中国农科院杨其长/川大郭俊凌：金属多酚纳米抑藻剂解决植物工厂关键技术瓶颈- 大数跨境

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2024-01-12

导读：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共同开发了金属多酚纳米抑藻剂（CuBes），并将其应用于数千平方米大规模植物工厂水培生产中，实现营养液中藻类的高效和长效抑制

据联合国粮食及农业组织（FAO）的预测，2050年全球人口将达到100亿，这使传统农业保障粮食供应安全面临前所未有的挑战。同时，各种病虫害和气象灾害等极端事件往往会打破传统农业供应粮食的稳定性，从而引发对粮食供给的严重担忧。近年来，植物工厂作为一种环境可控、产能倍增的高效农业生产系统，具有周年供给、高效稳定、安全洁净等特征，能够实现本地化与就近化供应粮食，已经成为保障粮食供应安全的重要的途径之一。但是，由于其主要采用无土栽培的种植方式，所需的营养液中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，极易引起藻类滋生，从而影响作物生长发育，进而降低作物产量。目前，主要采用化学抑制剂抑制水培营养液中藻类的生长，如氧化剂和硫酸铜等。尽管这些化学抑制剂能够有效地控制藻类的生长，但频繁和过量的使用可能带来一系列问题，其中最突出的问题是增加了食品安全方面的风险。过多的化学残留物可能对粮食的质量和安全性产生负面影响。因此，综合多学科知识研发环境友好、具有生物安全性的除藻剂成为该领域研究的热点和重点。

四川大学郭俊凌教授团队主要围绕植物多酚（又名植物单宁）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, Sci. Adv. 2021, Nat. Nanotechnol. 2016, Matter 2023, Nat. Commun. 2022, Angew. Chem. 2014, Angew. Chem. 2019, Angew. Chem. 2023, Angew. Chem. 2024, Adv. Mater. 2013, Adv. Mater. 2020, Adv. Mater. 2023, Chem. Soc. Rev. 2022, Appl. Phys. Rev. 2022, Energy Environ. Sci. 2019, Environ. Sci. Technol. 2023）。经过数年的合作攻关，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共同开发了金属多酚纳米抑藻剂（CuBes），并将其应用于数千平方米大规模植物工厂水培生产中，实现营养液中藻类的高效和长效抑制，解决了植物工厂重大关键技术瓶颈，形成了完全自主知识产权的粮食安全技术体系。相关研究成果发表于材料学顶级期刊ACS Nano，通讯作者为杨其长研究员、郭俊凌教授、王晓玲副研究员，第一作者为都市农业研究所杨晓副研究员和四川大学博士研究生王明耀。

该重要工作基于植物多酚与金属的配位，将大宗生物质资源黑荆树单宁（Black Wattle Tannin, BWT）与活性金属离子（Cu²⁺）络合自组装，制备了生物质纳米抑藻剂（CuBes）。CuBes通过多酚与藻细胞的界面多重相互作用（疏水相互作用、氢键和π–π相互作用等），使其能够黏附在藻细胞表面，并持续向藻细胞内释放Cu²⁺离子，从而表现出高效和持久的抑藻作用（图1）。

图1. 基于植物多酚的纳米抑藻剂的制备和抑制藻类生长示意图

CuBes对藻细胞的抑制效果可持续超过30天，并且抑制率达到99%以上。相比于硫酸铜和美国杜邦Kocide 3000，CuBes对藻类展现出更高的抑制能力。同时，CuBes对多种藻类均具有极高的抑制效率，包括铜绿微囊藻、卵囊藻、纤细裸藻和斜生栅藻等（图2）。

图2. CuBes对藻类的去除性能

转录组分析表明，CuBes处理后的藻细胞中与细胞膜、跨膜转运蛋白活性、叶绿体类囊体膜和细胞壁合成等相关功能基因表达显著下调。同时，CuBes能够抑制藻类光合作用相关途径（叶绿素a和叶绿素b的合成途径）的基因表达（图3）。

图3. CuBes影响藻细胞的基因表达

而且藻细胞内部超氧化物歧化酶（SOD）活性的上升、丙二醛（MDA）含量增大、叶绿素的合成量减少，表明CuBes引起了藻细胞的氧化应激（图4）。此外，CuBes作为纳米颗粒能够降低营养液光透过率，进一步减少藻细胞对光能的获取，进而抑制藻细胞的光合作用（图4）。

图4. CuBes诱导藻细胞凋亡的生物化学变化过程

在实际农业生产应用中，添加CuBes于营养液中，并培养生菜15天。结果表明，CuBes能够有效地抑制水培营养液中藻类的生长，不影响生菜的产量。相比于硫酸铜和美国杜邦Kocide 3000，CuBes具有更高的生物安全性。同时，CuBes的施加还有利于微量元素在生菜植株中的积累，满足膳食的需求。

图5. CuBes在植物工厂水培生菜生产中的应用研究。

该工作融合生物质科学、材料学和植物学等多学科知识和技术，从生物质高值资源化利用角度出发，围绕植物多酚生物质资源，研究开发具有绿色化学属性、高效的新型生物质基纳米抑藻剂，解决水培生产中藻类爆发的问题，解决了植物工厂的关键核心瓶颈问题，为国家粮食安全构筑了完全自主知识产权的粮食安全技术体系。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Cell-Targeted Metal-Phenolic Nanoalgaecide in Hydroponic Cultivation to Enhance Food Sustainability

Mingyao Wang, Xiao Yang, Tao Huang, Mengyue Wang, Yunxiang He, Guidong Gong, Yajing Zhang, Xue Liao, Xiaoling Wang*, Qichang Yang*, and Junling Guo*

ACS Nano, 2023, 17, 25136–25146, DOI: 10.1021/acsnano.3c08077

通讯作者简介

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

郭俊凌，四川大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才，墨尔本大学化学与分子生物学博士，哈佛大学Wyss Fellow。研究主要围绕大宗生物质资源植物多酚（植物单宁）的基础研究和交叉学科应用，发展了植物多酚的高值转化体系，共发表论文130余篇，其中以第一/通讯作者发表在Science、Nat. Nanotechnol.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Matter、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等国际顶级期刊，总引用超5100次（H指数40），申请及授权专利39项。作为项目/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、四川省“天府峨眉”领军人才计划，苏州市及高新区创新创业领军人才，成都市蓉漂计划，成都市高新区产业教授等，现任英属哥伦比亚大学客座教授，成都市委统战部“欧美同学会”专委会副主任，教育部重大人才/轻工学科评审专家，四川省皮革协会理事，《中国化学快报》（英文版）、《皮革科学与工程》等期刊编委等。团队网站：https://www.bmicenter.org/。

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