CN113930342A - 促进光合生物生长的培养体系与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种促进光合生物生长的方法，具体地，涉及一种利用聚集诱导发光分子促进光合生物如蓝藻生长的方法。该聚集诱导发光分子能够在光合生物的培养基中形成纳米聚集体，从而吸收光源中无法被光合生物吸收和利用的短波长的光，并高效发射能够被光合生物吸收和利用的可见光，进而促进光合生物的生长。本发明为光合生物的二氧化碳固定、生物资源开发等提供了应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及化学与生物的交叉技术领域，具体地，涉及了一种利用聚集诱导发光分子的纳米聚集体促进光合生物的光合作用与生长的方法，为光合生物的二氧化碳固定、生物资源开发等提供了应用前景。
背景技术
随着人口的增长，资源的需求越来越高，而全球变暖、食物以及可持续能源短缺的挑战正威胁着全球人口，因此，可持续发展是目前的重要目标。光合生物能够将二氧化碳和光能转化为可用作食物和生产生物燃料的生物分子。因此，规模化培养光合生物为提供可持续的食物、能源和药品等提供了思路。这些巨大的挑战期望可以通过大量增加光合生物的生长和产量来解决，这其中，无需土壤即可种植的植物和藻类倍受关注，尤其是生长速度非常快且不需要耕地和淡水的蓝藻。
光的利用是光合生物生存和生长的重要步骤。然而目前所使用的自然光源或者人造光源与光合生物的利用效率并不匹配。光转换材料，尤其是荧光材料，具有对光源中的光谱进行转化的能力，可以将光源中无法利用的光转化为光合生物能够高效利用的光，从而增强光合作用，进而促进光合生物的生长，同时实现二氧化碳的固定。
已经针对提高光合生物产量的人工培养系统进行了许多努力，例如，目前已有报道，在海藻的培养箱外增加一个将紫外线转化为可见光的转化层，可以提高海藻的生物量约30％。这种光生物反应器因生产食物、生物燃料且减少二氧化碳而备受关注，但是，其对光合生物生长的促进有限。因此，本领域仍需要能够显著促进光合生物生长的方法。
发明内容
如上所述，本领域期望开发一种能够显著促进光合生物生长的方法，其能够将光源中无法利用的光转化为光合生物能够高效利用的光，从而增强光合生物的光合作用，并实现二氧化碳的固定。
本发明的发明人基于聚集诱导发光分子在其不良溶液(如水溶液)中形成纳米聚集体而发出荧光，找到一种不仅能够改变光合生物的培养体系中光的波长，而且能够改善培养体系中光的空间分布的方法，该方法不仅显著提高了光合生物对光的利用率，促进了光合生物的生长，而且实现了二氧化碳的固定。
因此，在本发明的第一方面，提供了一种用于培养光合生物和/或固定二氧化碳的培养体系，所述培养体系包含聚合诱导发光分子。
在本发明的第二方面，提供了一种促进光合生物生长的方法，包括在聚集诱导发光分子的存在下培养所述光合生物。
在本发明的第三方面，提供了一种固定二氧化碳的方法，所述方法包括：在聚集诱导发光分子的存在下培养光合生物，并且在此期间持续地向培养基中通入二氧化碳。
本发明的有益之处在于：本发明提供了一种促进光合生物生长、尤其是水生光合生物生长的新思路，即，利用聚集诱导发光分子在培养基中形成分散在光合生物周围的纳米聚集体，改变培养体系的光的波长和空间分布，进而提高光合生物对光的利用率。光合生物与聚集诱导发光分子在培养基中共培养一段时间后，聚集诱导发光纳米聚集体的促进作用使得光合生物的数量、干重生物量和脂质能够达到未加入纳米聚集体的4-10倍，例如6倍，并且在持续通入二氧化碳条件下，光合生物的数量进一步增加约50％，例如增至9倍。这种促进光合生物、尤其是水生光合生物数倍生长的技术效果为基于光合生物的二氧化碳固定、可持续食品和能源等开发提供了巨大的潜力。
附图说明
本发明附图与本发明的实施例一起提供了对本发明的进一步解释，并且构成说明书的一部分。显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施方案，而并不构成对本发明的限制。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方案。
图1示出了聚集诱导发光分子(AIE)的纳米聚集体增强蓝藻(CB)生长的示意图。
