鋅摻雜熒光硅量子點(diǎn)作為葉面光肥對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響

孫倩,崔曦鵬,葉勇,何瑜

(1.湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 湖北 武漢 430062; 2.湖北百杰瑞新材料股份有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引言

光是萬(wàn)物之源,太陽(yáng)光中促進(jìn)綠色植物生長(zhǎng)發(fā)育效果最明顯的是藍(lán)光和紅光。藍(lán)光有利于植物葉片生長(zhǎng),在植物的向光性中起主要作用。紅光能促進(jìn)植物發(fā)芽、開花、結(jié)果,以及葉綠體的合成[1]。然而,還有一些波段的光無(wú)法被植物有效利用。如何提高植物對(duì)光能利用率的問(wèn)題一直備受關(guān)注。目前有改造植物內(nèi)部基因[2-3]和創(chuàng)造外部環(huán)境[4-6]兩方面來(lái)提高植物光能利用率的方法。相比于改造植物內(nèi)部基因,創(chuàng)造植物外部環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法成本更低、更加簡(jiǎn)便高效。因此噴施葉面光肥,將葉綠素?zé)o法吸收的紫外線、黃綠色或近紅外光轉(zhuǎn)化為葉綠素可以有效吸收的光,提高植物對(duì)光能利用效率的研究已成為相關(guān)領(lǐng)域熱點(diǎn)。

納米顆粒一般都擁有巨大的比表面積和較高的表面能,常被應(yīng)用于涂料、農(nóng)業(yè)、生物和醫(yī)藥[7]等領(lǐng)域,在土壤和肥料的應(yīng)用方面也有新的突破[8]。Liscano等人報(bào)道,肥料的顆粒尺寸減小能增大比表面積和肥料的溶解速率,從而加速植物對(duì)肥料的吸收[9]。關(guān)于納米肥料對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究也越來(lái)越多。葉面施用的金納米顆粒能夠通過(guò)直接滲透和氣孔口運(yùn)輸而被西瓜吸收[10]。在葉面施用納米氧化鋅顆粒對(duì)花生種子萌發(fā)、生長(zhǎng)和產(chǎn)量均有促進(jìn)作用[11]。納米粒子具有光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、光吸收率大、發(fā)射可調(diào)、毒性低等優(yōu)點(diǎn),因此許多發(fā)光納米粒子可作為葉面光肥促進(jìn)植物光合作用。例如,Li等報(bào)道了具有優(yōu)異水溶性、低細(xì)胞毒性和生物相容性的遠(yuǎn)紅外碳點(diǎn)可作為增強(qiáng)光合作用的有效捕光劑[12]。Pan等將高分散二氧化鈦納米粒子作為葉面光肥與葉綠體(CLP)相互作用,增強(qiáng)光生電子轉(zhuǎn)移,從而增強(qiáng)光合作用[13]。Lei課題組首次用熒光硅量子點(diǎn)(SiQDs)作人工天線來(lái)增強(qiáng)生菜的采光能力,該量子點(diǎn)能顯著促進(jìn)意大利生菜幼苗的生長(zhǎng)和可溶性糖含量的提高[14-15]。目前來(lái)看,SiQDs的合成原料豐富、制備簡(jiǎn)單、水溶性好、光譜吸收范圍寬、光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、低毒且生物相容性好[16],因此在葉面光肥領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。隨著全球溫室效應(yīng)的加劇,紫外線輻射的強(qiáng)度持續(xù)增加,開發(fā)能夠吸收紫外光的SiQDs對(duì)促進(jìn)植物的光合作用具有重要意義。

本研究以DAMO分子作為硅源,檸檬酸鈉作為還原劑,加入六水硝酸鋅,200 ℃下水熱合成了一種高分散性、光學(xué)性能穩(wěn)定的鋅摻雜硅量子點(diǎn)(Si@Zn QDs),并且探討不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs作為葉面光肥對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響。與未摻雜鋅的硅量子點(diǎn)相比,Si@Zn QDs擁有更高的熒光強(qiáng)度和熒光量子產(chǎn)率,能夠提高光能利用率。硅肥有助于植物抵抗生物或非生物脅迫,如重金屬毒性、干旱、鹽濃度過(guò)高、細(xì)菌和病毒[17-18]。同時(shí),鋅肥可以提高葉綠體中的光合色素含量和促進(jìn)生長(zhǎng)素的合成[19]。缺鋅植株會(huì)發(fā)黃矮化、葉小而變形,對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)造成嚴(yán)重影響[20]。因此,施用螯合硅鋅型納米葉面光肥,既能利用其光肥功能,提高光能利用率,又兼?zhèn)銼i、Zn元素本身對(duì)植物生長(zhǎng)的積極作用,對(duì)生菜的干鮮質(zhì)量、光合色素含量和蛋白質(zhì)含量有著更明顯的促進(jìn)效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

