張建平 張 川 張 千
(河北麥森鈦白粉有限公司，石家莊市納米氧化物工程技術(shù)研究中心)
(河北 石家莊 050000)
摘要：經(jīng)研究已證實納米TiO2不僅能明顯促進(jìn)植物對光能的吸收，促進(jìn)光能轉(zhuǎn)換為電能及活躍的化學(xué)能，還能促進(jìn)CO2的同化及氮代謝，從而大大提高光合作用效率。但其能量吸收、轉(zhuǎn)化和傳遞的機(jī)理尚不明朗。為此我們圍繞納米TiO2促進(jìn)光合作用能量吸收、分配及轉(zhuǎn)換中的若干問題進(jìn)行了研究，旨在為納米復(fù)合肥的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。主要涉及了不同濃度的銳鈦礦型納米TiO2對葉綠體膜光譜特性和光系統(tǒng)活性的影響、納米TiO2對PSⅡ內(nèi)部能量傳遞的影響、納米TiO2在生長期內(nèi)對葉綠素形成的促進(jìn)作用以及不同光照下納米TiO2對植物葉綠體光化學(xué)反應(yīng)的影響。
關(guān)鍵詞：納米 TiO2;光化學(xué)反應(yīng);光能吸收和傳遞;氧化性脅迫;葉綠體; PSⅡ。
1研究背景
1.1納米TiO2概述
納米氧化鈦(Nano-anatase TiO2，以下簡稱納米 TiO2)問世于20世紀(jì)80年代后期，由于其獨(dú)特的光學(xué)性能及電性能，在催化劑、抗紫外線吸收劑、氣敏傳感器件等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著納米二氧化鈦應(yīng)用的日益廣泛，人們開始關(guān)注納米二氧化鈦對農(nóng)作植物生長方面的促進(jìn)研究。
納米TiO2除了具有一般納米顆粒特有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)之外，還擁有較高的光催化活性、優(yōu)異的光電性能和氧化分解性。在傳統(tǒng)工藝上，納米TiO2作為一種常用的化工原料，因其卓越的顏色性能，被廣泛地用作顏料、涂料、油墨和紙張的增白劑，它同時也是重要的陶瓷、半導(dǎo)體催化材料。近年來納米TiO2因其粒徑很小、比表面積大、界面原子所占比例大而具有更為獨(dú)特的性能，在汽車工業(yè)、防曬化妝品、高級涂料、廢水處理、消毒殺菌、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生物醫(yī)藥方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。
1.2 主要研究內(nèi)容
1)研究了不同濃度的銳鈦礦型納米 TiO2對葉綠體膜光譜特性和光系統(tǒng)活性的影響。納米 TiO2在紫外光激發(fā)下發(fā)生電子躍遷產(chǎn)生電子空穴對，將電子捕獲其空穴具有還原作用，而將空穴捕獲其具有氧化作用。
2)通過紫外可見光譜、熒光光譜等手段研究了納米 TiO2對 PSⅡ內(nèi)部能量傳遞的影響。結(jié)果表明適當(dāng)?shù)蜐舛燃{米 TiO2處理引起 PSⅡ的微環(huán)境或構(gòu)象發(fā)生適宜的改變，對可見光吸收能力增強(qiáng);低濃度納米 TiO2處理對 PSⅡ蛋白質(zhì)內(nèi)部氨基酸之間的能量傳遞有促進(jìn)作用，加快酪氨酸殘基至葉綠素 a 之間的能量傳遞，提高 PSⅡ的光化學(xué)活性，進(jìn)而導(dǎo)致水的光解和氧氣釋放加快。
