随着全球能源危机与气候变化的双重挑战加剧，开发高效、可持续的碳中和技术成为科学界的核心议题之一。微藻（如小球藻）因其卓越的光合固碳能力、快速生物质积累特性及高附加值产物合成潜力，被视为生物能源开发与工业碳捕获的理想载体。然而，传统微藻培养体系受限于光合作用效率的天然瓶颈——包括光能吸收范围狭窄、光系统II（PSII）电子传递速率不足，以及卡尔文循环中Rubisco酶固碳活性低下等问题，导致其规模化应用面临经济性与产能的双重制约。

  近年来，纳米材料凭借其独特的光物理化学性质，可精准调控光合作用的关键步骤：通过拓宽光吸收光谱范围增强光捕获效率，通过介导电子传递链降低光系统间的能量损耗，通过仿生矿化策略优化CO₂传递与固定路径。例如，石墨烯量子点（GQDs）可通过π-π共轭结构与PSII反应中心色素分子耦合，加速光生电荷分离；金属氧化物纳米颗粒（如TiO₂、CeO₂）则可通过表面氧空位调控活性氧（ROS）平衡，缓解光抑制效应。

  光作为藻类利用能量的主要形式，是影响微藻生长的最重要因素之一。 光能通过光合系统中的光合色素（包括叶绿素、类胡萝卜素和藻胆蛋白）被吸收与传递。然而，这些色素对白光的吸收范围最多仅覆盖10%。作为主要光合色素，叶绿素a和b仅对蓝光（450–480 nm）和红光（605–700 nm）具有双重吸收峰，为了太阳能利用率最大化，开发高性能光转换材料以提高红蓝光吸收效率，或利用其他波长的光线促进生长，可能成为可行策略。本综述总结了纳米材料通过提高光合利用效率和去除活性氧的潜力来增强微藻生长，包括增加蓝光和红光的吸收、近红外光的光谱转化、紫外光的光谱转化等来增强光能利用效率。

图4：左图：纳米材料在提升微藻光合利用效率及代谢产物产量中的应用机制示意图。(Yuan et al., 2023)右图：在反应器壁面直接涂覆了含有金（Au）、金-银（Au−Ag）贵金属纳米颗粒的二氧化钛（TiO₂）薄膜，该材料可激发局域表面等离子体共振（LSPR）现象。两种薄膜体系显著改变了抵达微藻细胞的透射光光谱：Au/TiO₂涂层在红光区（最大吸收峰672 nm）表现出显著光衰减；Au−Ag/TiO₂涂层的最大吸收峰偏移至642 nm，且LSPR吸收带更宽，经18天培养后，Au/TiO₂涂层组 的叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素积累量分别达到对照组的 2.1倍、2.4倍和3.2倍，显著改善了生物质品质。(Pereira et al., 2025)

图6：该研究通过制备具有双发射特性的碳点（CDs）扩展光吸收范围，提高光能利用效率，成功增强了叶绿体和活体植物的光合作用效率。碳点通过吸收紫外光并转化为叶绿体可利用的蓝光和红光，显著提高了光能捕获和转化效率。(Li et al., 2018)

图7：叶绿素荧光成像图（左）、四肩突四鞭藻（绿藻）的光合速率（中）、呼吸速率（右）随温度的变化。利用藻类高通量光合作用测量系统，测定微藻的叶绿素荧光参数和气体交换参数，评价其光化学转化效率和光合速率，对光合作用效率有更全面地评估。(Bernhardt et al., 2017)

  根据以上实验研究表明，高光谱技术、叶绿素荧光技术能够全面评估植物/微藻的光能利用效率、光合作用效率等，同时可以实现对纳米材料的光学性质检测，另外高光谱技术还可高通量筛选发射光谱与叶绿体吸收光谱相匹配的纳米材料，为纳米技术在农业领域、生物质能源领域的应用提供了强有力的工具。

  Fluortron多功能高光谱成像系统具有多激发光叶绿素荧光高光谱成像分析、UV-MCF紫外光激发生物荧光高光谱成像分析、（反射光）高光谱成像分析等多重功能，同时具备非接触、无损伤、实时性强、信息量丰富等特点，可对纳米材料、微藻（小球藻）等进行全面的光谱解析。能够实现微藻（如小球藻）浓度测量、材料的光学特征性质研究、反映材料对光合反应中心PSⅠ、PSⅡ的影响等目标，可结合叶绿素荧光技术，探索纳米材料促进微藻（小球藻）光合作用机制。

图1：FluorTron®多功能高光谱成像分析系统（左）、UV-MCF光谱曲线（右）

图2：RGB图（左图）、UV-MCF荧光成像图（右图）。从左至右依次为：Fb（439-460nm平均荧光值）、Fg（495-516nm平均荧光值）、Fr1（729-745nm平均荧光值）、Fr2（674-696nm平均荧光值）。

图3：FluorCam1300叶绿素荧光成像系统（左）、叶绿素荧光成像图（右）。

其他藻类研究技术

• 藻类叶绿素荧光测量与监测

自左至右依次为：AquaPen-P叶绿素荧光测量仪、AquaPen-C叶绿素荧光测量仪、Monitoring Pen水下藻类叶绿素荧光监测仪、FL6000双调制叶绿素荧光测量仪、AOM藻类荧光在线监测系统

• 藻类叶绿素荧光成像与高光谱成像

自左至右依次为：FluorTron®多功能高光谱成像系统、Fluorcam多光谱/叶绿素荧光成像系统、微藻高光谱成像分析、蓝藻UV-MCF紫外光激发荧光光谱

• FKM多光谱荧光动态显微成像技术

从左至右依次为：FKM多光谱荧光动态显微成像系统、藻类异形胞光合生理与变化过程、重金属胁迫对藻类/植物的影响

• 藻类培养与在线监测/光养生物反应器技术

自左至右依次为：MC1000多通道藻类培养与在线监测系统、FMT150藻类光养生物反应器、ET-PSI大型藻类培养与在线监测系统、光养生物反应器技术/定制化藻类培养与在线监测系统

参考文献：

[1]Yuan X ,Gao X ,Liu C , et al.Application of Nanomaterials in the Production of Biomolecules in Microalgae: A Review[J].Marine Drugs,2023,21(11):594-.

• Pereira F, Vicente A A, Vaz F, et al. Influence of plasmonic thin-film-coated photobioreactors on microalgal biomass composition[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2025.
• Li, W.; Wu, S.S.; Zhang, H.R.; Zhang, X.J.; Zhuang, J.L.; Hu, C.F.; Liu, Y.L. Enhanced biological photosynthetic efficiency using light-harvesting engineering with dual-emissive carbon dots.Adv. Funct. Mater.2018,28, 1804004.
• Bernhardt, J.R., Sunday, J.M., O’Connor, M.I., 2017. An empirical test of the temperature dependence of carrying capacity. bioRxiv, 210690.