變廢為寶，新型碳基納米材料助力農(nóng)業(yè)應(yīng)用

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員高翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)教授楊琛團(tuán)隊(duì)，在《通訊-材料》上發(fā)表最新研究成果，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種以農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)為原料合成的碳基納米材料——碳量子點(diǎn)（CDs），并將其用于增強(qiáng)植物的光合作用中。據(jù)了解，《通訊-材料》是《自然》出版集團(tuán)旗下專注于材料科學(xué)領(lǐng)域與通信技術(shù)交叉研究的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊。

光合作用是指植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧氣和有機(jī)物的過(guò)程，為地球上幾乎所有生命提供了食物和能量。然而，天然光合作用以葉綠素等光合色素來(lái)捕獲利用光能，但葉綠素僅能吸收太陽(yáng)光譜中的可見(jiàn)光部分，且對(duì)綠光的吸收效率較低，植物光合作用效率較通常不到1%。隨著全球氣候變化和糧食需求的增加，提高光合作用效率成為科學(xué)研究的重要方向。

在該研究中，高翔團(tuán)隊(duì)利用秸稈、葉片和雜草等農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)，開(kāi)發(fā)了功能化納米碳量子點(diǎn)材料（CDs）。該材料不僅可以將植物無(wú)法吸收的紫外光、吸收效率低的綠光轉(zhuǎn)換為紅光（光譜轉(zhuǎn)換器），還能夠?qū)⑽盏墓庾蛹ぐl(fā)產(chǎn)生電子，為光合電子傳遞鏈提供額外的電子（光電轉(zhuǎn)化劑）。

碳基納米材料溶液噴施植物葉片上 研究團(tuán)隊(duì)供圖

團(tuán)隊(duì)將這種新型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)碳量子點(diǎn)添加至藍(lán)藻液體培養(yǎng)基中或噴施在植物上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍，甘油的產(chǎn)量增加了2.2倍，而擬南芥的植物生物量則提高了1.8倍，這一結(jié)果充分展示了碳量子點(diǎn)在提高光合效率和植物生長(zhǎng)方面的巨大潛力。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析顯示，這種基于農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)合成的碳量子點(diǎn)材料不僅表現(xiàn)出了出色的光能吸收利用能力，還具備低成本和高生物相容性的優(yōu)勢(shì)，展示了在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和光驅(qū)生物制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

碳基納米材料溶液自然光下放置（左）以及在紫外光照射下發(fā)出紅光（右）研究團(tuán)隊(duì)供圖

研究人員介紹，該研究開(kāi)發(fā)的新技術(shù)不僅能夠提高光合作用效率，還能將農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)回收利用，在改善植物生長(zhǎng)的同時(shí)為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新提供潛在的解決思路。目前，研究團(tuán)隊(duì)基于該技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利并進(jìn)入成果轉(zhuǎn)化階段，推動(dòng)該技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用示范。另外，高翔團(tuán)隊(duì)已與多個(gè)團(tuán)隊(duì)基于該研究成果進(jìn)一步開(kāi)展合作，初步實(shí)驗(yàn)顯示，該納米材料對(duì)浮萍、花生、玉米和大豆等農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有不同程度的促進(jìn)作用，目前正在計(jì)劃開(kāi)展戶外大田實(shí)驗(yàn)。