图2示出了TPBA、APO和蓝藻(CB)的光物理性质：A)水溶液中CB的吸收光谱、海平面上的太阳光光谱以及商业化的白光LED灯光谱；B)TPBA和APO在含有0.1％的DMSO的海水里的吸收光谱；C)TPBA、CB以及TPBA+CB在400nm光激发下的荧光光谱；D)APO、CB以及APO+CB在400nm光激发下的荧光光谱，其中APO和TPBA浓度分别是10-5M，CB的浓度是106个/毫升。
图3示出了A)APO和B)TPBA在海水(含有0.1％的DMSO)中的水合粒径，其中APO和TPBA浓度分别是10-5M。
图4示出了蓝藻(Ctrl)、TPBA+CB以及APO+CB的激光共聚焦成像，其中：绿色荧光信号(A1、B1、C1)和红色荧光信号(A2、B2、C2)使用405nm光激发，分别为聚集诱导发光分子TPBA+CB、APO+CB或CB(Ctrl)；信号重叠图片(A3、B3、C3)是TPBA+CB、APO+CB或CB的绿色与红色荧光共定位；红色荧光信号(A4、B4、C4)使用488nm光激发，其代表CB自发荧光；其中APO和TPBA的浓度均为10-5M，CB的浓度为107个/毫升。
图5示出了不同浓度(0、1、2、5、10、15和20μM)的聚集诱导发光分子TPBA和APO对蓝藻(CB)的细胞毒性，其中，对照组为仅CB，CB的浓度为1.0×107个/毫升。
图6示出了与聚集诱导发光分子TPBA或APO一起培养对蓝藻(CB)生长期间的A)细胞浓度；B)干重生物量；以及C)脂质产量的影响；以及D)二氧化碳和E)太阳光照对CB生长期间的细胞浓度的影响；以及F)不同浓度(5μM、10μM和20μM)的聚集诱导发光分子TPBA(实心)或APO(空心)对CB免受紫外射线杀伤的保护作用，其中：对照组为仅CB，TPBA组为CB+TPBA，APO组为CB+APO(组)，插图为CB培养14天后的照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细的描述。需理解，以下描述仅以示例方式来对本发明进行说明，而无意于对本发明的范围进行限制，本发明的保护范围以随附权利要求为准。并且，本领域技术人员理解，在不背离本发明的精神和主旨的情况下，可以对本发明的技术方案进行修改。若并未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
在对本发明进行详细描述之前，提供以下定义以更好地理解本发明。除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所述主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在提供数值范围的情况中，例如浓度范围、百分比范围或比率范围，应当理解，除非上下文另有明确规定，否则在该范围的上限与下限之间的、到下限单位的十分之一的各中间值以及在所述范围内的任何其他所述值或中间值包含在所述主题内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，并且此类实施方案也包括在所述主题内，受限于所述范围中的任何特定排除的极限值。在所述范围包括一个或两个极限值的情况中，排除那些所包括的极限值中的任一个或两个的范围也包括在所述主题中。
在整个申请中，各种实施方案的描述使用“包含”语言。然而，本领域技术人员将理解，在一些特定情况中，实施方案可以替代地使用语言“基本上由……组成”或“由……组成”进行描述。
为了更好地理解本教导并且决不限制本教导的范围，除非另外指出，否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其他数值在所有情况下都应理解为由术语“约”进行修饰。因此，除非相反地指出，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数为近似值，其可以根据寻求获得的所需性质而变化。至少，每个数值参数应该至少根据所报告的有效数字的数值并通过应用普通的舍入技术来进行解释。
如上所述，本领域期望一种能够显著促进光合生物生长的方法，从而为光合生物的二氧化碳固定、生物资源开发等提供应用前景。
因此，在本发明的第一方面，提供了一种用于培养光合生物和/或固定二氧化碳的培养体系，所述培养体系包含聚合诱导发光分子。
如本文所使用的，术语“聚集诱导发光分子”是2001年由唐本忠等人首次提出相关科学概念，与聚集诱导淬灭分子相反，具有聚集诱导发光特性的荧光分子在溶液中几乎不发光，但聚集时由于分子内运动受限(RIM)原理而会产生强发射。聚集诱导发光分子具有聚集态强烈发射荧光的特点，已经被广泛用于生物检测、生物成像等生物医学领域。