N-氨乙基-γ-氨丙基二甲氧基硅烷(DAMO)、六水硝酸鋅、2,6-二氯苯酚靛酚(DCPIP)、蔗糖、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、牛血清白蛋白、考馬斯亮G-250均購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司,氯化鉀購(gòu)于汕頭市化學(xué)試劑廠有限公司,檸檬酸鈉購(gòu)于天津博迪化工有限公司,無(wú)水乙醇、丙酮均購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 Si@Zn QDs的合成

參考Cui等方法制備Si@Zn QDs[21]。稱取0.15 g檸檬酸鈉加入到8 mL純水中,混合攪拌的同時(shí)持續(xù)通入氮?dú)?0 min。接著加入6 mL DAMO,繼續(xù)通入氮?dú)獠嚢?0 min來(lái)制備前驅(qū)體溶液。然后將一定量的Zn(NO3)2·6H2O(0、0.125、0.25、0.5 mmol)加入到水溶液中并攪拌30 min。接下來(lái),將混合物溶液加入到25 mL聚四氟乙烯襯里的高壓釜中,置于反應(yīng)溫度為200 ℃的烘箱中12 h。自然冷卻至室溫后透析(截余分子量:500 Da)12 h,冷凍干燥得到目標(biāo)產(chǎn)物SiQDs和Si@Zn QDs (0.05%、0.10%、0.20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同))。

1.3 樣品表征

使用透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM;型號(hào):JEOL-2100)及 Nano Measurer 對(duì)樣品形貌及粒徑大小進(jìn)行表征。使用傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy,FT IR;型號(hào):Perkin-Elmer,Spectrum one)和X射線電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS;型號(hào):Thermo Scientific,VGEscalab 200)對(duì)樣品進(jìn)行官能團(tuán)鑒定。使用熒光光譜儀(型號(hào): Perkin Elmer,LS55)測(cè)試樣品的激發(fā)、發(fā)射熒光光譜(photoluminescence spectroscopy,PL)。使用熒光光譜儀(型號(hào):Edinburgh Instruments,FLS1000)表征樣品的熒光壽命及絕對(duì)量子產(chǎn)率。使用紫外分光光度計(jì)(型號(hào): Perkin-Elmer,Lambda 35)測(cè)試樣品的紫外-可見吸收光譜。

1.4 希爾反應(yīng)活性檢測(cè)

搗碎新鮮的生菜葉片,加入蔗糖磷酸緩沖液(包含0. 4 mol/L蔗糖、10 mmol/L氯化鉀、30 mmol/L磷酸氫二鈉和20 mmol/L磷酸二氫鉀),過(guò)濾得到葉綠體粗提液。將粗提液離心(1 000 r·min-1)3 min,接著取上層液體離心(3 000 r·min-1)3 min得底部沉淀葉綠體。將所得葉綠體再次分散在蔗糖磷酸緩沖液,得葉綠體懸浮液。取0.10 mL葉綠體懸浮液加入到4.9 mL乙醇和丙酮的混合物中測(cè)量OD650吸光值,測(cè)量用于希爾反應(yīng)活性檢測(cè)的葉綠體懸浮液濃度。取2.0 mL葉綠體懸浮液(652.05 mg·L-1)與2.0 mL Si@Zn QDs分散液混合2 h。隨后加入1.0 mL 500 μmol/L的DCPIP溶液。在50 W的氙燈下照射10 min,每2 min測(cè)定OD600吸光值。

