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井劈龚
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1 Science Discovery 2016; 4(2): doi: /j.sd ISSN: (Print); ISSN: (Online) Effects of Artificial Light Source and Light Quality on the Growth of Two Species of Microalgae Hongwu Cui, Fanping Meng *, Yongfu Li, Yuejie Wang, Weiyan Duan Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, China address: (Hongwu Cui), (Fanping Meng), (Yongfu Li), (Yuejie Wang), (Weiyan Duan) * Corresponding author To cite this article: Hongwu Cui, Fanping Meng, Yongfu Li, Yuejie Wang, Weiyan Duan. Effects of Artificial Light Source and Light Quality on the Growth of Two Species of Microalgae. Science Discovery. Vol. 4, No. 2, 2016, pp doi: /j.sd Received: May 3, 2016; Accepted: May 17, 2016; Published: May 18, 2016 Abstract: The effects of different kinds of artificial light source and light quality on two species of microalgae (Chlorella vulgaris and Dunaliella salina) of high resistance of acid, heat and CO 2 concentration were investigated in this research, 9 light qualities (LR, LB, LW, FL, LR+LB, LW+LR, LW+LB, FW+LR and FW+LB) were set up with 4 kinds of light source (LED-Red (LR), LED-Blue (LB), LED-White (LW)) and Fluorescent lamp white (FW) to cultivate microalgae, while biological parameters and P-I curves were measured and drawn to evaluate the effect of light source and light quality on growth characteristics of microalgae, respectively. Results showed that P m of two microalgae were observed under the illumination of LED-W when 4 kinds of light source were employed. At the end of cultivation, maximum biomass of C. vulgaris were observed under the illumination of light qualities LW+LB, which were 0.19 gl -1, however, the highest growth rate was obtained under the illumination of light quality LB by D. salina, which was 1.5 times as much as that in LR treatment. In addition, the nonuniformity between photosynthetic pigments content and µ along with the changed light quality indicated that the variation of photosynthetic pigments content may not be the main cause of microalgae growth regulated by light quality, while the light absorption of living cells might be the primary reason affecting the growth of microalgae. Keywords: Light Source, Light Quality, Light Emitting Diode (LED), Growth Characteristics, Photosynthetic Oxygen evolution 人工光源和光质对 2 株微藻生长的影响崔鸿武, 孟范平 *, 李永富, 王曰杰, 段伟艳中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 环境科学与工程学院, 青岛, 中国邮箱 hongwuc@tom.com( 崔鸿武 ),fanpingm@tom.com( 孟范平 ),lyf_qingdao@126.com( 李永富 ),wyuejie@163.com( 王曰杰 ), duanweiyan@163.com( 段伟艳 ) 摘要 : 为探究不同人工光源及光质对 2 株耐高温耐酸性耐高浓度 CO2 特性的绿藻普通小球藻 (Chlorella vulgaris) 和盐生杜氏藻 (Dunaliella salina) 生长的影响, 本研究采用 4 种人工光源 (LED 红光 (LR) LED 蓝光 (LB) LED 白光 (LW)) 和荧光灯全光谱白光 (FW) 营造的 9 种光质 (LR LB LW FL LR+LB LW+LR LW+LB FW+LR 以及 FW+LB) 对 2 株微藻进行连续培养, 通过多种生物学指标测定以及 P-I 曲线绘制等方法评价了不同光源光质对微藻生长特性的影响结果表明, 使用 4 种光源培养微藻, 最大光合放氧速率均出现在 LED-W 光源下 ; 至培养结束时, 普通小球藻以 LW+LB 光质照射下的藻生物量最高, 为 0.19 gl -1, 而在盐生杜氏藻培养期间,LB 照射下的藻生物量一直高于其他光质, 为 LR 的 1.5

130 崔鸿武等 : 人工光源和光质对 2 株微藻生长的影响倍 ; 另外, 光合色素含量与 μ 值随光质变化的非一致性说明光合色素变化可能不是光质调控微藻生长的主要原因, 而藻细胞的活体光吸收可能是影响微藻生长的主要因素关键词 : 光源, 光质,LED, 生长特性, 光合放氧 1.

成为微藻生物技术所需工程设备的发展方向 [3] 影响微藻生长的原因很多, 其中, 光照是影响封闭式 PBR 中微藻生长速率的关键因素之一因此, 研究光照作用及应用适当的光照技术培养微藻, 加快其生长繁殖, 调节其营养成分, 是提高其产量和质量的重要途径 [4], 在封闭式 PBR 设计时应首先考虑近年来, 发光二极管 (light emitting diode, LED)

光合作用要求光源的峰值波长与微藻活体吸收峰值相对应 [1] 单色蓝光或红光有利于提高光能利用率 [7], 如蛋白核小球藻 (Chlorella pyrenoidosa)[8] 在蓝光下的生长效果最佳然而, 也有研究表明, 微藻需要一些微弱但必须的波长成分进行生长调节, 因此, 除蓝光和红光外的其他波段光对藻种也是有益的, 例如, 中肋骨条藻 (Skeletonema costatum)[9]

本研究以筛选出的耐高温 (30 ) 耐酸性 (ph 4.0) 耐高浓度 CO2(5~15%) 特性的 2 种微藻, 即普通小球藻 (C.

