纳米TiO2对农作植物光合作用的机理研究

　　张建平   张　川   张　千

　　(河北麦森钛白粉有限公司，石家庄市纳米氧化物工程技术研究中心)

　　(河北 石家庄 050000)

　　摘要：经研究已证实纳米TiO2不仅能明显促进植物对光能的吸收，促进光能转换为电能及活跃的化学能，还能促进CO2的同化及氮代谢，从而大大提高光合作用效率。但其能量吸收、转化和传递的机理尚不明朗。为此我们围绕纳米TiO2促进光合作用能量吸收、分配及转换中的若干问题进行了研究，旨在为纳米复合肥的开发利用提供理论依据。主要涉及了不同浓度的锐钛矿型纳米TiO2对叶绿体膜光谱特性和光系统活性的影响、纳米TiO2对PSⅡ内部能量传递的影响、纳米TiO2在生长期内对叶绿素形成的促进作用以及不同光照下纳米TiO2对植物叶绿体光化学反应的影响。

　　关键词：纳米 TiO2;光化学反应;光能吸收和传递;氧化性胁迫;叶绿体; PSⅡ。

　　1研究背景

　　1.1纳米TiO2概述

　　纳米氧化钛(Nano-anatase TiO2，以下简称纳米 TiO2)问世于20世纪80年代后期，由于其独特的光学性能及电性能，在催化剂、抗紫外线吸收剂、气敏传感器件等众多领域具有广泛的应用前景。随着纳米二氧化钛应用的日益广泛，人们开始关注纳米二氧化钛对农作植物生长方面的促进研究。

　　纳米TiO2除了具有一般纳米颗粒特有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应之外，还拥有较高的光催化活性、优异的光电性能和氧化分解性。在传统工艺上，纳米TiO2作为一种常用的化工原料，因其卓越的颜色性能，被广泛地用作颜料、涂料、油墨和纸张的增白剂，它同时也是重要的陶瓷、半导体催化材料。近年来纳米TiO2因其粒径很小、比表面积大、界面原子所占比例大而具有更为独特的性能，在汽车工业、防晒化妆品、高级涂料、废水处理、消毒杀菌、环境保护、农业生产以及生物医药方面都具有广阔的应用前景。

　　1.2 主要研究内容

　　1)研究了不同浓度的锐钛矿型纳米 TiO2对叶绿体膜光谱特性和光系统活性的影响。纳米 TiO2在紫外光激发下发生电子跃迁产生电子空穴对，将电子捕获其空穴具有还原作用，而将空穴捕获其具有氧化作用。

　　2)通过紫外可见光谱、荧光光谱等手段研究了纳米 TiO2对 PSⅡ内部能量传递的影响。结果表明适当低浓度纳米 TiO2处理引起 PSⅡ的微环境或构象发生适宜的改变，对可见光吸收能力增强;低浓度纳米 TiO2处理对 PSⅡ蛋白质内部氨基酸之间的能量传递有促进作用，加快酪氨酸残基至叶绿素 a 之间的能量传递，提高 PSⅡ的光化学活性，进而导致水的光解和氧气释放加快。

　　3)研究了不同光照下纳米 TiO2对植物叶绿体光化学反应的影响。研究发现，在可见光与近紫外光照射下纳米 TiO2处理的菠菜叶绿体，其电子传递速率、放氧速率、光合磷酸化速率都显著增加。证实纳米 TiO2不仅能在可见光下明显促进菠菜叶绿体的全链电子传递，PSⅡ光还原活性，放氧速度及光合磷酸化活性，同时进入叶绿体内的纳米 TiO2吸收近紫外光后被激发出来的高能电子参与了光合电子传递链传递，使NADP+被还原成 NADPH，并偶联磷酸化作用使电能转变为 ATP。纳米 TiO2失去电子后从水中夺取电子和形成质子并使叶绿体内氧气释放速率加快，促进了水的光解。

　　2.实验部分

　　2.1 材料处理和培养

　　供试材料为大叶菠菜品种。菠菜种子用2.5，5，10μm的纳米TiO2溶液在10℃下浸泡48h(每24h更换1次溶液)，用无离子水浸种作对照。处理后的种子播于装有相同营养液和土质的花盆中，并置于昼20℃、夜15℃的智能人工气候箱中培养25d左右。当菠菜生长到4片叶时再用纳米TiO2溶液进行喷施处理(纳米TiO2由河北麦森钛白粉有限公司制备并提供)。图1为所用锐钛矿型纳米TiO2的X射线衍射图。

　　图1 纳米TiO2的X射线衍射图

　　2.2 叶绿体制备：

　　叶片洗净，去中脉，剪成小片，加捣碎匀浆液(内含0.3mol/L的蔗糖溶液，0.01mol/L的KCl，0.05mol/L磷酸缓冲液，pH7.2)研磨，通过4层纱布过滤，滤液离心，200×g，90s，0℃;留上清液，再离心，1000×g，10min,0℃;留沉淀，悬浮在上述匀降液中，叶绿素含量调到200μg/ml左右。Arnon法测定叶绿素含量。