3)研究了不同光照下納米 TiO2對植物葉綠體光化學(xué)反應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在可見光與近紫外光照射下納米 TiO2處理的菠菜葉綠體，其電子傳遞速率、放氧速率、光合磷酸化速率都顯著增加。證實納米 TiO2不僅能在可見光下明顯促進(jìn)菠菜葉綠體的全鏈電子傳遞，PSⅡ光還原活性，放氧速度及光合磷酸化活性，同時進(jìn)入葉綠體內(nèi)的納米 TiO2吸收近紫外光后被激發(fā)出來的高能電子參與了光合電子傳遞鏈傳遞，使NADP+被還原成 NADPH，并偶聯(lián)磷酸化作用使電能轉(zhuǎn)變?yōu)?ATP。納米 TiO2失去電子后從水中奪取電子和形成質(zhì)子并使葉綠體內(nèi)氧氣釋放速率加快，促進(jìn)了水的光解。
2.實驗部分
2.1 材料處理和培養(yǎng)
供試材料為大葉菠菜品種。菠菜種子用2.5，5，10μm的納米TiO2溶液在10℃下浸泡48h(每24h更換1次溶液)，用無離子水浸種作對照。處理后的種子播于裝有相同營養(yǎng)液和土質(zhì)的花盆中，并置于晝20℃、夜15℃的智能人工氣候箱中培養(yǎng)25d左右。當(dāng)菠菜生長到4片葉時再用納米TiO2溶液進(jìn)行噴施處理(納米TiO2由河北麥森鈦白粉有限公司制備并提供)。圖1為所用銳鈦礦型納米TiO2的X射線衍射圖。
圖1 納米TiO2的X射線衍射圖
2.2 葉綠體制備：
葉片洗凈，去中脈，剪成小片，加搗碎勻漿液(內(nèi)含0.3mol/L的蔗糖溶液，0.01mol/L的KCl，0.05mol/L磷酸緩沖液，pH7.2)研磨，通過4層紗布過濾，濾液離心，200×g，90s，0℃;留上清液，再離心，1000×g，10min,0℃;留沉淀，懸浮在上述勻降液中，葉綠素含量調(diào)到200μg/ml左右。Arnon法測定葉綠素含量。
2.3 葉綠體吸收光譜的測定：
將葉綠體懸浮在含有0.4mol/L的蔗糖溶液，0.01mol/L NaCl溶液的 0.05mol/L磷酸緩沖液(pH7.6)中，葉綠素濃度為 20μg/ml。 然后與 0，2.5，5，10μmol/l的納米 TiO2一起保溫 5 min。用紫外分光光度計測定 350-750nm 的吸收光譜。
表1 在各種濃度的納米銳鈦礦型TiO2處理的菠菜葉綠體紫外光譜(μmol/L)
圖2 納米TiO2在各種濃度的吸收光譜的影響
2.4 熒光光譜的測定：
將制備好的葉綠體懸浮在與以上條件相同緩沖液中, 并使葉綠體與 0，2.5，5，10 μM 的納米 TiO2一起保溫 5 min,測定時葉綠素含量為 20 μg/ml。用 F4500 熒光分光光度計測定，激發(fā)波長為 440 nm和 480nm，觀察 600-750nm 之間的熒光發(fā)射。熒光激發(fā)光譜測試以 680 nm,720 nm 作為發(fā)射波長, 掃描范圍400-500，600-700 nm。
表2 在各種濃度的納米銳鈦礦型TiO2處理的菠菜葉綠體熒光光譜(μmol/L)
圖3 在各種濃度的納米銳鈦礦型TiO2處理的菠菜葉綠體熒光光譜(a.440nm激發(fā);b.480nm激發(fā))
2.5 光化學(xué)反應(yīng)活性的測定
PSⅡ反應(yīng)中心 D1/D2/Cytb559 復(fù)合物 DCPIP 光還原活性測定: 參照 Tang and Satoh 方法，照光前后測定 580 nm 光吸收。按 A=12.9 mmol/L·cm計算被還原的DCPIP 量，DCPIP 光還原活性單位以µmol DCPIP ·mg-1Chl·h-1表示。用氧電極測定 PSⅡ顆粒的放氧活性。測定重復(fù)3 次。
