1 武汉理工大学, 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 湖北隆中实验室, 湖北 襄阳 441000
“材料的过程仿生制备技术”是一种从自然物质精妙的结构形成过程中得到启示、找到灵感, 发展材料的合成与制备新技术。本文结合近年来“材料的过程仿生制备技术”的发展现状, 围绕自然制造过程及自然制造过程-生物结构的关系, 从生物矿化启示的合成与制备、光合作用启示的合成、光合作用和生物矿化相结合的合成与制备等方面综述了该方向现有的研究工作。最后, 对“材料的过程仿生制备技术”的研究目标进行了总结, 并对其发展趋势进行展望。
生物矿化 光合作用 过程仿生 bio mineralization photosynthesis bioprocessing-inspired
中国科学院大学材料与光电技术学院，中国科学院大学材料与光电技术中心，北京 101400
能源危机和环境污染是当今人类社会面临的全球性难题，减少二氧化碳(CO2)和其他温室气体的排放，实现碳中和是当务之急。以“能量的提供-储存-消耗-再提供”为目标的“人工生态循环”系统可以通过消耗CO2获取物质和能源并实现循环利用，有助于缓解上述问题。气凝胶材料具有超高孔隙率、超大比表面积和超低密度等特性，其连续三维网络结构不仅能够提供丰富的电荷转移通道，而且可以作为载体来掺杂或负载各种有机或无机活性材料以获得催化性能优异的复合材料，在“人工生态循环”系统，包括光化学、电化学、储能材料等领域具有广泛的应用前景。概述了气凝胶材料在人工生态循环中光化学、电化学、人工固氮、储氢、热电材料等方面的相关应用，并对气凝胶材料的发展前景进行了总结和展望。
人工生态循环 气凝胶 碳中和 人工光合作用 人工固氮 催化 artificial ecological cycle aerogels carbon neutrality artificial photosynthesis artificial nitrogen fixation catalysis
1 合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽 合肥 230009
2 中南大学自动化学院, 湖南 长沙 410083
提高作物的光合作用速率是作物高产育种的有效途径之一。 目前主要采用红外气体分析法测定光合作用速率, 方法原理可靠、 技术成熟, 但红外光源易受野外复杂工作环境的影响, 尤其是环境温度的变化, 因此红外分析法在定量分析的任务需求中测定误差较大且对浓度极低或浓度变化极弱的气体检测精度不高。 针对上述问题, 首先提出将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术应用到植物光合速率测定领域, 用二次谐波峰值差表征单位采样时间内光合作用气体CO2痕量浓度的相对变化量; 其次, 建立基于萤火虫算法优化的宽度学习(FA-BLS)环境补偿模型, 模型中每只萤火虫的位置信息对应表征宽度学习网络(BLS)权值和阈值的一组可行解, 通过萤火虫不断迭代和更新优化来寻找亮度最高的萤火虫位置, 即生成使得模型性能最佳的权值和阈值; 最后, 利用模型输出的补偿值对存在环境影响的原始二次谐波峰值差进行补偿, 进而由补偿后的二次谐波峰值差反演得到单位采样时间内的净光合速率。 实验结果表明, 萤火虫种群规模和BLS网络增强层节点数是影响TDLAS-FA-BLS模型输出误差的重要因素, 相比卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)两种深度学习网络, 基于TDLAS-FA-BLS的光合速率测定模型很好地继承了BLS网络训练速度快、 迭代时间短的优点, 平均测量时间仅为0.81 s, 模型输出误差小, 模型预测输出与测试集数据的卡方距离仅为0. 29×10-4, 同时模型输出误差的样本方差和样本标准差均比BLS小, 说明FA-BLS模型克服了BLS因随机选取参数导致网络输出结果不稳定和泛化性不高的缺陷, 因此, 基于TDLAS-FA-BLS的植物净光合速率测定方法, 能够很好地满足在实际农业生产中野外复杂工作环境下测定光合速率的高精度、 实时性、 稳定可靠等需求。
净光合作用速率 萤火虫算法(FA) 宽度学习(BLS) Net photosynthetic rate TDLAS Firefly algorithm (FA) Broad learning system (BLS) TDLAS 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1561
