CN111573636B

CN111573636B - 氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用

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Publication number: CN111573636B
Application number: CN202010423080.7A
Authority: CN
Inventors: 王震宇; 王传洗; 乐乐; 曹雪松
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: CN111573636A

Abstract

本发明公开了氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用，属于纳米农业技术领域。本发明所述的氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用，包括以下步骤：将氮化碳材料配置成氮化碳材料的水溶液，然后作为植物肥料施加到植物根部或叶面。通过根部或叶面施加，氮化碳纳米材料能够在植物的各个部位分布，尤其是在植物叶面处。氮化碳纳米材料作为植物肥料能够显著提高植物的光合作用参数，净光合速率提升22.16％以上；胞间CO₂浓度提升11.27％以上；气孔导度提升20.34％以上；蒸腾速率提升11.22％以上；光合作用Rubisco酶提升147.12％以上。

Description

氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用

技术领域

本发明涉及氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用，属于纳米农业技术领域。

背景技术

我国是一个人口大国，人多地少，粮食不足的问题长期存在。因此，增加粮食生产是满足人口日益增长的迫切需要。光合作用是植物利用太阳能转化成化学能的有效途径，是影响作物产量的重要过程。因此，提高作物光合作用效率，是增加作物产量的有效途径之一。专利(CN 107306994 A)提供了一种纳米植物光合作用促进剂，主要由以下重量份数的原料制成：纳米二氧化钛1-50份、纳米碳材料0.01-5份、增氧剂1-10份、分散剂0.1-40份、润湿剂0.1-50份和水50-2000份；专利(CN 110100820 A)提供了一种促进设施内植物光合作用的生物催化剂，包括如下重量份的组分：抗氧剂、纳米碳、润湿剂、分散剂、氨基酸、生物酶等；目前的这些促进植物光合作用的方法成分多，操作复杂。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明将氮化碳材料作为植物肥料极大的促进光合作用的效果。碳能够促进植物的光合作用，N的掺杂有利于光生电子的转移，同时N也是植物生长必须的大量元素。因此，本申请采用氮化碳材料作为植物肥料更有利于促进作物光合作用及生长。

本发明的第一个目的是氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用，包括以下步骤：将氮化碳材料配置成氮化碳材料的水溶液，然后作为植物肥料施加到植物根部或叶面。

在本发明的一种实施方式中，所述的氮化碳材料的水溶液的浓度为：0.1～50mg/L，优选为5～15mg/L也就是5-15mg氮化碳材料溶解在1L水中，更优选为10mg/mL。

在本发明的一种实施方式中，所述的氮化碳材料溶液的制备方法为：将氮化碳材料加入水中，超声功率为150W，超声10～60min(优先取25～40min)，得到均质氮化碳材料溶液。

在本发明的一种实施方式中，所述的氮化碳材料具有层状结构，其厚度在0.1～2nm，宽度在1～10μm；光学性质为：吸收光的波长为300～400nm，荧光发射的波长为400～500nm。

在本发明的一种实施方式中，所述的氮化碳材料由碳、氮两种元素组成，碳、氮原子比例为10:1～1:5，优选为碳、氮原子比例为3：4。

在本发明的一种实施方式中，所述的氮化碳材料为C₁₀N₆、C₈N₆、C₁₀N₁₀、C₄₈N₁₂、C₁₂N₆、C₃N₄、C₁₀N₂、C₁₈N₂、C₉N₆、C₄N₂中的一种或者两种以上，优选为C₃N₄。

在本发明的一种实施方式中，所述的植物为单子叶植物，可以是小麦、玉米、小米、甘蔗、薏仁、芦笋、竹笋、葱、蒜、韭、山药等，优选为玉米。

在本发明的一种实施方式中，所述的植物可以采用水培模式进行培养，水培需要保证氮化碳材料的浓度为5～15mg/L；可以采用土壤培养模式进行培养，土培需要保证氮化碳材料的浓度为5～15mg/L，根部施加的用量大概为1mL-200mL/株，优先取50mL-100mL/株；叶面施加的用量大概为1mL-50mL/株，优先取10mL-25mL/株。

在本发明的一种实施方式中，所述氮化碳材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将含氮碳化合物在马弗炉中进行煅烧(高温***聚合)，得到本体材料；

(2)将本体材料分散在水溶液中，放入超声仪内，进行超声剥离；

(3)将超声后的溶液进行抽滤、干燥，即得到具有荧光性质的氮化碳材料。

在本发明的一种实施方式中，所述的含氮碳化合物是三聚氰胺、蜜白胺、蜜勒胺、尿素、二聚氰胺、二氰二胺、硫脲中的一种或两种以上。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的本体材料的制备条件为：煅烧的温度为200～800℃，优选为400～700℃；煅烧的时间为2～12h，优选为6～10h。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的氮化碳材料的制备条件为：超声的功率为150～1000W，优选为350～700W；超声的时间2～12h，优选为4～6h。