如本文所使用的，短语“聚集诱导发光”或“AIE”是指化合物以无定形或结晶(固体)状态聚集时表现出显著增强的光发射而在稀溶液中表现出弱发射或几乎无发射的现象。
在一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子能够将300nm至450nm的短波长光转化为所述光合生物能够吸收的450nm至700nm的长波长光。
在进一步具体的实施方案中，所述长波长光是波长为450nm至600nm、450nm至550nm、或500nm至600nm的可见光。
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子与所述光合生物是生物相容的。
如本文所使用的，术语“生物相容”是指所述聚集诱导发光分子对所述光合生物没有或者几乎没有毒性。
在进一步具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子为下式示出的任一种或者两种：
具体来说，TPBA的全称为3-二苯基氨基-6-(2-吡啶基)苯基二苯基硼(3-diphenylamino-6-(2-pyridinyl)phenyldiphenylboron)；APO的全称为4-((2,2-二氟-5-苯基-2,3-二氢-1,3,4,2-氧杂二氮杂硼-3-甲叉基)甲基)-N,N-二甲基苯胺(4-((2,2-difluoro-5-phenyl-2,3-dihydro-1,3,4,2-oxadiazabor ol-3-ylidene)methyl)-N,N-dimethylaniline)。
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子在培养基中为纳米聚集体的形式。在优选的实施方案中，所述纳米聚集体的平均尺寸为80nm至400nm。在进一步优选的实施方案中，所述纳米聚集体的平均尺寸为100nm至300nm。例如，TPBA纳米聚集体在培养基中的平均尺寸为约260纳米，APO纳米聚集体在培养基中的平均尺寸为约150纳米。
在又一个具体的实施方案中，在所述培养基中，所述聚集诱导发光分子的浓度为1μM至20μM。在优选的实施方案中，所述聚集诱导发光分子的浓度为10μM至20μM。
如本文所使用的，术语“光合生物”是指利用光合色素如叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的植物或微生物如藻类和某些细菌，例如微藻或大型海藻，如蓝藻(cyanobacteria)的聚球藻属(synechococcus)、念珠藻属(Nostoc)、鱼腥藻属(Anabaena)，绿藻(chlorophyta)，褐藻(phaeophyta)等，但不限于此。
在又一个具体的实施方案中，所述光合生物为水生光合生物。如本文所使用的，术语“水生光合生物”是指生活在水中，能以光为能量进行光合作用的生物。
在更进一步具体的实施方案中，所述光合生物可以为微藻或大型海藻。
在更进一步具体的实施方案中，所述光合生物可以为蓝藻、绿藻、褐藻如海带等，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述微藻可以为蓝藻、绿藻等，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述大型海藻可以为褐藻如海带等，但不限于此。
在又一个具体的实施方案中，在所述培养基中，所述纳米聚集体分散在所述光合生物的周围。
在第二方面，提供了一种促进光合生物生长的方法，包括在聚集诱导发光分子的存在下培养所述光合生物。
在一个具体的实施方案中，所述方法还包括在所述培养期间持续地向培养基中通入二氧化碳。
在进一步具体的实施方案中，所述通入二氧化碳是指通入包含二氧化碳的新鲜空气。
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子能够将300nm至450nm的短波长光转化为所述光合生物能够吸收的450nm至700nm的长波长光。
在进一步具体的实施方案中，所述长波长光是波长为450nm至600nm、450nm至550nm、或500nm至600nm的可见光。
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子与所述光合生物是生物相容的。
在进一步具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子为下式示出的任一种或者两种：