2 130 崔鸿武等 : 人工光源和光质对 2 株微藻生长的影响倍 ; 另外, 光合色素含量与 μ 值随光质变化的非一致性说明光合色素变化可能不是光质调控微藻生长的主要原因, 而藻细胞的活体光吸收可能是影响微藻生长的主要因素关键词 : 光源, 光质,LED, 生长特性, 光合放氧 1. 引言微藻在生物固碳生物柴油污水处理水产养殖以及食品等领域有着广阔的应用前景构建适于微藻生长的光生物反应器 (PBR) 是实现微藻快速培养满足相关产业需要的重要课题 [1] 目前, 多采用敞开式大池 (OP) 和封闭式光生物反应器 (PBR) 两种形式用于微藻养殖 [2] 与前者相比, 封闭式 PBR 因具有培养条件稳定可无菌操作易于高密度培养等优点, 成为微藻生物技术所需工程设备的发展方向 [3] 影响微藻生长的原因很多, 其中, 光照是影响封闭式 PBR 中微藻生长速率的关键因素之一因此, 研究光照作用及应用适当的光照技术培养微藻, 加快其生长繁殖, 调节其营养成分, 是提高其产量和质量的重要途径 [4], 在封闭式 PBR 设计时应首先考虑近年来, 发光二极管 (light emitting diode, LED) 作为一种新型冷光源因具有电源电压低投光远工作温度范围广节能高效稳定性强多色安全高亮度长寿命体积小发热少响应快无频闪无污染无辐射无故障等优点 [5], 已经在生态照明领域展现出非常广阔的应用前景 [6] 柔性 LED 灯带因防水性好几乎可以任意角度弯曲, 有望成为封闭式 PBR 的新型内置光源另外, 根据微藻的光生态学, 光合作用要求光源的峰值波长与微藻活体吸收峰值相对应 [1] 单色蓝光或红光有利于提高光能利用率 [7], 如蛋白核小球藻 (Chlorella pyrenoidosa)[8] 在蓝光下的生长效果最佳然而, 也有研究表明, 微藻需要一些微弱但必须的波长成分进行生长调节, 因此, 除蓝光和红光外的其他波段光对藻种也是有益的, 例如, 中肋骨条藻 (Skeletonema costatum)[9] 和中华盒形藻 (Biddulphia sinensis)[10] 在荧光灯下生长情况优于单色蓝光单色红光或红蓝组合光 ; 沈银武等 [11] 研究蓝藻中华植水藻 (Richelia sinica (Shen)) 时发现, 白光和黄光对微藻生长最有利, 绿光和红光次之, 蓝光下较慢这体现了光质对微藻生长影响的复杂性因此, 应根据实验确定适于不同藻种生长的光源类型及光质组成本研究以筛选出的耐高温 (30 ) 耐酸性 (ph 4.0) 耐高浓度 CO2(5~15%) 特性的 2 种微藻, 即普通小球藻 (C. vulgaris) 和盐生杜氏藻 (Dunaliella salina) 为供试藻种, 探究红光 LED 灯带 (LED-R) 蓝光 LED 灯带 (LED-B) 白光 LED 灯带 (LED-W) 和荧光灯 (FL) 这 4 种人工光源对微藻生长的影响, 分析光质变化引起微藻生长速率差异的可能原因, 以便为封闭式 PBR 中的光源设计提供依据 2. 材料与方法材料供试藻种普通小球藻 (C. vulgaris) 购自中科院水生生物研究所 ; 盐生杜氏藻 (D. salina) 由中国海洋大学微藻种质库提供培养基图 1 2 种受试微藻的细胞形态普通小球藻 (C. vulgaris) 与盐生杜氏藻 (D. salina) 分别采用 SE 和 f/2 培养基培养 SE 培养基每升蒸馏水中含有以下成分 :250 mg NaNO3 75 mg K2HPO4 75 mg MgSO4 7H2O 25 mg CaCl2 2H2O 175 mg KH2PO4 25 mg NaCl 5 mg FeCl3 6H2O 2.86 mg H3BO mg MnCl2 4H2O 0.22 mg ZnSO4 7H2O 0.39 mg Na2MoO4 2H2O mg Co(NO3) 6H2O mg CuSO4 5H2O 1 ml EDTA Fe ( 将 0.901g FeCl3 6H2O 溶于 10 ml 的 1 mol L -1 稀盐酸中, 再与 10 ml 0.1 mol L -1 的 EDTA-Na2 溶液混合, 加入蒸馏水稀释至 1 L) 40 ml 土壤

