【纳米】川大郭俊凌/都市所杨其长：金属-多酚纳米抑藻剂突破植物工厂藻类关键技术瓶颈

学术 2024-11-24 08:09 北京

据联合国经济和社会事务部人口司的预测，全球人口在2050年将达到100亿，对传统农业生产和全球粮食供应构成了重大的挑战。同时，各种病虫害的入侵，气候变化、土地退化加剧和自然资源的有限，进一步加剧了人们对传统农业供应粮食的稳定性和持续性的担忧。近年来，植物工厂因其能满足农作物高产、优质和可持续生产的要求，被认为能够替代传统农业，成为粮食生产最有前景的方式，从而实现粮食生产的可持续性以及实现粮食的稳定供应。然而，植物工厂主要采用水培种植方式，在使用的营养液中含有丰富的营养元素，如氮、磷和钾等，极易滋生大量有害藻类，影响作物的生长发育，进而造成作物产量降低。目前，在富营养化水体处理中，使用化学抑制剂是抑制藻类生长的主要方法，如硫酸铜。然而，化学试剂使用后会产生大量的化学物质残留，不仅会降低粮食的质量，还会增加食品安全的风险。这些问题的存在严重限制了化学试剂在水培种植生产中的使用。

四川大学郭俊凌教授团队主要围绕植物多酚（又名单宁）在基础科学和交叉学科领域开展研究，发展了植物多酚高值转化体系（Science 2018; Nat. Nanotechnol. 2016; Matter 2023; Nat. Commun. 2022; Angew. Chem. 2024, 2023, 2019, 2014; Adv. Mater. 2023, 2020, 2013 等）。近日，四川大学郭俊凌教授团队与中国农业科学院都市农业研究所杨其长研究员团队合作，成功开发了一种双金属多功能植物多酚基纳米抑藻剂（Cu/FeBWT），并将该抑藻剂应用于大规模水培生产中，实现水培生产中对有害藻类的高效抑制，攻克了植物工厂存在的核心关键问题，构建起了拥有完全自主知识产权的粮食安全技术体系。研究成果发表于国际化学顶级期刊Chemistry - A European Journal。通讯作者为中国农业科学院都市农业研究所杨其长研究员，四川大学郭俊凌教授、王晓玲副研究员，第一作者为四川大学博士研究生王明耀。

该双金属多功能植物多酚基纳米抑藻剂（Cu/FeBWT）是由大宗生物质资源植物多酚（黑荆树单宁，Black Wattle Tannin，BWT）和两种功能性金属离子（Fe³⁺和Cu²⁺离子）自组装形成。Cu/FeBWT展现了显著的遮光作用，直接阻碍藻细胞获取光能，进而阻断藻细胞的光合作用，从而抑制藻细胞的生长繁殖。此外，Cu/FeBWT通过植物多酚与藻细胞表面的多重界面相互作用，如氢键、疏水相互作用等，实现黏附细胞并定向释放Cu²⁺离子，从而协同抑制藻细胞的生长（图1）。

图1. 遮光型植物多酚基纳米抑藻剂（Cu/FeBWT）的制备和抑制藻类生长示意图

FeBWT展现出优秀的遮光作用，最高降低97%的光透过率，极大地抑制藻细胞的光合作用，进而显著地抑制藻细胞的生长。同时，与常见的纳米氧化石墨烯和四氧化三铁对比，FeBWT展现出了更强的遮光作用和对藻细胞的抑制能力（图2）。

图2. FeBWT的遮光作用抑制藻细胞的光合作用

进一步的，在FeBWT中引入Cu²⁺离子形成Cu/FeBWT后，Cu/FeBWT不仅保留了FeBWT的遮光性能，能够通过遮光作用阻断藻细胞的光合作用，还能够黏附于藻细胞表面定向地释放Cu²⁺离子对藻细胞造成氧化损伤（破坏藻细胞膜，细胞内容物泄露），从而协同增强对藻细胞的抑制作用（图3）。