圖4 納米二氧化鈦對DCPIP還原速率的影響
3 結(jié)果與討論
3.1 不同濃度的納米TiO2對葉綠體膜吸收光譜的影響
從圖2中可以清楚地看到，葉綠體膜的吸收光譜在680nm和438nm處表現(xiàn)出葉綠素a(Chla)的特征吸收峰，652nm處的肩峰來自葉綠素b(Chlb)，450-480nm較寬的吸收峰包括Chlb和類胡蘿卜素的吸收峰，417nm處為細(xì)胞色素和去鎂葉綠素的吸收峰。從圖2看出，對照和納米TiO2處理的菠菜葉綠體膜的UV-Vis譜峰型基本相似，但吸收峰峰值明顯增大，且Chla的Soret帶與Q帶峰強(qiáng)比也明顯高于對照(見表1)，顯示葉綠體內(nèi)的色素對短波長的光能更易吸收，其中以5μM處理光能吸收最強(qiáng)。上述效應(yīng)可能與葉綠體內(nèi)色素的增加和葉綠體色素對納米TiO2敏化作用程度有關(guān)。
3.2 不同濃度的納米TiO2對葉綠體膜熒光光譜的影響
從圖3a、b中可以看出，無論是以440nm光激發(fā)，還是以480nm光激發(fā)，葉綠體膜在680nm處都有一較強(qiáng)的發(fā)射峰，但480nm光激發(fā)在720nm顯示一較弱的發(fā)生峰(室溫)。表明納米TiO2處理后大量被葉綠素b和胡蘿卜素吸收的光能迅速并高效地傳遞到PSⅡ作用中心色素葉綠素a后使其熒光產(chǎn)額顯著提高。熒光產(chǎn)額的提高可能是因納米TiO2處理后光合膜葉綠體色素的結(jié)合狀態(tài),特別是PSⅡ作用中心、捕光色素系統(tǒng)的葉綠素分子、CP43、CP47的結(jié)合狀態(tài)得到明顯改善,從而導(dǎo)致熒光發(fā)射峰強(qiáng)度的增加，葉綠體色素利用光能和轉(zhuǎn)化光能的效率得到明顯提高(可能使葉綠素a、葉綠素b和胡蘿卜素與P680結(jié)合得更加緊密，能高效迅速傳遞激發(fā)能)。
3.3 納米TiO2對菠菜葉綠體活性和全鏈電子傳遞速率的影響
納米TiO2和體相TiO2處理促進(jìn)葉綠體光化學(xué)反應(yīng)的作用部位主要在PSⅡ上，且還原側(cè)高于氧化側(cè)。證明納米TiO2和體相TiO2對PSⅡ的活化程度大大高于PSⅠ。并再次證明近紫外光下進(jìn)入葉綠體內(nèi)的TiO2吸收光能被激發(fā)所釋放出的電子可在光合電子傳遞鏈上，尤其是在PSⅡ還原側(cè)和氧化側(cè)之間進(jìn)行傳遞。
納米TiO2在可見光和近紫外光照射下可以大大提高菠菜葉綠體全鏈電子傳遞的速率，而體相TiO2效果不如納米TiO2顯著。這是因為納米TiO2(5nm)其顆粒尺寸比體相TiO2小得多，更易進(jìn)入菠菜細(xì)胞。另外納米TiO2總表面積大，光吸收效率高，導(dǎo)致被紫外光激發(fā)產(chǎn)生高能電子的數(shù)量也就相應(yīng)增加，從而表現(xiàn)出比體相TiO2更高的傳遞速率。
4.結(jié)論和展望
適當(dāng)?shù)蜐舛燃{米TiO2處理引起PSⅡ的微環(huán)境或構(gòu)象發(fā)生適宜的改變，對可見光吸收能力增強(qiáng);低濃度納米TiO2處理對PSⅡ蛋白質(zhì)內(nèi)部氨基酸之間的能量傳遞有促進(jìn)作用，加快酪氨酸殘基至葉綠素a之間的能量傳遞，提高PSⅡ的光化學(xué)活性，進(jìn)而導(dǎo)致水的光解和氧氣釋放加快。納米TiO2的光催化特性能明顯增強(qiáng)菠菜的光合效應(yīng)。
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