秋海棠启发的光子晶体慢光子效应增强藻类光合作用

以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications

英文原题：Begonia-inspired Slow Photon Effect of Photonic Crystal for Augmenting Algae Photosynthesis

通讯作者：顾忠泽，东南大学

作者：Xin Zhou (周鑫), Ying Zhang (张英), Haibo Ding (丁海波), Junlong Liao (廖俊龙), Qiwei Li(李奇维)

背景介绍

在热带雨林中生存着一种长有亮蓝色叶子的秋海棠植物，其基粒类囊体呈周期性排列的光子晶体结构。研究发现，这种特殊结构的类囊体显著增强了秋海棠对绿光和红光的吸收，使光合作用效率提高了5-10%。光子晶体是一种周期性有序排列的微结构材料，对光有特殊的调控作用，可以通过反射、散射和慢光子效应来调控光在介质中的传播和光与介质的相互作用。当入射光能量落在光子带隙的红边或者蓝边时,光子的群速度会大幅减慢，产生“慢光子效应”。慢光子效应延长了光与物质的相互作用时间，有利于大大提高光捕获效率。师法自然，以自然界中秋海棠的结构设计为灵感，利用光子晶体结构色材料来提高光能利用率将是一种有效可行地提高植物光合作用效率的方法。

文章亮点

近日，东南大学顾忠泽教授在ACS Nano上发表了利用光子晶体慢光子效应提高绿藻光合作用效率的研究。我们制备了角度无偏的光子晶体水凝胶（反射峰分别为430 nm和670 nm）并借助静电相互作用与绿藻植物蛋白核小球藻组装（如图1）。光子晶体的光子禁带红边分别与小球藻两个特征吸收峰匹配，由此产生的慢光子效应延长了入射光与光合色素的相互作用时间，诱导了光捕获蛋白的表达和光合色素的合成，因此提高了光能利用率。通过SEM、Zeta电位、ITC测试表征了组装体的形貌和组装机理。通过qPCR测试表征了光吸收相关基因的表达水平结合叶绿素荧光表征了光化学参数，确定了慢光子效应对光吸收的促进作用。通过氧电极和光合仪测试了光合放氧速率和固碳速率，证明慢光子效应使小球藻光合效率提高了200%。

图1. 光子晶体水凝胶提高光合作用效率和生物质产量

总结/展望

利用光子晶体的慢光子效应有效解决光合色素光能利用率低的问题，提高光合作用效率和生物质产量。该方法有效避免了人工天线色素方法所面临的光漂白问题和基因工程手段所面临的生物安全问题。

相关论文发表在ACS Nano上，东南大学博士后周鑫为文章的第一作者， 顾忠泽教授为通讯作者。

通讯作者信息：

顾忠泽 东南大学

顾忠泽，教授，博士生导师，“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者、教育部创新团队负责人、111引智计划负责人、美国医学与生物工程院会士、英国皇家化学会会士。现担任东南大学生物科学与医学工程学院院长、东南大学苏州医疗器械研究院院长。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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