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子在所述培养基中为纳米聚集体的形式。在优选的实施方案中，所述纳米聚集体的平均尺寸为80nm至400nm。在进一步优选的实施方案中，所述纳米聚集体的平均尺寸为100nm至300nm。例如，TPBA纳米聚集体的平均尺寸为约260纳米，APO纳米聚集体的平均尺寸为约150纳米。
在又一个具体的实施方案中，在所述培养基中，所述聚集诱导发光分子的浓度为1μM至20μM。
在优选的实施方案中，所述聚集诱导发光分子的浓度为10μM至20μM。
在又一个具体的实施方案中，在所述培养基中，所述纳米聚集体分散在所述光合生物的周围。
在又一个具体的实施方案中，所述光合生物为水生光合生物。
在更进一步具体的实施方案中，所述光合生物可以为微藻或大型海藻。
在更进一步具体的实施方案中，所述光合生物可以为蓝藻、绿藻、褐藻如海带等，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述微藻可以为蓝藻、绿藻等，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述大型海藻可以为褐藻如海带等，但不限于此。
在又一个具体的实施方案中，所述促进光合生物的生长包括使所述光合生物的数量、干重生物量和脂质产量升高，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述促进光合生物的生长包括使所述光合生物的数量、干重生物量和脂质产量升高4-10倍。
在第三方面，提供了一种固定二氧化碳的方法，所述方法包括：在聚集诱导发光分子的存在下培养光合生物，并且在此期间持续地向所述培养基中通入二氧化碳。
如本文所使用的，术语“二氧化碳固定”也被称为二氧化碳同化、碳素同化，即指生物吸收二氧化碳并将其转化成为有机物质。对于本发明中使用的光合生物而言，其在光合作用中吸收二氧化碳，形成有机碳化合物并产生氧气。
在一个具体的实施方案中，所述通入二氧化碳是指通入包含二氧化碳的新鲜空气。
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子能够将300nm至450nm的短波长光转化为所述光合生物能够吸收的450nm至700nm的长波长光。
在进一步具体的实施方案中，所述长波长光是波长为450nm至600nm、450nm至550nm、或500nm至600nm的可见光。
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子与所述光合生物是生物相容的。
在进一步具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子为下式示出的任一种或者两种：
在又一个具体的实施方案中，所述聚集诱导发光分子在所述培养基中为纳米聚集体的形式。在优选的实施方案中，所述纳米聚集体的平均尺寸为80nm至400nm。在进一步优选的实施方案中，所述纳米聚集体的平均尺寸为100nm至300nm。例如，TPBA纳米聚集体的平均尺寸为约260纳米，APO纳米聚集体的平均尺寸为约150纳米。
在又一个具体的实施方案中，在所述培养基中，所述纳米聚集体分散在所述光合生物的周围。
在又一个具体的实施方案中，所述光合生物为水生光合生物。
在进一步具体的实施方案中，所述光合生物可以为微藻或大型海藻。
在更进一步具体的实施方案中，所述光合生物可以为蓝藻、绿藻、褐藻如海带等，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述微藻可以为蓝藻、绿藻等，但不限于此。
在更进一步具体的实施方案中，所述大型海藻可以为褐藻如海带等，但不限于此。
在又一个具体的实施方案中，在所述培养基中，所述聚集诱导发光分子的浓度为1μM至20μM。
在优选的实施方案中，所述聚集诱导发光分子的浓度为10μM至20μM。
本发明的有益之处在于：本发明提供了一种促进光合生物如蓝藻的生长的培养体系和相关方法，该方法通过使与光合生物具有生物相容性的聚集诱导发光分子如TPBA和APO直接与该光合生物一起孵育，聚集诱导发光分子在培养体系中形成的纳米聚集体能够将对光合生物无用甚至有害的短波长的紫外-可见光(如300nm至450nm的光)转化为光合生物能够吸收且利用的长波长光，例如450nm至600nm的可见光，进而实现对培养体系中的光源的波长和空间分布进行调控，促进光合生物生长的数倍增长。本发明为光合生物的二氧化碳固定、资源开发、尤其是生物能源如生物燃料的开发提供了巨大的潜力。
