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  隨著全球能源危機與氣候變化的雙重挑戰(zhàn)加劇，開發(fā)高效、可持續(xù)的碳中和技術成為科學界的核心議題之一。微藻（如小球藻）因其卓越的光合固碳能力、快速生物質積累特性及高附加值產物合成潛力，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，導致其規(guī)模化應用面臨經濟性與產能的雙重制約。

  近年來，納米材料憑借其獨特的光物理化學性質，可精準調控光合作用的關鍵步驟：通過拓寬光吸收光譜范圍增強光捕獲效率，通過介導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（GQDs）可通過π-π共軛結構與PSII反應中心色素分子耦合，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控活性氧（ROS）平衡，緩解光抑制效應。

  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)高性能光轉換材料以提高紅藍光吸收效率，或利用其他波長的光線促進生長，可能成為可行策略。本綜述總結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微藻生長，包括增加藍光和紅光的吸收、近紅外光的光譜轉化、紫外光的光譜轉化等來增強光能利用效率。

圖4：左圖：納米材料在提升微藻光合利用效率及代謝產物產量中的應用機制示意圖。(Yuan et al., 2023)右圖：在反應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微藻細胞的透射光光譜：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到對照組的 2.1倍、2.4倍和3.2倍，顯著改善了生物質品質。(Pereira et al., 2025)

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

圖7：葉綠素熒光成像圖（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)，測定微藻的葉綠素熒光參數(shù)和氣體交換參數(shù)，評價其光化學轉化效率和光合速率，對光合作用效率有更全面地評估。(Bernhardt et al., 2017)

  根據以上實驗研究表明，高光譜技術、葉綠素熒光技術能夠全面評估植物/微藻的光能利用效率、光合作用效率等，同時可以實現(xiàn)對納米材料的光學性質檢測，另外高光譜技術還可高通量篩選發(fā)射光譜與葉綠體吸收光譜相匹配的納米材料，為納米技術在農業(yè)領域、生物質能源領域的應用提供了強有力的工具。

  Fluortron多功能高光譜成像系統(tǒng)具有多激發(fā)光葉綠素熒光高光譜成像分析、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、實時性強、信息量豐富等特點，可對納米材料、微藻（小球藻）等進行全面的光譜解析。能夠實現(xiàn)微藻（如小球藻）濃度測量、材料的光學特征性質研究、反映材料對光合反應中心PSⅠ、PSⅡ的影響等目標，可結合葉綠素熒光技術，探索納米材料促進微藻（小球藻）光合作用機制。

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葉綠素熒光成像系統(tǒng)（左）、葉綠素熒光成像圖（右）。

其他藻類研究技術

• 藻類葉綠素熒光測量與監(jiān)測

自左至右依次為：AquaPen-P葉綠素熒光測量儀、AquaPen-C葉綠素熒光測量儀、Monitoring Pen水下藻類葉綠素熒光監(jiān)測儀、FL6000雙調制葉綠素熒光測量儀、AOM藻類熒光在線監(jiān)測系統(tǒng)

• 藻類葉綠素熒光成像與高光譜成像

自左至右依次為：FluorTron®多功能高光譜成像系統(tǒng)、Fluorcam多光譜/葉綠素熒光成像系統(tǒng)、微藻高光譜成像分析、藍藻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

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)生物反應器技術

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)生物反應器技術/定制化藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

參考文獻：

[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.