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  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）因其卓越的光合固碳能力、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)?；瘧?yīng)用面臨經(jīng)濟(jì)性與產(chǎn)能的雙重制約。

  近年來，納米材料憑借其獨(dú)特的光物理化學(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，為了太陽能利用率最大化，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。

圖4：左圖：納米材料在提升微藻光合利用效率及代謝產(chǎn)物產(chǎn)量中的應(yīng)用機(jī)制示意圖。(Yuan et al., 2023)右圖：在反應(yīng)器壁面直接涂覆了含有金（Au）、金-銀（Au−Ag）貴金屬納米顆粒的二氧化鈦（TiO?）薄膜，該材料可激發(fā)局域表面等離子體共振（LSPR）現(xiàn)象。兩種薄膜體系顯著改變了抵達(dá)微藻細(xì)胞的透射光光譜：Au/TiO?涂層在紅光區(qū)（最大吸收峰672 nm）表現(xiàn)出顯著光衰減；Au−Ag/TiO?涂層的最大吸收峰偏移至642 nm，且LSPR吸收帶更寬，經(jīng)18天培養(yǎng)后，Au/TiO?涂層組 的葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素積累量分別達(dá)到對照組的 2.1倍、2.4倍和3.2倍，顯著改善了生物質(zhì)品質(zhì)。(Pereira et al., 2025)

圖6：該研究通過制備具有雙發(fā)射特性的碳點(diǎn)（CDs）擴(kuò)展光吸收范圍，提高光能利用效率，成功增強(qiáng)了葉綠體和活體植物的光合作用效率。碳點(diǎn)通過吸收紫外光并轉(zhuǎn)化為葉綠體可利用的藍(lán)光和紅光，顯著提高了光能捕獲和轉(zhuǎn)化效率。(Li et al., 2018)

圖7：葉綠素?zé)晒獬上駡D（左）、四肩突四鞭藻（綠藻）的光合速率（中）、呼吸速率（右）隨溫度的變化。利用藻類高通量光合作用測量系統(tǒng)，測定微藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和氣體交換參數(shù)，評價(jià)其光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率和光合速率，對光合作用效率有更全面地評估。(Bernhardt et al., 2017)

  根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)具備非接觸、無損傷、實(shí)時(shí)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。

圖1：FluorTron®多功能高光譜成像分析系統(tǒng)（左）、UV-MCF光譜曲線（右）

圖2：RGB圖（左圖）、UV-MCF熒光成像圖（右圖）。從左至右依次為：Fb（439-460nm平均熒光值）、Fg（495-516nm平均熒光值）、Fr1（729-745nm平均熒光值）、Fr2（674-696nm平均熒光值）。

圖3：FluorCam1300葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（左）、葉綠素?zé)晒獬上駡D（右）。

其他藻類研究技術(shù)

• 藻類葉綠素?zé)晒鉁y量與監(jiān)測

自左至右依次為：AquaPen-P葉綠素?zé)晒鉁y量儀、AquaPen-C葉綠素?zé)晒鉁y量儀、Monitoring Pen水下藻類葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測儀、FL6000雙調(diào)制葉綠素?zé)晒鉁y量儀、AOM藻類熒光在線監(jiān)測系統(tǒng)

• 藻類葉綠素?zé)晒獬上衽c高光譜成像

自左至右依次為：FluorTron®多功能高光譜成像系統(tǒng)、Fluorcam多光譜/葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)、微藻高光譜成像分析、藍(lán)藻UV-MCF紫外光激發(fā)熒光光譜

• FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)

從左至右依次為：FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)、藻類異形胞光合生理與變化過程、重金屬脅迫對藻類/植物的影響

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

自左至右依次為：MC1000多通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)、FMT150藻類光養(yǎng)生物反應(yīng)器、ET-PSI大型藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)、光養(yǎng)生物反應(yīng)器技術(shù)/定制化藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

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-.

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