实施例
下述实施例将以蓝藻(synechococcus bacillaris)为实验对象，验证根据本发明设计的方法对蓝藻生长的促进作用。如无特殊说明，其中采用的试验方法均为常规方法，并且如无特殊说明，下述实施例中所用的试验材料均为自常规化试剂商店购买所得。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
应注意，本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，而并非旨在限制本发明。上文的发明内容部分以及下文的详细描述仅为具体阐释本发明之目的，无意于以任何方式对本发明进行限制。在不背离本发明的精神和主旨的情况下，本发明的范围由随附的权利要求书确定。
材料
所有的化学药品和试剂都是从化学来源购买的。例如硼酸三苯胺购自sigma；苯酰肼购自sigma；各溶剂购自阿拉丁。
测量
核磁共振(NMR)光谱：使用Bruker ARX 400NMR光谱仪，以CDCl3或THF-d8作为溶剂记录1H和13C NMR光谱。
质谱(MS)：使用GCT premier CAB048质谱仪高在MALDI-TOF模式下记录高分辨率质谱(HRMS)。
吸收光谱：使用Milton Roy Spectronic 3000阵列分光光度计测量。
稳态荧光光谱：使用Perkin-Elmer LS 55分光荧光计测量。
动态光散射(DLS)：使用ZetaPlus粒度分析仪(购自布鲁克汉文仪器公司，美国)测量尺寸分布。
荧光成像：通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)(ZEISS，型号为LSM810，德国)拍摄。
实施例1：TPBA的合成：
在氮气保护下，向4-(二苯基氨基)苯基硼酸和2-溴吡啶的甲苯和乙醇混合物溶液中加入四(三苯基膦)钯[Pd(PPh3)4]和碳酸钾。加热回流20小时后，纯化混合物得到白色固体TPAP。将化合物TPAP和N,N-二异丙基-乙胺溶解在二氯甲烷中，然后在冰上滴加三溴化硼的二氯甲烷溶液。然后，将混合物在室温下搅拌过夜。将混合物纯化以得到呈橙色固体状的化合物TPAPBr。在氮气氛下向化合物TPAPBr的甲苯溶液中加入二苯基锌。然后将混合物在70℃搅拌反应12小时。纯化混合物得到纯的TPBA，为黄色固体。1H NMR(400MHz,CDCl3),δH＝8.44(d,J＝5.3Hz,1H),7.98-7.95(t,J＝7.5Hz,1H),7.88(d,J＝7.9Hz,1H),7.70(d,J＝8.3Hz,1H),7.49(s,1H),7.30-7.17(m,19H),7.09-7.06(t,J＝7.0Hz,2H),6.96(d,J＝7.6Hz,1H)。13C NMR(100MHz,CDCl3),δC＝158.14,150.60,147.47,143.98,140.21,133.12,129.71,129.24,127.32,125.59,125.30,123.73,123.47,122.59,120.35,120.22,117.44。C35H27BN2[M]+的MALDI-MS理论值为：486.23，实测值为：486.2288。
实施例2：APO的合成
将苯甲酰肼和4-(二甲氨基)苯甲醛溶解在甲醇中，然后将所得混合物回流过夜。使上述腙中间体悬浮在1,2-二氯乙烷中，依次加入烯丙基三甲基硅烷和三氟化硼醚合物。将反应烧瓶浸入120.1℃的沸腾油浴中搅拌过夜。纯化粗产物得到呈黄色固体状的APO。1HNMR(400MHz,THF-d8),d(ppm):8.45–8.43(m,2H),8.16(d,2H,J＝7.2Hz),7.86(s,1H),7.59–7.55(m,1H),7.51–7.49(m,2H),6.89–6.87(m,2H),3.16(s,6H)。13C NMR(100MHz,THF-d8),d(ppm):170.65,155.63,151.25,138.14,133.58,129.66,129.41,129.27,128.47,117.98,112.88,112.53,40.54,40.22。C16H16BF2N3O[M]+的HRMS(MALDI-TOF)理论值为：316.1354，实测值为：316.1354。
