CIRAS-3/Chlorolab2+]光子晶體慢光子效應(yīng)可以增強(qiáng)小球藻光合作用
植物光合作用被認(rèn)為是減少二氧化碳水平以實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)的一種有效措施。目前，研究人員致力于通過改善天線色素光捕獲、電子傳輸、暗反應(yīng)中的關(guān)鍵酶活性等來提高光合效率。光的吸收是光合作用的驅(qū)動(dòng)力和必要前提，通過材料工程或生物工程改善光捕獲是優(yōu)化光合作用的一種直接而有前途的方法。
在熱帶雨林中，有一種秋海棠（B.pavonina），葉片呈亮藍(lán)色，與普通植物不同，它的基粒類囊體呈周期性地光子晶體（PC）結(jié)構(gòu)排列（圖1）。這種特殊結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了光合色素對(duì)綠光的吸收，使光合量子產(chǎn)量比大多數(shù)植物高出5%?10%。PC是一種具有光子帶隙（PBG）的周期性有序微結(jié)構(gòu)材料，有助于操縱光與介質(zhì)的相互作用。在該P(yáng)BG的邊緣（紅帶邊緣和藍(lán)帶邊緣），光傳播速度將顯著降低。正是這種“慢光子效應(yīng)”增強(qiáng)了光合色素和入射光之間的相互作用時(shí)間，從而提高了光吸收和轉(zhuǎn)換效率。
圖1（a）秋海棠葉片 （b和c）葉片透射電鏡圖像（d）葉子的反射光譜
受秋海棠結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)，東南大學(xué)顧忠澤課題組將PC水凝膠材料與蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa，C.pyre）（一種真核綠藻植物）組裝在一起，并利用慢光子效應(yīng)和人工天線，將光合效率（氧氣釋放速率和碳固定速率）提高了200%。該方法消除了對(duì)復(fù)雜儀器和復(fù)雜技術(shù)手段的需求，避免了傳統(tǒng)方法不可避免的光漂白和生物安全問題。研究?jī)?nèi)容“Begonia-Inspired Slow Photon Effect of aPhotonic Crystal for Augmenting Algae Photosynthesis”發(fā)表在ACS Nano（IF=18.027）雜志上。
通過比較這三種不同波長(zhǎng)（藍(lán)光、紅光和綠光）PC水凝膠對(duì)C.pyre光合作用的影響，可以更清楚地了解慢光子效應(yīng)的作用和機(jī)制。作者使用英國(guó)Hansatech公司的Chlorolab2+（液相氧電極測(cè)定系統(tǒng)）和美國(guó)PP Systems公司的CIRAS-3（便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)）分別測(cè)定氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR），結(jié)果表明，Blue-PC/HACC/C. pyre and Red-PC/HACC/C. pyre的光合效率的顯著提高（圖3a，b，c，表1和圖4）。
圖2 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定藻類碳固定速率
圖3 （a）歸一化紫外?可見吸收光譜和反射光譜。（b和c）白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR）（d）不同光下PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）（e）不同PC/HACC/C. pyre的葉綠素?zé)晒鈪?shù)
為了闡明是PC材料的慢光子效應(yīng)提高了光合色素的捕光能力，作者在不同的單色光照射下測(cè)量了不同系統(tǒng)的OER（圖3d和圖4）。結(jié)果表明，PC材料大大提高了光合色素在相應(yīng)的慢光子帶內(nèi)的捕光能力，從而提高了光合活性。
表1 白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR）
同時(shí)，為了直接分析光合色素對(duì)光能的吸收和捕獲，作者使用英國(guó)Hansatech公司的Handy PEA植物效率分析儀對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定分析。如圖3e所示，Red-PC/HACC/C. pyre的光能吸收（ABS/RC）和捕獲（TRo/RC）性能明顯優(yōu)于Hy/HACC/C. pyre。隨后在電子傳遞鏈中的電子轉(zhuǎn)移（ETo/RC）和電子受體還原能力（REo/RC）也得到了相應(yīng)的改善。PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）由于捕獲和吸收能量的同步增加而略有增加。在相同條件下，不含C. pyre的Red-PC/HACC沒有有效值，說明是光能利用的提高促進(jìn)了光合性能的提高。由于的Handy PEA的光源是紅光，而Blue-PC和Green-PC在這種情況下不能工作，因此Blue-PC/HACC/C. pyre和Green-PC/HACC/C. pyre的結(jié)果與Hy/HACC/C. pyre相同。
圖4 白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）
另外，作者使用陽(yáng)離子共軛聚合物PFTP代替HACC，顯示出與上述結(jié)果一致的趨勢(shì)。
圖5（a和b）白光下不同PC/PFTP/C. pyre氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR）（c）Red-PC/PFTP/C. pyre的葉綠素?zé)晒鈪?shù)（d、e、f和g）不同光強(qiáng)下psbA, psaB, chlB, and rbcL相對(duì)表達(dá)量和ROS水平（h）生長(zhǎng)曲線（i）白光下PC/PFTP/C. pyre脂質(zhì)含量
綜上所述，在慢光子效應(yīng)和人工天線特性的協(xié)同影響下，蛋白核小球藻的光合效率提高了200%以上。本研究認(rèn)為，PC水凝膠的慢光子效應(yīng)可以用來克服光合色素的低效的光能利用，增強(qiáng)光合作用。