本发明的有益效果：

(1)本发明的氮化碳材料具有结构稳定、光学性质好、毒性低的特点，尤其在300～400nm具有强的吸收，在400～500nm具有的蓝色荧光。

(2)本发明的氮化碳材料制备方法简单，适合大量合成。

(3)氮化碳材料对植物的光合作用促进效果明显，其主要光合参数明显提升：净光合速率提升22.16％以上；胞间CO₂浓度提升11.27％以上；气孔导度提升20.34％以上；蒸腾速率提升11.22％以上；光合作用Rubisco酶提升147.12％以上。

附图说明

图1为实施例1合成的氮化碳材料的荧光光谱。

图2为实施例1合成的氮化碳材料的TEM图片。

图3为实施例2合成的氮化碳材料的TEM图片。

图4为实施例1合成的氮化碳材料对玉米净光合速率的影响。

图5为实施例1合成的氮化碳材料对玉米胞间CO₂浓度的影响。

图6为实施例1合成的氮化碳材料对玉米气孔导度的影响。

图7为实施例1合成的氮化碳材料对玉米蒸腾速率的影响。

图8为实施例1合成的氮化碳材料对玉米光合作用Rubisco酶的影响。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

实施例1

氮化碳材料的制备方法，包括如下步骤：

将三聚氰胺5g放在马弗炉里面，在温度500℃反应5h；然后降温到室温，用1000mL水分散，放入450W超声仪中超声粉碎4h，即可得到具有蓝色荧光的氮化碳材料(C:N＝3:4，C、N含量采用X射线光电子能谱技术测得，通过计算得到的半定量(谱图)面积比例为3：4)，光学性质及形貌如图1和图2所示。

从图1和图2可以看出：合成的氮化碳材料发射蓝色荧光，主要峰位在450nm；薄层片状结构。

实施例2

氮化碳材料的制备方法，包括如下步骤：

将3g尿素放在马弗炉里面，在温度450℃反应8h；然后降温到室温，用1000mL水分散，放入600W超声仪中超声粉碎6h，即可得到具有蓝色荧光的氮化碳材料(C:N＝1:2，C、N含量采用X射线光电子能谱技术测得，通过计算得到的半定量(谱图)面积比例为1：2)，形貌如图3所示。

从图3可以看出：氮化碳材料呈现球形纳米粒子，尺寸在6nm左右。

实施例3

氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用，包括如下步骤：

(1)将来自河北省农林科学院的玉米(Zea mays L.)种子在5％次氯酸钠溶液中消毒10分钟，然后用去离子水冲洗3次，进行消毒；

(2)消毒完成后将种子在去离子水中浸泡4小时，然后将种子放进垫有潮湿滤纸的培养皿中，在温室黑暗条件下培养，每天定时喷水；

(3)培养5天后，挑选出长势均一的幼苗，转移到1.5升的水培器皿中，每个水培器皿中含有1.5升25％强度的霍格兰营养液；

(4)当玉米幼苗长到两叶一心时，将霍格兰营养液换成10mg/L的氮化碳材料(C:N＝3:4)进行施加。

氮化碳溶液每三天更新一次；每个处理有三个重复，每个重复有六个平行；施加三次后，利用CIRAS-3便携式光合***(Hansatech,USA)测定光合参数。

结果表明：在不加氮化碳材料情况下，其主要光合参数如下：净光合速率为11.7mmol/m²/s；胞间CO₂浓度为102.1ppm；气孔导度为78.2mol/m²/s；蒸腾速率为2.44mol/m²/s；光合作用Rubisco酶活性为5.86nmol/min/mg.prot；

氮化碳材料(C:N＝3:4)对玉米光合作用促进效果明显，其主要光合参数明显提升：净光合速率提升30％(如图4)；胞间CO₂浓度提升13.35％(如图5)；气孔导度提升22.12％(如图6)；蒸腾速率提升13.27％(如图7)；光合作用Rubisco酶提升156.3％(如图8)。

图4-8中的ck代表空白对照，也就是不加氮化碳材料的方案。

实施例4

调整实施例3中氮化碳材料(C:N＝3:4)的浓度(设置如表1)，其他参数和实施例3保持一致，将得到的玉米进行光合作用效果的检测。

表1在5-15mg/L的范围内氮化碳材料(C:N＝3:4)对玉米光合作用促进效果的提升(百分比)

