氮掺杂碳量子点(N-CQDs)作为微藻光合作用促进剂在废水处理中的创新应用

针对废水处理中微藻光合效率受限于光谱利用不足及污水浊度的问题，研究人员通过合成具有下转换特性的氮掺杂碳量子点(N-CQDs)，将紫外光(～380 nm)转化为微藻可利用的蓝光(450–475 nm)，显著提升了Chlorella sorokiniana的生长速率、光合色素积累及营养盐去除效率。转录组分析揭示N-CQDs通过调控叶绿素合成与抗逆通路发挥作用，在猪场废水处理中展现出应用潜力，为纳米材料增强微藻光合作用提供了新策略。

　　

随着畜牧业集约化发展，中国规模化养殖场每年排放数百万吨COD、NH₄⁺-N等污染物，传统处理技术面临高成本与资源化矛盾。微藻(Chlorella sorokiniana)因其高效净化与生物质转化能力被视为解决方案，但污水浊度导致的光衰减及微藻有限的光谱吸收范围(400–700 nm)严重制约其应用。针对这一瓶颈，研究人员创新性地将氮掺杂碳量子点(N-CQDs)引入微藻培养体系，通过材料的光学特性突破自然光合效率极限。

研究团队采用水热法合成N-CQDs，通过XRD、HRTEM确认其石墨相结构(晶面间距0.34 nm)及4.5 nm粒径，UV-vis/PL光谱证实其可将紫外光转换为450–475 nm蓝光。在模拟废水实验中，通过测定OD₆₈₀、叶绿素含量及NH₄⁺-N/TN/TP去除率评估微藻性能，结合转录组学分析差异表达基因。

Structural characterization and optical properties of N-CQDs
XRD显示N-CQDs在27°处出现石墨(002)晶面特征峰，HRTEM观察到0.34 nm晶格条纹，FTIR证实含氮官能团(-NH₂)成功掺杂。光学测试表明N-CQDs具有宽紫外吸收带(200-400 nm)及473 nm蓝光发射峰，量子产率达28.3%，证实其优异的光转换能力。

N-CQDs促进微藻光合作用的机制
50 mg/L N-CQDs使微藻生物量提升37.2%，叶绿素a/b含量分别增加42.8%和35.6%。荧光动力学显示PS II最大量子效率(F_v/F_m)提高12.3%，表明光系统电子传递效率增强。转录组发现谷氨酰胺合成酶基因(GS)上调2.1倍，叶绿素合成关键酶POR(原叶绿素酸酯氧化还原酶)表达量显著增加，同时抗氧化基因CAT(过氧化氢酶)表达提升，揭示N-CQDs通过双重途径(光能转化+代谢调控)发挥作用。

实际废水处理验证
在猪场废水应用中，N-CQDs使TN/TP去除率分别达78.4%和85.7%，较对照组提升1.8倍。16S rRNA测序显示藻菌共生系统中Nitrosomonas(氨氧化菌)丰度增加，证实N-CQDs通过调控微环境促进氮循环。

该研究首次系统阐明了N-CQDs通过"外源性光转换-内源性电子传递-代谢重编程"三级机制增强微藻光合作用的规律，为解决污水处理的能源与效率矛盾提供了纳米技术方案。值得注意的是，N-CQDs合成成本与传统CQDs相当，但性能显著提升，具备规模化应用潜力。未来研究可进一步优化N-CQDs的表面修饰策略，探索其在其他光合生物体系中的普适性。