实施例3：海水中蓝藻和聚集诱导发光分子的光谱表征
在本实施例中，对蓝藻(CB)和聚集诱导发光分子APO和TPBA进行了光谱表征，其中，APO和TPBA浓度分别是10-5M，蓝藻的浓度是106个/毫升。
首先，测量了海水(含有0.1％的DMSO)中蓝藻在可见光范围(400nm至700nm)的吸收光谱，其结果如图2A所示，蓝藻的吸收峰值分别在450nm的蓝色区域和630nm的红色区域，表明在蓝色、绿色和红色区域具有较强的吸收，而对于550nm至610nm的光照吸收较弱。在这种情况下，对于紫外线(300nm至400nm)较强的热带海洋的太阳光而言，紫外波段(300nm至400nm)的光无法被蓝藻高效利用，并且对于蓝藻的光合作用无用甚至有害。同时，对于白光LED光谱，波长范围为490nm至550nm的绿色波段的缺少也不利于蓝藻的吸收与生长。
接着，测量了聚集诱导发光分子TPBA和APO在海水中的紫外可见吸收光谱，其结果如图2B所示。结果显示，TPBA和APO在海水中表现出对于紫外光和蓝光的吸收，具体地，TPBA的吸收峰分别在310nm和430nm附近，而APO的分别在300nm和380nm附近。
然后，分别测量了TPBA、APO、蓝藻(CB)、TPBA与蓝藻混合(TPBA+CB)以及APO与蓝藻混合(APO+CB)在海水中的光致发光光谱。结果如图2C和2D图所示。TPBA和APO具有很高的聚集态荧光量子产率，分别为88.4％和25％。在400nm的激发光照下，单独的CB却只有微弱的叶绿素自发荧光，即在红色荧光区域的680nm附近具有吸收峰，加入TPBA和APO的蓝藻溶液则可以检测到明显的450nm至600nm可见光。一方面，由图2C所示，TPBA聚集态本身在450nm至550nm的蓝色和绿色光区域中显示出高强度的荧光发射。在含有TPBA的海水中加入CB后，聚集态TPBA在450nm至550nm区域的荧光强度减弱，而CB在680nm附近的红色荧光因TPBA的孵育作用而增加。这表明该聚集诱导发光分子的光致发光被CB吸收，导致其叶绿素荧光增强。这一现象对于APO更为明显，根据图2D所示，APO的光致发光光谱覆盖了500nm至600nm的波长区域，在APO的作用下，CB的叶绿素荧光显著增强。
上述均表明，聚集诱导发光分子TPBA和APO可以将短波长的紫外-可见光源(如300nm至450nm)转化为450nm至600nm的可见光，并被CB吸收和利用。
实施例4：TPBA和APO在海水中的粒径
TPBA和APO均不溶于水，并且在海水中形成聚集体。使用ZetaPlus粒度分析仪通过动态光散射(DLS)法测量了浓度均为10-5M的TPBA和APO在海水(含有0.1％DMSO)中的聚集体的粒径，结果如图3所示。从图中可知，TPBA聚集体的粒径约为260nm，APO聚集体的粒径约为150nm，均处于纳米尺寸级别。
实施例5：蓝藻与TPBA和APO的激光共聚焦成像
在蔡司激光扫描共聚焦显微镜(LSM810)上收集和分析蓝藻(Ctrl)、CB(蓝藻)+TPBA、以及CB+APO的激光共聚焦扫描显微镜图像，其中APO和TPBA的浓度均为10-5M，蓝藻的浓度为107个/毫升。使用405nm的激光激发TPBA和APO发出荧光(绿色)，使用405nm或488nm的激光激发CB的自发荧光(红色)。结果如图4所示，绿色荧光信号只在加入聚集诱导发光分子TPBA或APO的组才能检测到，而红色荧光信号在含有CB的所有组里都能检测到，并且488nm的光激发下的红色荧光信号在各组中均较亮。其中，在加入聚集诱导发光分子的成像结果中，共定位信号表明，大部分绿色荧光信号和红色荧光信号在空间上分离，绝大部分聚集诱导发光分子形成聚集体，分布在CB周围，实现空间环绕与光的空间部分的调控。
实施例6：TPBA和APO对蓝藻的生物相容性：
在本实施例中，检测了聚集诱导发光分子TPBA和APO纳米颗粒(聚集体)对蓝藻(CB)的细胞毒性测试。具体地，在模拟的每日循环下，向CB(1.0×107个细胞/mL)中加入不同浓度的聚集诱导发光分子TPBA或APO(浓度分别为0、1、2、5、10、15和20μM)，并孵育96小时。之后对CB进行形态观察并细胞计数。结果如图5所示，与TPBA或APO共孵育的CB的相对存活力与对照(无TPBA或APO)几乎相同，这表明即使在TPBA或APO浓度高达20μM情况下，对CB也几乎没有毒性，显示出TPBA和APO良好的生物相容性。
实施例7：TPBA和APO对蓝藻生长的影响