图3. Cu/FeBWT的遮光效应和氧化损伤作用协同增强藻细胞抑制能力

在30天的实际水培生产生菜应用中，使用Cu/FeBWT抑制藻细胞的生长。结果显示，Cu/FeBWT能够在30天的种植过程中显著抑制藻细胞的生长，抑制率超95%。同时，在营养液中施加Cu/FeBWT既不会影响生菜的生长发育，也不会影响生菜的营养成分。

图4. Cu/FeBWT实际水培应用及安全性评价

综上，这项工作整合了材料学和植物学等多学科的知识与技术，以生物质资源高值转化为出发点，围绕植物多酚生物质资源，探究并开发拥有绿色化学特质、高效能的新型生物质基纳米抑藻剂，以处理水培生产时藻类爆发的问题，推动植物工厂可持续性的发展。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Nanoenabled Self-Assembled Metal-Organic Algaecides Generated Photosynthetic Inhibition and Oxidative Stress for Sustainable Food Security

Mingyao Wang, Xiao Yang, Mengyue Wang, Yunxiang He, Tao Huang, Xiaoling Wang, Qichang Yang, Junling Guo

Chem. Eur. J., 2024, DOI: 10.1002/chem.202403035

通讯作者简介

郭俊凌，四川大学教授，英属哥伦比亚大学客座教授，博士生导师，国家特聘专家，皮革化学与工程教育部重点实验室副主任，以项目或课题负责人承担国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、四川省重点研发计划等，获得四川“天府峨眉”领军人才，苏州市/苏州高新区领军人才，成都市“蓉漂计划”领军人才，成都市高新区“产业教授”等。曾毕业于四川大学轻工学院（石碧院士、廖学品教授）、墨尔本大学（英国皇家学会院士、澳大利亚科学院院士Frank Caruso），哈佛大学（美国工程院院士、美国医学院院士Samir Mitragotri）。主要围绕植物多酚高值转化与跨领域应用研究，发展了吸附分离体系、药物精准递送体系、细胞工程化体系，共发表论文180余篇，其中以第一/通讯作者发表在Science、Nat. Nanotechnol.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Matter、Angew. Chem.、Adv. Mater.、EES等国际顶级期刊，总被引8000余次，H指数45，申请及授权专利39项，关键技术已实现千万级产业转化。现任教育部重大奖项/青年长江评委专家、全国学科评估专家、成都市工商联（总商会）专委会专家，统战部“欧美同学会”专委会副主任等。

郭俊凌

https://www.x-mol.com/university/faculty/65705

课题组网站

https://www.bmicenter.org/

杨其长，国际欧亚科学院院士，中国农业科学院都市农业研究所首席科学家、研究员、博导，农业农村部“都市园艺装备重点实验室”主任、科技部“中国-罗马尼亚‘一带一路’农业合作联合实验室”主任。长期致力于设施作物-环境互作机制及其高效生产技术研究，先后主持国家863计划项目“智能植物工厂生产技术研究”、国家十三五重点研发计划“中英智慧农场”等项目20余项，在植物工厂光效能效提升、温室蓄能调温以及都市园艺等方面取得多项原创性成果，以第一完成人获国家科技进步二等奖2项、中国专利金奖1项、省部级科技奖12项，出版著作9部，发表Nature Communications、Molecular Plant等SCI期刊论文106篇，授权发明专利65件，培养博士、硕士生66名。荣获国家有突出贡献中青年专家、“百千万人才”国家级人选、全国农业科研杰出人才、全国农业先进个人、国务院政府特殊津贴专家等荣誉称号，兼任国际园艺学会（ISHS）设施植物智能化专业委员会主席、国际半导体照明联盟（ISA）农业照明专业委员会主席、国家智慧植物工厂创新联盟主席。

https://www.x-mol.com/university/faculty/242752

研究团队招聘及要求

岗位：优秀博士、硕士研究生多名。具有海外博士学历/博士后并在高水平期刊发表论文的申请人，将协助申请四川大学特聘教授（研究员）、特聘副教授（副研究员）加入课题组团队。请将简历及自荐信发送至：junling.guo@scu.edu.cn。

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