矿物增强生物光合作用理论与应用研究取得新突破 被引量：1

1

作者 鲁安怀 杜逸飞 +2 位作者 方谦 丁竑瑞 李艳 《地学前缘》 北大核心 2025年第1期466-469,共4页

光合作用是决定农作物产量的首要关键因素,当前农作物的光合作用效率对日光能的利用率仅为2%左右,影响粮食蔬菜等作物产量。《地学前缘》面向世界科技前沿,面向经济主战场,跟踪我们系列科研成果近三十年。近年来,围绕矿物增强生物光合... 光合作用是决定农作物产量的首要关键因素,当前农作物的光合作用效率对日光能的利用率仅为2%左右,影响粮食蔬菜等作物产量。《地学前缘》面向世界科技前沿,面向经济主战场,跟踪我们系列科研成果近三十年。近年来,围绕矿物增强生物光合作用这一原创性国际前沿科研成果,及其在解决农业增产提质这一国际难题的突破性应用成果开展了连续报道。我们最近研究进一步证实植物叶绿体中锰簇物质(Mn4Ca O5)与地表矿物膜中水钠锰矿具有起源关系和成因联系,在光催化裂解水功能上具有异曲同工之处。矿物红外发射光谱特性能够影响水功能,促进光反应裂解水的作用。植物经典光合作用仅限于叶绿体中锰簇物质对可见光部分波段的吸收转化作用,叶绿体外的矿物非经典光合作用可拓展功能水对太阳光波谱利用范围,即通过改变灌溉水功能实现对太阳能利用效率的提升,开拓了提高植物光合作用效率的崭新途径。据此提出“矿物水光合作用”国际原创技术,田间试验农作物普遍增产达20%~50%,显著提升多种农作物产量和品质。这是自然界矿物通过影响水功能以促进生物光合作用的创新案例。 展开更多

关键词 矿物非经典光合作用 矿物膜中锰簇 叶绿体中锰簇 灌溉功能水 光合作用效率

在线阅读 下载PDF 职称材料

环境矿物学研究进展(2011~2020年) 被引量：7

2

作者 鲁安怀 王长秋 李艳 《矿物岩石地球化学通报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第5期881-898,I0002,共19页

环境矿物学聚焦矿物所禀赋的环境属性,研究矿物在记录环境、影响环境、评价环境、治理环境以及参与生物作用等方面的功能及其中蕴涵的理论方法。环境矿物学研究一方面为治理全球环境污染和生态破坏提供重要理论指导和技术支撑,同时也有... 环境矿物学聚焦矿物所禀赋的环境属性,研究矿物在记录环境、影响环境、评价环境、治理环境以及参与生物作用等方面的功能及其中蕴涵的理论方法。环境矿物学研究一方面为治理全球环境污染和生态破坏提供重要理论指导和技术支撑,同时也有助于深刻理解地球物质演化、生命起源进化及全球环境演变的宏观过程等重大理论问题。2011~2020这十年间,我国学者在矿物日光催化及其与微生物协同作用、纳米矿物及其改性产物的环境功能、生物矿化作用等研究领域获得了新认识,提出了自然界矿物光电子能量、光电能微生物等新观点,发现了半导体矿物与微生物胞外电子传递的新机制。本文从地表多圈层交互作用产物“矿物膜”的环境属性、矿物与微生物交互作用的环境效应、纳米矿物及其环境功能、生物矿化作用及其环境效应以及人体病理性矿化作用等方面,综述了近十年我国环境矿物学研究的进展,并展望了环境矿物学的发展方向。 展开更多

关键词 环境矿物学 矿物环境属性 纳米矿物 矿物与微生物 生物矿化作用

在线阅读 下载PDF 职称材料

深时地球锰矿物演化与产氧光合作用 被引量：1

3

作者 李艳 庄子仪 +5 位作者 叶欢 黎晏彰 贾昊凝 刘菲菲 丁竑瑞 鲁安怀 《矿物岩石地球化学通报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期203-212,共10页

