納米材料促進(jìn)植物/微藻光合作用機(jī)制研究

-FluoTron多功能高光譜成像技術(shù)、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)

隨著全球能源危機(jī)與氣候變化的雙重挑戰(zhàn)加劇，開發(fā)高效、可持續(xù)的碳中和技術(shù)成為科學(xué)界的核心議題之一。微藻（如小球藻）因其光合固碳能力、快速生物質(zhì)積累特性及高附加值產(chǎn)物合成潛力，被視為生物能源開發(fā)與工業(yè)碳捕獲的理想載體。然而，傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)體系受限于光合作用效率的天然瓶頸——包括光能吸收范圍狹窄、光系統(tǒng)II（PSII）電子傳遞速率不足，以及卡爾文循環(huán)中Rubisco酶固碳活性低下等問題，導(dǎo)致其規(guī)模化應(yīng)用面臨經(jīng)濟(jì)性與產(chǎn)能的雙重制約。

近年來，納米材料憑借其光物理化學(xué)性質(zhì)，可精準(zhǔn)調(diào)控光合作用的關(guān)鍵步驟：通過拓寬光吸收光譜范圍增強(qiáng)光捕獲效率，通過介導(dǎo)電子傳遞鏈降低光系統(tǒng)間的能量損耗，通過仿生礦化策略優(yōu)化CO?傳遞與固定路徑。例如，石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）可通過π-π共軛結(jié)構(gòu)與PSII反應(yīng)中心色素分子耦合，加速光生電荷分離；金屬氧化物納米顆粒（如TiO?、CeO?）則可通過表面氧空位調(diào)控活性氧（ROS）平衡，緩解光抑制效應(yīng)。

光作為藻類利用能量的主要形式，是影響微藻生長的最重要因素之一。 光能通過光合系統(tǒng)中的光合色素（包括葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽蛋白）被吸收與傳遞。然而，這些色素對白光的吸收范圍最多僅覆蓋10%。作為主要光合色素，葉綠素a和b僅對藍(lán)光（450–480 nm）和紅光（605–700 nm）具有雙重吸收峰，為了太陽能利用率，開發(fā)高性能光轉(zhuǎn)換材料以提高紅藍(lán)光吸收效率，或利用其他波長的光線促進(jìn)生長，可能成為可行策略。本綜述總結(jié)了納米材料通過提高光合利用效率和去除活性氧的潛力來增強(qiáng)微藻生長，包括增加藍(lán)光和紅光的吸收、近紅外光的光譜轉(zhuǎn)化、紫外光的光譜轉(zhuǎn)化等來增強(qiáng)光能利用效率。

根據(jù)以上實(shí)驗研究表明，高光譜技術(shù)、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)能夠全面評估植物/微藻的光能利用效率、光合作用效率等，同時可以實(shí)現(xiàn)對納米材料的光學(xué)性質(zhì)檢測，另外高光譜技術(shù)還可高通量篩選發(fā)射光譜與葉綠體吸收光譜相匹配的納米材料，為納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、生物質(zhì)能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具。

Fluortron多功能高光譜成像系統(tǒng)具有多激發(fā)光葉綠素?zé)晒飧吖庾V成像分析、UV-MCF紫外光激發(fā)生物熒光高光譜成像分析、（反射光）高光譜成像分析等多重功能，同時具備非接觸、無損傷、實(shí)時性強(qiáng)、信息量豐富等特點(diǎn)，可對納米材料、微藻（小球藻）等進(jìn)行全面的光譜解析。能夠?qū)崿F(xiàn)微藻（如小球藻）濃度測量、材料的光學(xué)特征性質(zhì)研究、反映材料對光合反應(yīng)中心PSⅠ、PSⅡ的影響等目標(biāo)，可結(jié)合葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，探索納米材料促進(jìn)微藻（小球藻）光合作用機(jī)制。

其他藻類研究技術(shù)

l 藻類葉綠素?zé)晒鉁y量與監(jiān)測

l 藻類葉綠素?zé)晒獬上衽c高光譜成像

l FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)

l 藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測/光養(yǎng)生物反應(yīng)器技術(shù)

參考文獻(xiàn)：

[1]Yuan X ,Gao X ,Liu C , et al.Application of Nanomaterials in the Production of Biomolecules in Microalgae: A Review[J].Marine Drugs,2023,21(11):594-.

[2] Pereira F, Vicente A A, Vaz F, et al. Influence of plasmonic thin-film-coated photobioreactors on microalgal biomass composition[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2025.

[3] Li, W.; Wu, S.S.; Zhang, H.R.; Zhang, X.J.; Zhuang, J.L.; Hu, C.F.; Liu, Y.L. Enhanced biological photosynthetic efficiency using light-harvesting engineering with dual-emissive carbon dots.Adv. Funct. Mater.2018,28, 1804004.

[4] Bernhardt, J.R., Sunday, J.M., O’Connor, M.I., 2017. An empirical test of the temperature dependence of carrying capacity. bioRxiv, 210690.