纳米氧化钛在菠菜光化学反应与氮代谢中的若干作用机制

摘要

纳米材料及其技术在各个领域已有广泛的应用，近几年出现的纳米复合肥也已在农业生产上开始推广，但对于其作用机理的研究鲜见报道。纳米氧化钛作为一种光催化剂，在光照下能引起氧化还原反应，生成超氧阴离子(O<,2><'->)和氢氧化物等活性氧。这些氧化物可分解其周围的有机物，并能破坏细菌细胞中的蛋白质，杀死细菌和病毒等微生物。众所周知，植物的光合作用可分为主要由光催化的化学反应和主要由酶催化的化学反应。我们实验室曾率先在国际上研究了纳米氧化钛与植物光合作用的关系。结果表明用纳米氧化钛处理在生长阶段能明显促进叶绿素的形成，提高Rubsico的活性，光合效率和菠菜产量均增加30％以上。鉴于纳米氧化钛的光催化作用，我们推测纳米氧化钛之所以能提高菠菜的光合效率，可能与叶绿体光能的吸收、光电转换、光合放氧及光合磷酸化速率等光反应活性的提高有密切关系。我们也推测将纳米氧化钛处理叶片后，纳米氧化钛可以促进植物的氮代谢，并且在太阳光照下，叶表面上的纳米氧化钛通过化学吸附N2后或进入细胞的纳米氧化钛也可能具有催化N<,2>还原为NH<,3>的作用，而后进一步转变为有机氮，促进植物叶绿素、蛋白质、核酸等的合成，进而促进生长。鉴于此，我们以纳米氧化钛和菠菜为实验材料，研究在植物光化学反应和氮代谢中的若干效应及其相关机制，本研究不仅可为人工模拟光合作用和固氮作用提供研究新思路，且可为今后开发纳米复合肥提供重要的理论根据和技术途径。 论文主要涉及以下内容： (1)用不同浓度的纳米氧化钛处理菠菜研究了对叶绿体光化学反应的影响。实验结果证实用0.25％纳米氧化钛处理能明显提高叶绿体的Hill反应活性如FeCy还原速率和氧气释放速率加快，对非循环光合磷酸化反应的促进比循环的光合磷酸化反应显著，提高叶绿体的偶联程度，对叶绿体膜上的Mg<'2+>-ATPase及偶联因子CF<,1>-ATPase活力有显著的激活作用。这表明纳米氧化钛处理促进光合作用可能与激活偶联因子活性有关。 (2)利用纳米氧化钛处理，研究了对光照下菠菜叶绿体衰老的影响。结果表明纳米氧化钛处理过的菠菜离体叶绿体在光照1-40 min内光合放氧速率显著高于对照，且光照10 min后的放氧速率下降幅度也明显低于对照，表明纳米氧化钛处理菠菜后使叶绿体的抗衰老能力增强。抗衰老的作用机制研究表明，在光照下纳米氧化钛处理菠菜后离体叶绿体的O<,2><'->和H<,2>O<,2>自由基产生速率、膜脂过氧化产物水平以及膜结构损伤均明显低于对照，而清除活性氧自由基的SOD、CAT、POD抗氧化酶系统的活性又明显高于对照。这可能是因为纳米氧化钛处理后，可使叶绿体的膜系统在光照下维持相对的稳定，促进了SOD、CAT和POD的酶活性，同时纳米氧化钛也可直接起到清除氧自由基的作用。 (3)用纳米氧化钛喷施处理菠菜，研究了对促进菠菜生长的氮代谢作用机制。结果表明，纳米氧化钛喷施处理过的菠菜单株鲜重、干重均比对照明显增加，这与菠菜生长期间氮代谢的加强密切相关。具体表现为纳米氧化钛能明显促进菠菜对硝态氮的吸收，提高硝酸还原酶、谷氨酸脱氢酶、谷氨酰胺合成酶、转氨酶(GOT和OPT)活性，加快硝态氮还原为氨态氮、氨态氮转变为有机氮的速率，即促进了蛋白质和叶绿素等的合成。 (4)用纳米氧化钛喷施处理菠菜，初步研究了纳米氧化钛促进菠菜的生长是否与固氮作用的发生有关。结果表明在缺氮营养液培养下，纳米氧化钛喷施处理过的菠菜全部叶片保持绿色，对照的菠菜老叶片完全呈黄白色。理化指标的测定表明纳米氧化钛喷施处理过的菠菜鲜重、干重、体内总氮、氨态氮、叶绿素和蛋白质的含量等均显著高于对照增加。缺氮条件下菠菜体内总氮含量的显著增加及叶片保持绿色可以证明纳米氧化钛处理菠菜叶片后发生了固氮作用。推测纳米氧化钛处理叶片后，在太阳光照下叶表面上的纳米氧化钛通过化学吸附N<,2>后或进入组织细胞的纳米氧化钛具有催化N<,2>还原为NH<,3>的作用，促进植物叶绿素、蛋白质等的形成，进而促进生长。

目录

文摘

英文文摘

声明

研究背景

第一部分：纳米氧化钛在菠菜光化学反应中的若干作用机制

一：纳米氧化钛对菠菜叶绿体光化学反应的作用

二：纳米氧化钛对光照下菠菜叶绿体衰老的影响

第二部分：纳米氧化钛在菠菜氮代谢中的若干作用机制

一：纳米氧化钛促进菠菜生长的氮代谢机制

二：纳米氧化钛促进菠菜的生长与固氮作用的发生的关系

1材料和方法

2结果与讨论

3结论

结 论

攻读学位期间公开发表以及已录用的论文

致 谢