地质历史时期锰氧化物矿物的出现早于产氧光合作用起源,锰矿物的成分与种类和地球环境呈现深时共演化关系。地表最普遍的锰氧化物——层状水钠锰矿与生物产氧光合作用中心Mn_(4)CaO_(5)团簇在化学成分、局域结构和性质功能上具有相似性... 地质历史时期锰氧化物矿物的出现早于产氧光合作用起源,锰矿物的成分与种类和地球环境呈现深时共演化关系。地表最普遍的锰氧化物——层状水钠锰矿与生物产氧光合作用中心Mn_(4)CaO_(5)团簇在化学成分、局域结构和性质功能上具有相似性,该现象使有机和无机界中Mn驱动的光反应得以紧密结合,锰氧化物因此很可能是光合产氧中心的雏形。在阳光照射的自然环境中,锰氧化物的光化学作用可收集并转化太阳能,在光照下裂解水产生氧气,因此在地质历史时期可能发挥着类似生物光合作用的矿物产氧功能。进一步揭示含锰矿物与环境因子协变关系及锰氧化物光催化分解水产氧活性机制,可为查明生物产氧光合作用起源与能量转化机制提供矿物学证据,为探索矿物-生物共演化和人工光合作用应用提供科学与技术突破的机遇。 展开更多

关键词 锰氧化物 产氧光合作用 深时 矿物—生物共演化 水钠锰矿

在线阅读 下载PDF 职称材料

矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中的作用

4

作者 鲁安怀 李艳 +2 位作者 黎晏彰 丁竑瑞 王长秋 《地质论评》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期234-246,共13页

地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物,但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子,提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高,在非生物途径合成... 地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物,但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子,提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高,在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量,是目前所发现的最高的矿物光电子能量,不仅能直接还原CO_(2)分子为甲酸物质,还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖,光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流,显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体,地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源,矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。 展开更多

关键词 地表“矿物膜” 半导体矿物 矿物光电子能量 生命起源基本物质合成 锰簇与光合作用起源

在线阅读 下载PDF 职称材料

天然矿物光电效应:矿物非经典光合作用 被引量：20

5

作者 鲁安怀 李艳 +6 位作者 丁竑瑞 王长秋 许晓明 刘菲菲 刘雨薇 朱莹 黎晏彰 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期179-194,共16页

地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表"矿物膜"转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自... 地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表"矿物膜"转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表"矿物膜"特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表"矿物膜"富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表"矿物膜"光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出"矿物光合作用";提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。 展开更多

关键词 矿物光电效应 矿物非经典光合作用 水钠锰矿 矿物光电子能量 产氧固碳作用

在线阅读 下载PDF 职称材料

矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用 被引量：12

6

作者 鲁安怀 李艳 +1 位作者 丁竑瑞 王长秋 《矿物岩石地球化学通报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第1期1-15,158-159,共15页

本文总结了天然半导体矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用的最新研究成果,特别强调地表微生物、矿物和太阳光多元复杂体系中金属氧化物和金属硫化物半导体矿物的可见光激发光电子特征,阐述了矿物光电子能量利于地球早期生命起源与演... 本文总结了天然半导体矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用的最新研究成果,特别强调地表微生物、矿物和太阳光多元复杂体系中金属氧化物和金属硫化物半导体矿物的可见光激发光电子特征,阐述了矿物光电子能量利于地球早期生命起源与演化、促进化能自养和化能异养微生物生长代谢、调控矿物与微生物协同作用实现固碳作用。进而提出矿物光电子能有效地将二氧化碳还原为有机物质,可为生命起源提供有机物质基础的认识。 展开更多

关键词 半导体矿物 光电子能量 微生物 生命起源 协同作用

在线阅读 下载PDF 职称材料

半导体矿物及其与微生物作用研究方法与技术 被引量：1

7

作者 李艳 丁竑瑞 鲁安怀 《矿物岩石地球化学通报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第1期16-27,共12页