1 华南农业大学 材料与能源学院， 广东 广州 510642
2 岭南现代农业科学与技术广东省实验室， 广东 广州 510642
碳点(CDs)作为一种碳基纳米材料，因其粒径小、水溶性好、生物相容性高、无毒性、制备简便、原料来源广等优势，吸引了众多研究人员的关注，已在医学成像技术、环境监测、化学分析、催化剂制备、能源开发等诸多领域表现出较好的应用前景。近些年，CDs开始被应用于农业领域，尤其对植物光合作用具有优异的调控作用。一方面，CDs具有良好的光学性能，可以向叶绿体传递能量或转换光能，提高光合电子的传递速率，进而加快光合作用中光能向活跃的化学能的转化。另一方面，CDs还可以促进植物叶绿素的合成、上调光合作用相关酶的活性，提高植物对光能的捕获能力以及对CO2的固定速率。鉴于CDs在农业生产中的应用前景，本文从CDs的性质和植物的生理过程出发，系统地综述了CDs在调控植物光合作用中的研究进展，并对目前限制CDs应用的问题进行了总结，为其未来的发展提供了参考。
碳点 植物 光合作用 农业 carbon dots plant photosynthesis agriculture
1 中国科学院环境光学与技术重点实验室安徽光学精密机械研究所，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 桂林电子科技大学，广西 桂林 541004
4 安徽省环境光学监测技术重点实验室，合肥230031
5 合肥学院，合肥 230601
为了更准确获取反映植物生理状态的荧光动力学曲线，基于光合作用电子传递过程研究了植物光合作用参数测量技术。采用可变光脉冲技术将植物光合作用过程分段为快相与弛豫过程，并测量激发光诱导产生的荧光动力学曲线.对激发光带宽与响应时间进行了定量分析；对I-V转换单元与MFB滤波器进行了设计与仿真分析，获取快相荧光动力学信息；采用同步脉冲采样积分技术，对微弱弛豫荧光进行积分，实现了快相与弛豫荧光动力学曲线的完整测量，并结合非线性拟合算法获取光合作用参数.测试结果表明，系统信噪比达到23.8 dB；暗适应与光适应下，本系统所测Fv/Fm与Water-PAM测量结果的线性相关系数分别达到0.980和0.997.该研究结果为植物光合作用研究及过程参数测量提供了一种测量手段.
快相和弛豫荧光 叶绿素荧光动力学 同步采样积分 光合作用参数测量 Fast phase and relaxation fluorescence Chlorophyll fluorescence kinetics Synchronous sampling integral technique Photosynthetic parameters measurement
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省环境光学监测技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 安徽 合肥 230026
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院， 广西 桂林 541004
4 合肥学院电子工程系， 安徽 合肥 230601
根据生物膜能流理论和电子传递模型，结合快相与弛豫两种激发条件，对复杂的光合作用过程进行分析并简化计算，提出植物光合作用参数反演方法。利用滑动窗口斜率判定法确定最大荧光产率；利用线性最小二乘算法解析快相荧光过程获得光化学量子效率和功能吸收截面；利用离散迭代算法解析弛豫荧光过程获得质体醌平均还原时间常数。对对数生长期以及铜离子胁迫条件下的平裂藻和斜生栅藻进行实验测量，结果表明该方法反演结果具有良好的稳定性和重复性，光化学量子效率、功能吸收截面和质体醌平均还原时间常数的测量结果相对标准偏差分别为1.25%、1.50%和1.83%，其中光化学量子效率与脉冲振幅调制技术的测量结果线性相关系数达到0.9714。该方法为研究植物生理研究提供一种光学分析手段。
光谱学 叶绿素荧光动力学 光合作用参数反演 线性最小二乘算法 快相与弛豫荧光
1 黑龙江八一农垦大学农学院, 黑龙江 大庆 163319
2 黑龙江省教育厅寒地作物种质改良与栽培重点实验室, 黑龙江 大庆 163319
3 国家杂粮工程技术研究中心, 黑龙江 大庆 163319
4 北大荒垦丰种业股份有限公司北安分公司, 黑龙江 黑河 164000