1.5 生菜應(yīng)用

生菜種植:品種為“意大利耐抽苔生菜”。營(yíng)養(yǎng)液配方購(gòu)于河北乾元水培電子科技有限公司。環(huán)境溫度為25 ～ 30 ℃,光源為通用白色 LED 燈,光照10 h,黑暗14 h。光照的同時(shí)輔以波長(zhǎng)為365 nm的紫外燈光照4 h。生菜處理:幼苗長(zhǎng)至3葉1心時(shí),將幼苗轉(zhuǎn)移到水培架上定植14 d。每隔2 d將Si@Zn QDs的分散液均勻地噴施于生菜葉面上,每組3個(gè)重復(fù),14 d后采收,測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.6 光合色素含量測(cè)定

光合色素含量的測(cè)定采用丙酮乙醇混合法。取生菜鮮樣葉片切碎混勻,準(zhǔn)確稱取0.2 g于20 mL丙酮/無(wú)水乙醇(1∶1)溶液的管中浸泡,放置在室溫黑暗條件下,葉片完全變白為止,取上清液,利用分光光度計(jì)分別測(cè)定OD663、OD645和OD440吸光值。

1.7 可溶性蛋白含量測(cè)定

可溶性蛋白測(cè)量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[22]:稱取0.5 g葉片鮮樣,加5 mL去離子水,在去離子水中研磨成勻漿后采用離心機(jī)于4 000 r·min-1離心10 min。取0.1 mL上清液加入0.9 mL蒸餾水和5 mL考馬斯亮藍(lán)G-250試劑,混勻放置3 min后測(cè)定OD595吸光值。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiQDs和Si@Zn QDs的表征

圖1 (a)Si@Zn0.10% QDs的TEM圖像(插圖為尺寸分布圖);(b)SiQDs和Si@Zn0.10% QDs的XRD圖;(c)SiQDs和Si@Zn0.10% QDs的紫外-可見吸收光譜;(d) SiQDs和Si@Zn0.10% QDs的FTIR光譜

圖2 (a) Si@Zn0.10% QDs 的 XPS 圖;(b) ～ (f)C 1s、N 1s、 O 1s、 Si 2p和Zn 2p的分峰擬合能譜圖

接下來(lái)對(duì)Si@Zn0.10%QDs 進(jìn)行光學(xué)性質(zhì)表征,如圖3(a)所示,在360 nm的激發(fā)下,Si@Zn QDs的最佳發(fā)射為445 nm,屬于藍(lán)色熒光。隨著鋅摻雜量的增加,其熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。圖3(b)是Si@Zn0.10%QDs的激發(fā)和發(fā)射光譜,在445 nm的最佳發(fā)射下,出現(xiàn)242 nm和360 nm兩個(gè)激發(fā)峰,和它的紫外-可見吸收光譜相對(duì)應(yīng)。隨著激發(fā)波長(zhǎng)的改變,Si@Zn QDs的激發(fā)峰位置保持不變,說(shuō)明Si@Zn QDs沒有激發(fā)依賴效應(yīng)。同時(shí),本研究制備的Si@Zn0.10%QDs絕對(duì)量子產(chǎn)率為69.04%,相較于SiQDs絕對(duì)量子產(chǎn)率57.46%,具有更高的發(fā)光效率,為提高光能利用率提供了條件。

圖3 (a)SiQDs、Si@Zn 0.05% QDs、 Si@Zn 0.10% QDs、Si@Zn 0.20% QDs在360 nm激發(fā)下的熒光發(fā)射光譜;(b)Si@Zn0.10%QDs的激發(fā)和發(fā)射光譜;圖b的插圖:左側(cè)和右側(cè)分別為在日光和紫外光(365 nm)照射下拍攝的 Si@Zn0.10% QDs溶液照片

2.2 Si@Zn QDs對(duì)CLP的影響

圖4(a)是CLP的激發(fā)和發(fā)射光譜,最佳激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為430 nm和680 nm。通過(guò)CLP的紫外-可見吸收光譜可知,葉綠體進(jìn)行光合作用的有效吸收范圍主要在400～700 nm。我們發(fā)現(xiàn)Si@Zn QDs所發(fā)的藍(lán)光正好處于生菜葉綠體光合作用的有效吸收范圍內(nèi)(圖4(b)),說(shuō)明Si@Zn QDs能將植物不可吸收的紫外光轉(zhuǎn)化為藍(lán)光,從而被葉綠體有效地直接利用。如圖4(c)所示,隨著逐滴加入CLP到Si@Zn QDs溶液中,在360 nm的激發(fā)下,445 nm的熒光峰逐漸猝滅。根據(jù)Si@Zn QDs的發(fā)射光譜與CLP的紫外吸收光譜顯著重疊(圖4(b)),推測(cè)其猝滅機(jī)理可能是內(nèi)濾效應(yīng)或能量共振轉(zhuǎn)移。為了驗(yàn)證可能的機(jī)理,測(cè)定加入CLP前后Si@Zn QDs的熒光壽命。如圖4(d)所示,加入CLP前后Si@Zn QDs熒光壽命分別為10.44 ns和10.35 ns,沒有明顯變化,證實(shí)Si@Zn QDs與CLP之間存在內(nèi)濾效應(yīng)。