　　2.3 叶绿体吸收光谱的测定：

　　将叶绿体悬浮在含有0.4mol/L的蔗糖溶液，0.01mol/L NaCl溶液的 0.05mol/L磷酸缓冲液(pH7.6)中，叶绿素浓度为 20μg/ml。 然后与 0，2.5，5，10μmol/l的纳米 TiO2一起保温 5 min。用紫外分光光度计测定 350-750nm 的吸收光谱。

　　表1 在各种浓度的纳米锐钛矿型TiO2处理的菠菜叶绿体紫外光谱(μmol/L)

　　图2 纳米TiO2在各种浓度的吸收光谱的影响

　　2.4 荧光光谱的测定：

　　将制备好的叶绿体悬浮在与以上条件相同缓冲液中, 并使叶绿体与 0，2.5，5，10 μM 的纳米 TiO2一起保温 5 min,测定时叶绿素含量为 20 μg/ml。用 F4500 荧光分光光度计测定，激发波长为 440 nm和 480nm，观察 600-750nm 之间的荧光发射。荧光激发光谱测试以 680 nm,720 nm 作为发射波长, 扫描范围400-500，600-700 nm。

　　表2 在各种浓度的纳米锐钛矿型TiO2处理的菠菜叶绿体荧光光谱(μmol/L)

　　图3 在各种浓度的纳米锐钛矿型TiO2处理的菠菜叶绿体荧光光谱(a.440nm激发;b.480nm激发)

　　2.5 光化学反应活性的测定

　　PSⅡ反应中心 D1/D2/Cytb559 复合物 DCPIP 光还原活性测定: 参照 Tang and Satoh 方法，照光前后测定 580 nm 光吸收。按 A=12.9 mmol/L·cm计算被还原的DCPIP 量，DCPIP 光还原活性单位以µmol DCPIP ·mg-1Chl·h-1表示。用氧电极测定 PSⅡ颗粒的放氧活性。测定重复3 次。

　　图4 纳米二氧化钛对DCPIP还原速率的影响

　　3 结果与讨论

　　3.1 不同浓度的纳米TiO2对叶绿体膜吸收光谱的影响

　　从图2中可以清楚地看到，叶绿体膜的吸收光谱在680nm和438nm处表现出叶绿素a(Chla)的特征吸收峰，652nm处的肩峰来自叶绿素b(Chlb)，450-480nm较宽的吸收峰包括Chlb和类胡萝卜素的吸收峰，417nm处为细胞色素和去镁叶绿素的吸收峰。从图2看出，对照和纳米TiO2处理的菠菜叶绿体膜的UV-Vis谱峰型基本相似，但吸收峰峰值明显增大，且Chla的Soret带与Q带峰强比也明显高于对照(见表1)，显示叶绿体内的色素对短波长的光能更易吸收，其中以5μM处理光能吸收最强。上述效应可能与叶绿体内色素的增加和叶绿体色素对纳米TiO2敏化作用程度有关。

　　3.2 不同浓度的纳米TiO2对叶绿体膜荧光光谱的影响

　　从图3a、b中可以看出，无论是以440nm光激发，还是以480nm光激发，叶绿体膜在680nm处都有一较强的发射峰，但480nm光激发在720nm显示一较弱的发生峰(室温)。表明纳米TiO2处理后大量被叶绿素b和胡萝卜素吸收的光能迅速并高效地传递到PSⅡ作用中心色素叶绿素a后使其荧光产额显著提高。荧光产额的提高可能是因纳米TiO2处理后光合膜叶绿体色素的结合状态,特别是PSⅡ作用中心、捕光色素系统的叶绿素分子、CP43、CP47的结合状态得到明显改善,从而导致荧光发射峰强度的增加，叶绿体色素利用光能和转化光能的效率得到明显提高(可能使叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素与P680结合得更加紧密，能高效迅速传递激发能)。

　　3.3 纳米TiO2对菠菜叶绿体活性和全链电子传递速率的影响

　　纳米TiO2和体相TiO2处理促进叶绿体光化学反应的作用部位主要在PSⅡ上，且还原侧高于氧化侧。证明纳米TiO2和体相TiO2对PSⅡ的活化程度大大高于PSⅠ。并再次证明近紫外光下进入叶绿体内的TiO2吸收光能被激发所释放出的电子可在光合电子传递链上，尤其是在PSⅡ还原侧和氧化侧之间进行传递。

　　纳米TiO2在可见光和近紫外光照射下可以大大提高菠菜叶绿体全链电子传递的速率，而体相TiO2效果不如纳米TiO2显著。这是因为纳米TiO2(5nm)其颗粒尺寸比体相TiO2小得多，更易进入菠菜细胞。另外纳米TiO2总表面积大，光吸收效率高，导致被紫外光激发产生高能电子的数量也就相应增加，从而表现出比体相TiO2更高的传递速率。

　　4.结论和展望

　　适当低浓度纳米TiO2处理引起PSⅡ的微环境或构象发生适宜的改变，对可见光吸收能力增强;低浓度纳米TiO2处理对PSⅡ蛋白质内部氨基酸之间的能量传递有促进作用，加快酪氨酸残基至叶绿素a之间的能量传递，提高PSⅡ的光化学活性，进而导致水的光解和氧气释放加快。纳米TiO2的光催化特性能明显增强菠菜的光合效应。

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