由于臭氧层逐渐变薄, 到达地球表面UV-B辐射不断增加, 因UV-B辐射改变的太阳光谱将会对陆地植物造成不同程度的伤害。 本试验以高粱龙杂5为材料, 对二叶一心高粱进行四种剂量UV-B处理, 恢复2 d采用光合仪测定光合参数, 并取样测定抗氧化酶活性。 随着UV-B剂量的升高, 高粱叶片褐化损伤加重, 植株矮化, 鲜重和干重显著降低； 花青素含量显著升高, 叶绿素和类胡萝卜素含量显著减少, 净光合速率和叶绿素荧光参数显著下降。 同时, 随UV-B剂量升高, 高粱幼苗气孔导度、 胞间CO2浓度和蒸腾速率表现为“降-升-降”变化； POD和CAT活性呈现“降-升-降”变化； SOD和GR活性呈现“降-升”变化, APX和GPX呈现“升-降-升”变化。 在供试的四种剂量中, UV-B处理6 h（相当2.4 J·m－2）的高粱幼苗净光合急剧下降, 其他光合指标以及抗氧化酶活性也表现出明显转折。 结果表明, 增强的UV-B辐射直接导致高粱光合色素、 净光合速率和叶绿素荧光参数的改变； 高粱抗氧化系统对高、 低剂量UV-B响应机制不同, 其中 ASA-GSH循环对低剂量UV-B反应更敏感, 高剂量UV-B辐射不仅破坏高粱光合作用, 而且启动植物酶促和非酶抗氧化系统, 导致叶片褐化坏死, 植株生物量累积减少、 株高矮化, 甚至死亡。
高粱 光合作用 抗氧化系统 Sorghum UV-B UV-B Antioxidant systems Photosynthesis 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1389
1 合肥学院电子信息与电气工程系, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所国家环境保护环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
浮游植物光合作用参数的快速测量对水华和赤潮灾害预警及水体生态研究具有重要作用。针对高速重复脉冲（FRR）光合作用参数测量技术中由窄脉冲光源激发引起的高数据采样率问题，采用单光脉冲实现单周转模式激发，应用脉冲积分法实现弛豫模式微弱光脉冲信号检测，设计了基于可变光脉冲诱导荧光的浮游植物光合作用参数测量系统，将数据采样率需求由10 MS/s以上降低至1 MS/s。实现了浮游植物光系统II（PSII）功能吸收截面、PSII最大光化学量子产率以及QA-（还原后的初级电子受体）再氧化时间常数的快速测量。实验表明，测量结果的相对标准偏差均小于3%。
光学器件 光合作用参数 可变光脉冲 荧光 浮游植物 激光与光电子学进展
2016, 53(7): 072301
1 湖南农业大学 a.生物科学技术学院
2 湖南农业大学 b.东方科技学院， 湖南 长沙 410128
以杂交晚稻岳优518和常规晚稻湘晚籼12号为试验材料，设置土壤表层10 cm稻壳炭体积含量为 A（0）、B（0.25%）、C（0.5%）、D（1%）、E（2%）和 F（4%）处理，研究稻壳炭对水稻产量、茎秆和稻米矿质元素含量的影响。结果表明：随着土壤稻壳炭施入量的增加植株茎秆中的硅、钾元素含量增加。F处理的岳优518茎秆中的硅元素含量和钾元素含量分别比对照增加41.18%和51.44%，F处理的湘晚籼12号茎秆中的硅元素含量和钾元素含量分别比对照增加69.47%和60.69%。随着土壤稻壳炭含量的增加，不同生育期叶片净光合速率、稻谷每667 m2平均产量也增加。F处理的岳优518增产12.34%，F处理的湘晚籼12号增产13.12%；稻壳炭提高岳优518的每穗粒数、每穗实粒数和结实率。稻壳炭增加稻米矿质元素磷、钙、镁、钾、锌、硫、铜、锰和铁含量。
稻壳炭 水稻 光合作用 矿质元素 rice husk charcoal Oryza sativa L. photosynthesis mineral element
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
快相叶绿素荧光诱导曲线中蕴含着丰富光合作用信息.该信息可以反映出植物的生存状态、病理以及受到胁迫时的生理变化趋势等多种信息.通过采集藻类荧光及诱导光信号,拟合快相叶绿素荧光动力学曲线.基于最小二乘拟合方法,提出自适应最小误差逼近的方法对快相叶绿素荧光动力学曲线进行多元非线性回归拟合,实现Fo(固定荧光)、Fm(最大荧光产率)、σPSII(PSII的功能吸收截面)等细节参数的反演.实现了蛋白核小球藻光合作用参数反演,并实验了在Cu2+胁迫环境下,蛋白核小球藻的生理变化趋势.
叶绿素荧光 光合作用参数反演 自适应最小误差逼近 Chlorophyll fluorescence Photosynthesis parameters inversion Adaptive minimumerror approximation 光谱学与光谱分析
2015, 35(8): 2194