圖4 (a)CLP的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜;(b)歸一化的CLP紫外-可見光吸收光譜和在360 nm激發(fā)下Si@Zn QDs的熒光光譜;(c)在360 nm的激發(fā)下,隨著CLP的逐漸滴加Si@Zn QDs的熒光光譜;(d)在450 nm發(fā)射下監(jiān)測(cè)Si@Zn QDs和Si@Zn QDs/CLP的壽命衰減曲線

2.3 希爾反應(yīng)活力檢測(cè)

在光照條件下,葉綠體裂解水,釋放氧氣并還原電子受體(如DCPIP、苯醌、NADP+、NAD+等)的反應(yīng)稱作希爾反應(yīng)[30]。通過(guò)希爾反應(yīng)活性檢測(cè),我們能比較生菜的葉綠體活性。為了驗(yàn)證葉綠體是否將吸收的藍(lán)光用于光合作用,以及不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs對(duì)光合作用的影響,我們進(jìn)行希爾反應(yīng)活性檢測(cè)。觀察不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs對(duì)葉綠體還原DCPIP的影響規(guī)律。圖5(a)是不同鋅摻雜量量子點(diǎn)對(duì)葉綠體還原DCPIP的影響,我們發(fā)現(xiàn)摻雜鋅元素過(guò)后,被還原的DCPIP量增多,代表著光反應(yīng)中電子傳遞速率加快,說(shuō)明生菜的葉綠體能夠吸收Si@Zn QDs發(fā)射的藍(lán)光并用于光合作用,提高光能利用率。Si@Zn QDs的鋅摻雜量為0.10%時(shí),對(duì)葉綠體光合作用的促進(jìn)效果最明顯。圖5(b)是不同濃度Si@Zn0.10%QDs對(duì)葉綠體還原DCPIP的影響,我們發(fā)現(xiàn)在一定的濃度范圍內(nèi),Si@Zn0.10%QDs的濃度越大,對(duì)葉綠體光合作用的促進(jìn)效果越明顯。

圖5 SiQDs和Si@Zn QDs對(duì)葉綠體還原DCPIP的影響 (ΔAbs表示DCPIP還原速率)(a)不同鋅摻雜量的Si@Zn QDs;(b)不同濃度的Si@Zn0.10% QDs

2.4 摻鋅葉面光肥對(duì)生菜的影響

2.4.1 不同鋅摻雜量和不同濃度的Si@Zn QDs對(duì)生菜生長(zhǎng)的作用

如圖6(a)所示,與噴灑清水的空白對(duì)照組相比,噴灑不同鋅摻雜量的Si@Zn QDs分散液(100 mg·L-1)時(shí),生菜的干、鮮質(zhì)量均有提高,說(shuō)明Zn元素對(duì)生菜的生長(zhǎng)有促進(jìn)效果。其中,當(dāng)鋅摻雜量為0.1%時(shí),Si@Zn QDs對(duì)生菜干、鮮質(zhì)量的提高效果最明顯,與希爾反應(yīng)反應(yīng)活性檢測(cè)相一致。與對(duì)照組相比,干質(zhì)量和鮮質(zhì)量分別增加41.64%和52.20%. 當(dāng)鋅摻雜量為0.20%時(shí),Si@Zn QDs對(duì)生菜干、鮮質(zhì)量的促進(jìn)效果反而減弱。這可能是生菜對(duì)鋅的吸收已滿足生菜正常生長(zhǎng)的需要,鋅含量過(guò)高抑制植物中其他離子的含量導(dǎo)致促進(jìn)效果減弱[31]。如圖6(b)所示,在5～100 mg·L-1的Si@Zn0.10%QDs濃度范圍內(nèi),隨著Si@Zn0.10%QDs濃度升高,生菜中干、鮮質(zhì)量也隨之增加。與對(duì)照組相比,鮮質(zhì)量分別增加17.27%、26.28%、40.06%和50.19%,干質(zhì)量分別增加9.54%、33.12%、47.30%和57.59%。

