况和硫酸盐还原菌生成纳米硫化物的机理和途径进行详细探讨，为微生物合成纳米材料的研究开拓新的思路，此外，还将通过纳米产物的光催化性能及光致发光特性检测和掺杂不同离子的试验对发光机理和光催化性能等进行应用研究。本项目基于一种新颖的、学科交叉的思路拓展了细菌合成纳米材料的种类，利用两株硫酸盐还原菌在一定条件下制备一定形态和量的多种纳米硫化物产物，探索硫酸盐还原菌生成纳米硫化物的机理和途径并取得突破性进展，了解所制备的纳米硫化物的发光机理和光催化性能，为微生物合成纳米材料的研究和应用奠定理论基础。

微生物法制备纳米材料具有反应过程简单、可以在常温常压下进行、整个合成过程可用微生物进行自我控制、对环境更为友好等特点，因此具有广阔的发展前景。本项目中硫酸盐还原菌利用硫酸盐作为能源进行新陈代谢，产生的S2-和铅、镉、锌三种离子结合会生成纳米PbS、CdS、ZnS，突破了单一菌种和产物的局限性。研究了pH值、温度、接种量条件对硫酸盐还原菌合成硫化物纳米产物的影响，分别用X射线衍射、能谱和高分辨率透射电镜对产物的形貌进行了分析。随着反应体系初始pH值由5增大至9，制得的纳米硫化铅由近球形逐渐转变为片状的颗粒，粒径由10-15 nm逐渐增大至15-30 nm，随着接种量的增大，制备的纳米PbS由球形变为颗粒状，粒径由5-10nm增至10-25nm，温度对产物没有明显的影响。不同条件下制备的CdS晶体具有相同的结构和形状，颗粒粒径随pH、温度的增加而增大，产物的粒径在5-10 nm之间。pH值为5-8时，制备的ZnS晶体均为近球形颗粒，粒径在5-8nm之间，但在pH9时，颗粒除了近球形外，还出现了一些不规则颗粒，粒径也变为5-15nm之间，而温度和接种量对产物影响不大。由于产品粒径较小，对其进行紫外和荧光光谱分析，结果显示纳米产品发生了量子尺寸效应，具有较好的发光性能，因此有着较好的应用前景，同时还可为处理重金属污染提供一定的科学参考。此外还研究了不同条件下菌体APS还原酶和亚硫酸盐还原酶活性的变化情况，得出金属在一定浓度范围内对酶活影响不大，最佳条件为pH7，酶活呈现先增大后降低的趋势。菌株亚细胞各组分金属离子含量测定结果表明，金属在细胞膜表面富集，含量最高。菌株的高分辨透射电镜照片和能谱图表明，在硫酸盐还原菌制备纳米硫化物的过程中，在菌体内部有纳米硫化物的生成，而且结合不同时间菌体合成动力学HRTEM表征发现，细胞吸收反应溶液中金属离子，在细胞内首先形成较小的基核，随着时间增加纳米硫化铅颗粒逐渐增大，而纳米硫化镉和硫化锌则始终维持较小的粒径，以上结果可以表明纳米硫化物是在细胞体内合成的，这一研究也为生物合成纳米硫化物奠定了理论基础和提供了一定的科学依据。