从表1中可以看出，氮化碳材料(C:N＝3:4)，浓度在5-15mg/L均显示出对玉米光合作用较高的促进效应。

实施例5

调整实施例3中氮化碳材料的C、N比，其他参数和实施例3保持一致，将得到的玉米进行光合作用效果的检测。

表2氮化碳材料(不同C/N比)对玉米光合作用促进效果的提升(百分比)

C/N	净光合速率	胞间CO<sub>2</sub>浓度	气孔导度	蒸腾速率	光合作用Rubisco酶
						1:2	25.32％	11.85％	20.34％	11.22％	165.5％
3:4	30.00％	13.35％	22.12％	13.27％	156.3％

从表2中可以看出，改变氮化碳材料的C、N比，能够影响其对玉米光合作用的促进效果，在增加N的含量情况下，虽然对光合酶提升作用更为明显，这是因为N是植物氨基酸主要成分，其能够促进酶的合成，提高其活性；但是净光合速率、胞间CO₂浓度、气孔导度、蒸腾速率等均发生了下降，影响了光合作用的效果。

实施例6

调整实施例3中氮化碳材料(C:N＝3:4)溶液的施加方式：采用叶面喷洒(氮化碳材料溶液的浓度为10mg/L，用量为20mL/株)，其他参数和实施例3保持一致，将得到的玉米进行光合作用效果的检测。

检测结果如下：净光合速率提升42％；胞间CO₂浓度提升30.45％；气孔导度提升38.67％；蒸腾速率提升28.56％；光合作用Rubisco酶提升158.3％。结果表明，叶面喷施氮化碳二维材料的植物肥料，其对光合作用的光反应促进效果更为明显；但是其对暗反应过程中关键酶的提升与根部施加差异不大。

实施例7

调整实施例3中玉米的培养方式为土壤培养，氮化碳材料(C:N＝3:4)溶液的施加方式：采用根部滴加(氮化碳材料溶液的浓度为10mg/L，用量为20mL/株)，其他参数和实施例3保持一致，将得到的玉米进行光合作用效果的检测。

检测结果如下：净光合速率提升22.16％；胞间CO₂浓度提升13.56％；气孔导度提升25.45％；蒸腾速率提升23.68％；光合作用Rubisco酶提升147.12％。结果表明，在土壤中，根部滴加氮化碳材料的植物肥料，其对光合作用的光反应促进效果也很明显。

对照例1

调整实施例3中氮化碳材料(C:N＝3:4)的浓度(如表3所示)，其他参数和实施例3保持一致，将得到的玉米进行光合作用效果的检测。

表3氮化碳材料(C:N＝3:4)对玉米光合作用促进效果的提升(百分比)

从表3可以看出：氮化碳材料(C:N＝3:4)能够促进玉米的净光合速率和提升光合酶活性，但是其促进效果明显低于最优浓度5-15mg/L。

对照例2

调整实施例3中氮化碳材料(C:N＝3:4)溶液的为纯碳荧光NMs，其他参数和实施例3保持一致，将得到的玉米进行光合作用效果的检测。

检测结果如下：净光合速率提升15.24％；胞间CO₂浓度提升10.29％；气孔导度提升15.32％；蒸腾速率提升9.87％；光合作用Rubisco酶提升25.6.％。结果表明，纯碳荧光NMs能够促进作物光合，但是其促进效果明显低于含N荧光碳材料，尤其是对暗反应过程中关键酶的促进，明显低于含氮荧光NMs。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.氮化碳材料作为植物肥料在促进光合作用中的应用，其特征在于，包括以下步骤：将氮化碳材料配置成氮化碳材料的水溶液，然后作为植物肥料施加到植物根部或叶面；

其中，所述的氮化碳材料的水溶液的浓度为5~15mg/L；

所述的氮化碳材料由碳、氮两种元素组成，碳、氮原子比例为10:1~1:5；

所述的氮化碳材料具有层状结构，其厚度在0.1~2 nm，宽度在1~10 µm；光学性质为：吸收光的波长为300~400 nm，荧光发射波长为400~500 nm。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的植物为单子叶植物，为小麦、玉米、小米、甘蔗、薏仁、芦笋、竹笋、葱、蒜、山药中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述的植物采用水培模式或土培模式进行培养。

4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述氮化碳材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将含氮碳化合物在马弗炉中进行煅烧，得到本体材料；

（2）将本体材料分散在水溶液中，放入超声仪内，进行超声剥离；

（3）将超声后的溶液进行抽滤、干燥，即得到具有荧光性质的氮化碳材料。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的含氮碳化合物是三聚氰胺、蜜白胺、蜜勒胺、尿素、二聚氰胺、二氰二胺、硫脲中的一种或两种以上。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，步骤（1）所述煅烧的温度为200~800 ℃；煅烧的时间为2~12 h。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤（2）所述超声的功率范围为150~1000W；超声的时间为2~12 h。