圖6 (a)不同鋅摻雜量Si@Zn QDs (100 mg·L-1)對(duì)生菜干質(zhì)量和鮮質(zhì)量的影響(CK為用清水處理的對(duì)照組和(b)不同濃度Si@Zn0.10% QDs對(duì)生菜干質(zhì)量和鮮質(zhì)量的影響(圖內(nèi)不同字母表示各處理在0.05水平的差異顯著性)

2.4.2 不同濃度Si@Zn0.10%QDs對(duì)生菜葉片光合色素的影響

為進(jìn)一步確定Si@Zn QDs對(duì)生菜光合作用的影響,我們采用丙酮乙醇混合法測(cè)定不同濃度Si@Zn0.10%QDs處理后的生菜葉片中光合色素含量。葉綠素作為植物光合作用中的主要色素,在光吸收和轉(zhuǎn)化為化學(xué)能中起著核心作用。如圖7所示,在0～100 mg·L-1的范圍內(nèi),光合色素含量隨著Si@Zn0.10%QDs濃度的升高而增大。相比于空白對(duì)照組,100 mg·L-1的Si@Zn0.10%QDs處理后的生菜葉片中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量分別提高了60.56%、56.37%、61.20%和49.75%。由此可見,生菜幼苗能夠吸收來(lái)自Si@Zn QDs的轉(zhuǎn)換光,使葉綠素含量增加,促進(jìn)光合作用以及生菜幼苗的生長(zhǎng)。

2.4.3 不同濃度Si@Zn0.10%QDs對(duì)生菜蛋白質(zhì)含量的影響

此外,我們還采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定不同濃度Si@Zn0.10%QDs處理的生菜中可溶性蛋白含量。如圖8所示,在0～100 mg·L-1的Si@Zn0.10%QDs濃度范圍內(nèi),隨著濃度升高,生菜中可溶性蛋白含量增大,與對(duì)照組相比分別增加5.44%、12.99%、22.10%和29.90%。這說(shuō)明Si@Zn0.10%QDs作為葉面光肥能夠提高生菜中蛋白含量。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn),我們可知摻鋅葉面光肥對(duì)生菜的干鮮質(zhì)量、光合色素含量以及蛋白質(zhì)含量的提高均有促進(jìn)作用。

圖8 Si@Zn0.10% QDs的濃度對(duì)生菜蛋白質(zhì)含量的影響CK為用清水處理的對(duì)照組,不同字母表示各處理在0.05水平的差異顯著性

3 結(jié)論

采用水熱法成功制備了小尺寸、水溶性好、性能優(yōu)異的Si@Zn QDs。Si@Zn QDs在360 nm的紫外光激發(fā)下產(chǎn)生能與葉綠體的吸收相匹配的藍(lán)色發(fā)射,Si@Zn QDs與葉綠體混合時(shí),熒光峰被猝滅,其原理是內(nèi)濾效應(yīng)。通過(guò)希爾反應(yīng)活性檢測(cè)表明,Si@Zn QDs與葉綠體共存時(shí),能夠提高葉綠體的電子傳遞速率。通過(guò)生菜種植實(shí)驗(yàn),證實(shí)適宜鋅摻雜量的 Si@Zn QDs作為葉面光肥能夠?qū)⑻?yáng)能的紫外光轉(zhuǎn)化為植物可吸收的藍(lán)光,促進(jìn)生菜的光合過(guò)程,提高能量的利用和轉(zhuǎn)換效率,也減弱了紫外線對(duì)植物的毒性。同時(shí),Si@Zn QDs能夠顯著提高生菜的干鮮質(zhì)量、光合色素含量和蛋白質(zhì)含量。因此,本研究表明,Si@Zn QDs利用熒光硅量子點(diǎn)的轉(zhuǎn)光功能及鋅元素的營(yíng)養(yǎng)作用,作為葉面光肥應(yīng)用于生菜種植具有一定的可行性和有效性。