自然界矿物的半导体属性是地表矿物重要的物理化学性质之一。半导体矿物可吸收利用太阳光能,驱动物质的地球化学循环,甚至与微生物发生交互作用,这是当前多学科交叉研究方向的前沿热点。本文归纳总结了半导体矿物的表征与测试技术,详细... 自然界矿物的半导体属性是地表矿物重要的物理化学性质之一。半导体矿物可吸收利用太阳光能,驱动物质的地球化学循环,甚至与微生物发生交互作用,这是当前多学科交叉研究方向的前沿热点。本文归纳总结了半导体矿物的表征与测试技术,详细论述了半导体矿物与微生物交互作用体系的构建和研究方法,以期为开展相关领域的研究提供方法和技术参考。 展开更多

关键词 半导体矿物 微生物 能带结构 光电化学 能量转化

在线阅读 下载PDF 职称材料

矿物增强生物光合作用大田试验研究取得突破——花生亩产增幅达43.91%,红薯亩产翻番 被引量：1

8

作者 鲁安怀 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期493-494,共2页

早在《地学前缘》创刊不久的1996年就刊载了笔者的一篇短文《废水的矿物学处理》[1];《地学前缘》于2005年刊载了笔者研究团队十年研究成果总结《矿物法——环境污染治理的第四类方法》[2];2014年刊载了又一个十年创新研究成果总结《关... 早在《地学前缘》创刊不久的1996年就刊载了笔者的一篇短文《废水的矿物学处理》[1];《地学前缘》于2005年刊载了笔者研究团队十年研究成果总结《矿物法——环境污染治理的第四类方法》[2];2014年刊载了又一个十年创新研究成果总结《关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用》[3],其间笔者连续获得两项国家科学技术部“973”项目资助,发现自然界除了太阳光子和元素价电子能量外还存在矿物光电子能量形式,可促进某些非光合微生物生长代谢作用[4]。 展开更多

关键词 国家科学技术部 项目资助 创新研究成果 研究团队 非光合微生物 生长代谢 十年 光合作用

在线阅读 下载PDF 职称材料

天然黑钨矿可见光催化活性的实验研究 被引量：3

9

作者 李灵慧 李艳 +2 位作者 黎晏彰 鲁安怀 丁竑瑞 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期287-294,共8页

天然半导体矿物具有优良的日光催化特性。本研究选取天然钨酸盐作为研究对象,对武鸣、栗木、崇义3个不同矿区的天然黑钨矿进行了矿物学及光催化实验探究。利用X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、电子探针微区分析对天然样品的结构与成分... 天然半导体矿物具有优良的日光催化特性。本研究选取天然钨酸盐作为研究对象,对武鸣、栗木、崇义3个不同矿区的天然黑钨矿进行了矿物学及光催化实验探究。利用X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、电子探针微区分析对天然样品的结构与成分进行分析,鉴定其主要矿物相为黑钨矿(Fe,Mn)[WO4],从武鸣、栗木到崇义矿区,Fe/Mn摩尔分数比从7.1、0.9到0.3依次降低。利用紫外可见漫反射测得武鸣、栗木、崇义地区样品禁带宽度分别为1.5、1.6和1.7eV,说明其具有良好的可见光响应。在pH为7的条件下用质量浓度为1g/L的样品对5mg/L的有机染料亚甲基蓝(MB)进行光催化实验(含0.01mol/L H2O2 ),结果表明武鸣地区黑钨矿实验组降解MB的效果最佳,3h后其效率分别是栗木、崇义地区样品的1.1倍和1.6倍。电子顺磁共振谱检测结果显示,反应过程中均产生氧化性羟自由基(·OH),其中效果最好的武鸣黑钨矿产生的·OH信号更强;不同自由基捕获实验证明·OH在光催化反应过程中起主要作用。进一步选取武鸣黑钨矿开展光催化降解机制研究,实验结果显示:光照下黑钨矿与H2O2共存的实验组对MB的脱色降解率可达99%(3h),只有黑钨矿的对照组降解7%的MB,只有H2O2 的对照组降解31%的MB;黑暗条件下,同时添加黑钨矿与H2O2的对照组对MB的去除率为34%。不同H2O2 浓度条件下黑钨矿降解MB符合准一级动力学方程,说明降解过程与催化剂含量无关,H2O2 更多的是充当电子受体。分析认为,不同产地黑钨矿日光催化效率与矿物铁含量呈正相关,与禁带宽度呈负相关,推测其反应机理是光催化与芬顿反应协同产生的·OH将MB氧化降解。本研究为开发利用天然矿物治理环境污染提出了新方法。 展开更多

