金属氧化物纳米颗粒对植物光合作用影响机制的研究

摘要

自然界的光合作用作为地球上食物供应和碳基燃料等化学能源的最终来源，同时也是整个生态系统平衡和发展的关键。在能源短缺及粮食危机的当下，光合细胞作为一个微型光化学生物反应器以其微小精密的组织结构，快速高效的太阳能转化率而吸引着科学家。几十年来，他们致力于研究能够高效转化太阳能的人工材料，先后发展了无机半导体光催化材料，有机超分子光催化模拟系统，依赖于纳米技术的生物复合材料人工光合作用系统以及当前最新的植物纳米仿生技术等。这些技术对比于自然界的光合作用细胞各有优劣，继而促使对这些领域地不断地探索改进，推动了人工光合作用的发展。
　　为了得到高效的太阳能转化反应系统，并简单、直观的研究纳米颗粒对光合作用细胞器的影响机制，本文将不同植物来源的叶绿体材料进行重组，建立光合作用反应体系，同时检测体系的类囊体光合活性及基质中代谢产物糖含量的变化趋势。重组反应体系的研究表明植物叶绿体的光反应效率取决于叶绿体的类囊体光合活性的大小；植物叶绿体光反应和暗反应之间的物质交换不存在种间差异；并证实了在体外叶绿体基质几乎不再代谢产生糖这一结论的正确性。实验还发现，类囊体膜在体外以球状形态存在于溶液中，而非原来的片层结构。
　　此外，在构建的重组反应体系中加入巯基化的、具有光催化特性的γ-Fe2O3纳米颗粒水溶液，设定不同的浓度，并检测体系的光合作用活性。其结果显示，γ-Fe2O3纳米颗粒在一定浓度的条件下，对光合作用体系具有一定的积极效应。
　　为深入探索纳米颗粒对光合作用的影响机制，本文选取具有代表性的5种金属氧化物纳米颗粒，并与更为稳定的完整叶绿体悬浮液相互作用，测定叶绿体的光合活性和荧光效应参数，并采用扫描电镜、荧光显微镜进行表征。研究结果表明纳米颗粒在叶绿体表面大量富集；ZnO及CdS对其活性有明显的抑制效应，并随着浓度的增加其抑制效应越显著；γ- Fe2O3纳米颗粒可作为电子受体，表现出在低浓度条件下提高其活性，但随着浓度的增加逐渐显现为抑制效应。故而推测纳米颗粒的影响机制是影响电子传递过程。这为纳米材料在农业的应用上，包括纳米化肥，植物纳米仿生，可再生性高效生化探测器等的发展提供了参考，同时也为评估纳米材料对环境的潜在影响提供了理论依据。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 光合作用

1.2 人工光合作用系统

1.3 纳米技术的研究进展

1.4 研究目的、意义及内容

第2章 实验方案

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3 测试表征方法

第3章 重组光合作用反应体系

3.1 研究对象的选择

3.2 叶绿体的形态学观察

3.3 重组光合作用反应体系构建

3.4 基质蛋白分析

3.5 类囊体光反应活性分析

3.6 光合作用代谢产物-糖含量分析

3.7 小 结

第4章 纳米颗粒对植物光合作用的影响

4.1 引 言

4.2 γ- Fe2O3对光合作用的影响

4.3 纳米颗粒对光合作用的影响机制的研究

4.4 小 结

第5章 总结与展望

5.1 总 结

5.2 展 望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录