在16小时白光LED照明和8小时黑暗条件下，通过分别测量仅蓝藻(CB，对照组)、蓝藻+TPBA(TPBA组)、以及蓝藻+APO(APO组)的细胞浓度来研究蓝藻的生长曲线。其中，APO和TPBA的浓度为10-5M，蓝藻接种的浓度为104个/毫升。结果如图6A(插图为蓝藻培养14天后的照片)所示，加入聚集诱导发光分子的蓝藻表现出显著增大的细胞密度，这种差异在培养后第3天开始发生，在14天培养周期结束后，经测量得到加入TPBA的蓝藻的细胞数量大约为对照组的六倍，而加入APO的蓝藻的数量约为对照组的五倍。
因此，分析了不同组的蓝藻在生长过程中的干重生物量和脂质产量。其中，APO和TPBA的浓度为10-5M，蓝藻的接种浓度为104个/毫升。结果如图6B和6C所示，加入TPBA的蓝藻的干重生物量和脂质产量大约为对照组的六倍，而加入APO的蓝藻的干重生物量和脂质产量约为对照组的五倍，这一结果与细胞浓度一致。这些结果表明，使用聚集诱导发光纳米聚集体，能够促进蓝藻吸收更多的有用光，由此使蓝藻具有更高的光合效率和生长速度，表现出光合固碳的潜力。
实施例8：二氧化碳的固定
考虑到虽然光反应的增加有助于增加生长速度，但暗反应中可能没有足够的二氧化碳，这可能会限制生长速度。因此，研究了向培养基中持续通入新鲜空气以持续提供二氧化碳这一培养条件下蓝藻的生长结果(细胞浓度)，其中，APO和TPBA的浓度为10-5M，蓝藻的接种浓度为104个/毫升。结果如图6D(插图为蓝藻培养14天后的照片)所示，与不提供CO2的情况(图6A)相比，TPBA或AOP处理的蓝藻的细胞浓度进一步增加了约50％。在此条件下，细胞浓度是无聚集诱导发光分子且无二氧化碳供给的对照组的约7-9倍。
实施例9：自然光下TPBA和APO对蓝藻生长的影响
由于自然光是光合作用最可用的光源，因此还研究了海平面附近的自然太阳光的培养条件下的蓝藻生长，蓝藻在每天12小时太阳光和12小时黑暗的孵育条件下，孵育12天。其中，APO和TPBA的浓度为10-5M，蓝藻的接种浓度为104个/毫升。细胞浓度结果如图6E所示，加入聚集诱导发光分子TPBA或APO的蓝藻的细胞数量是无聚集诱导发光分子的对照组的约4倍，也就是说，在自然和人工光源下，聚集诱导发光纳米聚集体的使用均可以促进蓝藻的生长。
实施例10：紫外光暴露对蓝藻生长的影响
研究了紫外光暴露对蓝藻生长的影响，以及聚集诱导发光纳米聚集体对蓝藻免受紫外光杀伤的保护作用。采用每天16小时白光孵育后进行1.5小时的紫外光暴露以及6.5小时的黑暗这一培养条件，孵育14天后，蓝藻的生长结果(细胞浓度)如图6F所示。其中，APO和TPBA的浓度为10-5M，蓝藻的接种浓度为104个/毫升。结果表明，一方面，在无聚集诱导发光纳米聚集体的对照组中，蓝藻无法生长，其可能因紫外光暴露而被杀死。可见，对于紫外线(300nm至400nm)较强的热带海洋的太阳光而言，紫外波段(300nm至400nm)的光无法被蓝藻高效利用，并且对于蓝藻的光合作用是有害的。另一方面，与TPBA或APO一起孵育的蓝藻则能够存活下来并继续生长，这表明聚集诱导发光分子具有保护蓝藻免受紫外光杀伤的作用。虽然TPBA和APO对紫外光暴露有保护作用，但与正常情况相比，蓝藻的细胞浓度仍然有所下降。并且发现TPBA和APO的保护效果取决于其浓度。如图6F所示，蓝藻的细胞浓度随着TPBA或APO的浓度从5μM至20μM增加而增加，这表明TPBA或APO对蓝藻的保护作用随其浓度的增加而增加。
Claims (26)
1.一种用于培养光合生物和/或固定二氧化碳的培养体系，所述培养体系包含聚合诱导发光分子。
2.根据权利要求1所述的培养体系，其中，所述聚集诱导发光分子能够将300nm至450nm的短波长光转化为所述光合生物能够吸收的450nm至700nm的长波长光，例如波长为450nm至600nm、450nm至550nm、或500nm至600nm的可见光。
3.根据权利要求1或2所述的培养体系，其中，所述聚集诱导发光分子与所述光合生物是生物相容的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的培养体系，其中，所述聚集诱导发光分子为下式示出的任一种或者两种：