关键词 黑钨矿 钨酸盐 天然半导体矿物 可见光光催化 污染降解

在线阅读 下载PDF 职称材料

锐钛矿光电子强化黑曲霉吸附铅离子实验研究

10

作者 丁杨 郝瑞霞 +2 位作者 任桂平 王明粲 鲁安怀 《岩石矿物学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2017年第6期833-841,共9页

铅元素在自然界分布广泛,其可溶性盐对动植物及人体有巨大毒性,借助真菌等生物修复技术手段清除环境中铅污染逐渐成为研究热点之一。本文使用溶胶凝胶法合成了锐钛矿电极,通过X射线衍射(XRD)、拉曼测试、环境扫描电镜和电化学测试等对... 铅元素在自然界分布广泛,其可溶性盐对动植物及人体有巨大毒性,借助真菌等生物修复技术手段清除环境中铅污染逐渐成为研究热点之一。本文使用溶胶凝胶法合成了锐钛矿电极,通过X射线衍射(XRD)、拉曼测试、环境扫描电镜和电化学测试等对其进行了系统表征,进而联合实验室分离筛选出的一株黑曲霉Aspergillus niger Bpb1成功构建了光-半导体矿物-微生物系统。研究了光电子对黑曲霉吸附铅离子的影响,实验结果表明锐钛矿光电子与黑曲霉协同作用下,实验组较对照组铅离子吸附速率平均增加33.6%,最高增加42%。进一步使用环境扫描电镜观察黑曲霉外部形态,发现光电子不影响铅矿物的形态。结合能谱测试和前人文献得知铅离子与有机酸结合形成以有机铅盐为主的矿物,缠绕在菌丝中。本研究实现了利用光能加速真菌代谢的过程,表明锐钛矿光电子与黑曲霉协同作用只对真菌吸附铅离子速率产生一定的加强,并未影响其成矿形态。 展开更多

关键词 锐钛矿 光电子 黑曲霉 铅 吸附

在线阅读 下载PDF 职称材料

太阳能电池协同强化水钠锰矿光电催化染料降解研究 被引量：4

11

作者 任桂平 孙元 +3 位作者 孙曼仪 鲁安怀 李艳 丁竑瑞 《岩石矿物学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2017年第6期851-857,共7页

电催化、光催化、光电催化等电化学技术以其高效、廉价、环保等特点被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术,在有机废水处理等方面得以广泛应用。本文借助电化学电量控制法制备了水钠锰矿电极,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)... 电催化、光催化、光电催化等电化学技术以其高效、廉价、环保等特点被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术,在有机废水处理等方面得以广泛应用。本文借助电化学电量控制法制备了水钠锰矿电极,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征其物相形貌,UV-Vis漫反射吸收谱结果表明水钠锰矿对300~600 nm波长范围可见光表现出良好吸收能力,计算其直接带隙约为2.14 e V,Mott-Schottky曲线计算其平带电位约1.15 V,0.1 mol/L Na2SO4介质中载流子浓度约为3.3×1019cm-3,是良好的可见光激发n型半导体材料。同时,本文以廉价高效的太阳能电池板取代了传统电化学工作站等外加电场设备,成功实现了协同强化水钠锰矿光电催化降解作用。协同作用下甲基橙60 min降解率为90.2%,效率远高于水钠锰矿光催化(2.2%)与电极电催化(33.6%)作用,强化了水钠锰矿光电催化降解反应,节省能耗的同时显著提高了降解效率。批次循环降解实验表明第4轮降解率(86.8%)较之第1轮(90.3%)降低程度<5%,表明其具有良好长时间运行稳定性。 展开更多

关键词 大阳能电池 水钠锰矿 光电催化 染料降解

在线阅读 下载PDF 职称材料