祝贺欧阳博伟的论文在Chemical Engineering Journal发表

科学   2024-03-27 15:20   重庆  



  近日,课题组的研究成果“Graphene quantum dots enhance the nitrogen fixation of Azotobacter vinelandii by up-regulation of cellular metabolism and electron transport” 在中科院一区SCI期刊《Chemical Engineering Journal》(IF = 15.1)接收(研究生欧阳博伟为第一作者)。








氮在自然界中扮演着至关重要的角色。生物固氮是其中最主要的形式之一,然而化学氮肥在农业领域的广泛使用引发了经济和环境问题,因此生物固氮被视为可持续农业的理想选择。近二十年来,生物固氮取得了显著进展,包括根瘤共生和豆科植物内共生对固氮的贡献、基因工程技术提高作物产量以及农林复合系统促进生物多样性等方面;此外,纳米材料也可能增强生物固氮的效果。

石墨烯量子点具有优异的水溶性、生物相容性和光学稳定性。由于其优异的性能,石墨烯量子点在生物医学、细胞成像、药物输送、能源系统和光电技术等领域有着广泛的应用。然而,在生物固氮方面,尚未有关于石墨烯量子点的应用报道。此前,我们发现石墨烯刺激了固氮菌的生长和固氮活性。认为sp2碳区有效接触且不造成物理损伤是增强生物固氮的关键因素之一。由于石墨烯量子点高溶解度和小尺寸,sp2碳区与固氮菌接触更轻微,这可能有利于促进生物固氮的过程。基于这些结果启发我们进一步探究了石墨烯量子点对生物固氮的影响。

本研究利用石墨烯量子点成功增强了自生固氮菌的固氮活性,并揭示了其作用机制。在添加1-10 mg/L浓度的石墨烯量子点后,固氮菌提前进入对数生长期并达到平台期。此外,我们发现具有生物相容性的石墨烯量子点对固氮菌没有产生致死作用和氧化损伤。通过上调代谢和固氮基因的表达水平,石墨烯量子点显著提升了固氮酶的活性,较对照组增加了471.7%。同时,为了满足固氮所需的能量,细胞内聚羟基脂肪酸被消耗以提供固氮过程所需的能量,并且这一过程涉及碳水化合物、脂质和能量代谢途径之间连锁反应的协同作用,并伴随着电子传递速率显著增加。石墨烯量子点对生物固氮的增强作用进一步促进了青藏高原土壤氮含量的增加。本研究结果为利用石墨烯量子点加强生物固氮提供了一条有效途径。

图. 石墨烯量子点强化固氮过程的示意图

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