5.根据权利要求1-4中任一项所述的培养体系，其中，所述聚集诱导发光分子在培养基中为纳米聚集体的形式；优选地，所述纳米聚集体的平均尺寸为80nm至400nm，优选为100nm至300nm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的培养体系，其中，在所述培养基中，所述聚集诱导发光分子的浓度为1μM至20μM，优选为10μM至20μM。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的培养体系，其中，所述光合生物为水生光合生物，例如微藻或大型海藻，如蓝藻(cyanobacteria)、绿藻(chlorophyta)、褐藻(phaeophyta)如海带(Laminaria japonica)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的培养体系，其中，在所述培养基中，所述纳米聚集体分散在所述光合生物的周围。
9.一种促进光合生物生长的方法，包括在聚集诱导发光分子的存在下培养所述光合生物。
10.根据权利要求9所述的方法，其还包括在所述培养期间持续地向培养基中通入二氧化碳，如通入包含二氧化碳的新鲜空气。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子能够将300nm至450nm的短波长光转化为所述光合生物能够吸收的450nm至700nm的长波长光，例如波长为450nm至600nm、450nm至550nm、或500nm至600nm的可见光。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子与所述光合生物是生物相容的。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子为下式示出的任一种或者两种：
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子在所述培养基中为纳米聚集体的形式；优选地，所述纳米聚集体的平均尺寸为80nm至400nm，优选为100nm至300nm。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其中，在所述培养基中，所述聚集诱导发光分子的浓度为1μM至20μM，优选为10μM至20μM。
16.根据权利要求9-15中任一项所述的方法，其中，在所述培养基中，所述纳米聚集体分散在所述光合生物的周围。
17.根据权利要求9-16中任一项所述的方法，其中，所述光合生物为水生光合生物，例如微藻或大型海藻，如蓝藻(cyanobacteria)、绿藻(chlorophyta)、褐藻(phaeophyta)如海带(Laminaria japonica)。
18.根据权利要求9-17中任一项所述的方法，其中，所述促进光合生物的生长包括使所述光合生物的数量、干重生物量和脂质产量升高，例如升高4-10倍。
19.一种固定二氧化碳的方法，所述方法包括：在聚集诱导发光分子的存在下培养光合生物，并且在此期间持续地向培养基中通入二氧化碳，如通入包含二氧化碳的新鲜空气。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子能够将300nm至450nm的短波长光转化为所述光合生物能够吸收的450nm至700nm的长波长光，例如波长为450nm至600nm、450nm至550nm、或500nm至600nm的可见光。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子与所述光合生物是生物相容的。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子为下式示出的任一种或者两种：
23.根据权利要求19-22中任一项所述的方法，其中，所述聚集诱导发光分子在所述培养基中为纳米聚集体的形式；优选地，所述纳米聚集体的平均尺寸为80nm至400nm，优选为100nm至300nm。
24.根据权利要求19-23中任一项所述的方法，其中，在所述培养基中，所述纳米聚集体分散在所述光合生物的周围。
25.根据权利要求19-24中任一项所述的方法，其中，所述光合生物为水生光合生物，例如微藻或大型海藻，如蓝藻(cyanobacteria)、绿藻(chlorophyta)、褐藻(phaeophyta)如海带(Laminaria japonica)。
26.根据权利要求19-25中任一项所述的方法，其中，在所述培养基中，所述聚集诱导发光分子的浓度为1μM至20μM，优选为10μM至20μM。
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