CIRAS-3/Chlorolab2+]光子晶體慢光子效應可以增強小球藻光合作用
植物光合作用被認為是減少二氧化碳水平以實現全球碳中和目標的一種有效措施。目前，研究人員致力于通過改善天線色素光捕獲、電子傳輸、暗反應中的關鍵酶活性等來提高光合效率。光的吸收是光合作用的驅動力和必要前提，通過材料工程或生物工程改善光捕獲是優化光合作用的一種直接而有前途的方法。
在熱帶雨林中，有一種秋海棠（B.pavonina），葉片呈亮藍色，與普通植物不同，它的基粒類囊體呈周期性地光子晶體（PC）結構排列（圖1）。這種特殊結構顯著增強了光合色素對綠光的吸收，使光合量子產量比大多數植物高出5%?10%。PC是一種具有光子帶隙（PBG）的周期性有序微結構材料，有助于操縱光與介質的相互作用。在該PBG的邊緣（紅帶邊緣和藍帶邊緣），光傳播速度將顯著降低。正是這種“慢光子效應”增強了光合色素和入射光之間的相互作用時間，從而提高了光吸收和轉換效率。
圖1（a）秋海棠葉片 （b和c）葉片透射電鏡圖像（d）葉子的反射光譜
受秋海棠結構特征的啟發，東南大學顧忠澤課題組將PC水凝膠材料與蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa，C.pyre）（一種真核綠藻植物）組裝在一起，并利用慢光子效應和人工天線，將光合效率（氧氣釋放速率和碳固定速率）提高了200%。該方法消除了對復雜儀器和復雜技術手段的需求，避免了傳統方法不可避免的光漂白和生物安全問題。研究內容“Begonia-Inspired Slow Photon Effect of aPhotonic Crystal for Augmenting Algae Photosynthesis”發表在ACS Nano（IF=18.027）雜志上。
通過比較這三種不同波長（藍光、紅光和綠光）PC水凝膠對C.pyre光合作用的影響，可以更清楚地了解慢光子效應的作用和機制。作者使用英國Hansatech公司的Chlorolab2+（液相氧電極測定系統）和美國PP Systems公司的CIRAS-3（便攜式光合作用測定系統）分別測定氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR），結果表明，Blue-PC/HACC/C. pyre and Red-PC/HACC/C. pyre的光合效率的顯著提高（圖3a，b，c，表1和圖4）。
圖2 便攜式光合作用測定系統測定藻類碳固定速率
圖3 （a）歸一化紫外?可見吸收光譜和反射光譜。（b和c）白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR）（d）不同光下PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）（e）不同PC/HACC/C. pyre的葉綠素熒光參數
為了闡明是PC材料的慢光子效應提高了光合色素的捕光能力，作者在不同的單色光照射下測量了不同系統的OER（圖3d和圖4）。結果表明，PC材料大大提高了光合色素在相應的慢光子帶內的捕光能力，從而提高了光合活性。
表1 白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR）
同時，為了直接分析光合色素對光能的吸收和捕獲，作者使用英國Hansatech公司的Handy PEA植物效率分析儀對相關參數進行了測定分析。如圖3e所示，Red-PC/HACC/C. pyre的光能吸收（ABS/RC）和捕獲（TRo/RC）性能明顯優于Hy/HACC/C. pyre。隨后在電子傳遞鏈中的電子轉移（ETo/RC）和電子受體還原能力（REo/RC）也得到了相應的改善。PSII最大光化學效率（Fv/Fm）由于捕獲和吸收能量的同步增加而略有增加。在相同條件下，不含C. pyre的Red-PC/HACC沒有有效值，說明是光能利用的提高促進了光合性能的提高。由于的Handy PEA的光源是紅光，而Blue-PC和Green-PC在這種情況下不能工作，因此Blue-PC/HACC/C. pyre和Green-PC/HACC/C. pyre的結果與Hy/HACC/C. pyre相同。
圖4 白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧氣釋放速率（OER）
另外，作者使用陽離子共軛聚合物PFTP代替HACC，顯示出與上述結果一致的趨勢。
圖5（a和b）白光下不同PC/PFTP/C. pyre氧氣釋放速率（OER）和碳固定速率（CSR）（c）Red-PC/PFTP/C. pyre的葉綠素熒光參數（d、e、f和g）不同光強下psbA, psaB, chlB, and rbcL相對表達量和ROS水平（h）生長曲線（i）白光下PC/PFTP/C. pyre脂質含量
綜上所述，在慢光子效應和人工天線特性的協同影響下，蛋白核小球藻的光合效率提高了200%以上。本研究認為，PC水凝膠的慢光子效應可以用來克服光合色素的低效的光能利用，增強光合作用。