3 Science Discovery 2016; 4(2): 浸出液 ( 将 200 g 避光晾干的未施肥花园土溶于 1 L 去离子水中, 水浴煮沸 3 h, 冷却沉淀 24 h, 重复煮沸 3 次过滤取上清液, 高压灭菌后 4 冷藏保存备用 ) 培养基在使用前于 120 下灭菌 20 min f/2 培养基每升海水中含有以下成分 :74.8 mg NaNO3 4.4 mg NaH2PO mg ZnSO4 4H2O mg CoCl2 6H2O 3.9 mg FeC6H5O7 5H2O 4.35 mg Na2-EDTA mg MnCl2 4H2O mg CuSO4 5H2O mg Na2MoO4 2H2O mg 维生素 B mg 维生素 B1 以及 mg 维生素 H 相同的环境中暗处培养 2 h, 测定呼吸作用的耗氧速率然后, 在持续照光条件下进行净光合放氧速率测定期间, 通过控制 LED 灯的数量或者碘量瓶与荧光灯管的距离, 营造从 20 至 120 μmolm 2 s 1 的 6 个光量子通量梯度总光合放氧速率 (μmol O2g 1 h 1 ) 为净光合放氧速率与呼吸耗氧速率之和最大总光合放氧速率 (Pm) 及其他参数由 Han 模型计算 [12]: σ PSII P = N 1 2 PSII I K( PSII I) + σ τ + σ τ I (1) 试剂丙酮及培养基配制所用的试剂均为国产分析纯 SE 培养基用去离子水配制,f/2 培养基所用海水取自青岛石老人近岸海域, 经 0.45 μm 混合纤维滤膜抽滤, 高温灭菌后冷却备用仪器 (1) 人工光源 LXHL-PM09 型 LED-R LED-B LED-W 和 F25T8/TL 950 型 FL 由荷兰 Philips 公司生产, 分别用于提供 LED 红光 (LR) LED 蓝光 (LB) LED 白光 (LW) 和荧光灯全光谱白光 (FW) 各光源的主要光学参数见表 1 光源波峰 (nm) 表 1 4 种光源的光学参数波段 (nm) LED-R ~645 30±3 LED-B ~490 30±3 LED-W 627,470, ~645,520~550, 60~490 60±3 FL - 400~700 30±3 发射光强 (μmolm 2 s 1 ) P I m k S N = (2) τ + 2 K τ 1 = (3) σ ( τ + 2 K τ ) PSII = Nσ (4) 0 PSII 1 Im = (5) σ K τ PSII 式中,P 为总光合放氧速率 (μmol O2g 1 h 1), Pm 为最大光合作用速率 (μmol O2g 1 h 1 ),Ik 为半饱和光强 (μmolm 2 s 1 ),S0 为初始斜率 (μmol O2g 1 h 1 (μmolm 2 s 1) -1 ), Im 为最优光强 (μmolm 2s 1),N 为单位叶绿素中光合单位的数量 (mol O2(mg Chl-a) -1 ),τ 为电子传递链的周转时间 (s),σpsii 为 PSII 的吸收截面积 (m 2 quantum -1 ), K 为光破坏速率常数 / 修复常数的比值, 反映了光抑制实现的程度,K 值越大, 说明光抑制的程度越强通过最小二乘法进行曲线 ( 式 (1) 的拟合优度检验, 求得的可决系数 R 平均值为 0.99 (2) 其他仪器 CXZ 智能型光照培养箱 ( 宁波江南仪器厂 );LDZX-50KBS 型高压蒸汽灭菌锅 ( 上海申安医疗器械厂 );3415F 型光量子计 ( 美国 Spectrum 公司 );UNICOUV-2600 型紫外可见分光光度计 ( 优尼科 ( 上海 ) 有限公司 );T6 型紫外可见分光光度计 ( 北京普析通用仪器有限责任公司 );SX716 型溶解氧测量仪 ( 极谱型 DO 电极, 上海三信仪表厂 );Nikon YS2-H 型电子显微镜 ( 日本 Nikon 公司 );Freezone2.5L 型真空冷冻干燥机 ( 美国 Labconco 公司 );XW-80A 型旋涡混合器 ( 宁波新芝生物科技股份有限公司 );GM-0.33A 型隔膜真空泵 ( 天津市津腾实验设备有限公司 );DHG-9030A 型电热恒温鼓风干燥箱 ( 上海一恒科学仪器有限公司 ) 2.2. 方法微藻在 4 种光源下的 P-I 曲线绘制取经过 FL 预培养至指数生长期的 2 种微藻, 在 LED-R LED-B LED-W 和 FL 四种光源, 不同光量子通量密度下进行光合放氧测定, 绘制 P-I 曲线步骤如下 : 将处于指数生长期的藻细胞转移到 100 ml 碘量瓶中, 在与培养温度光质对微藻生长的影响研究在恒温培养箱,FL 照射下对 2 株微藻进行预培养, 至指数生长期后定量接种于装有 300 ml 新鲜培养基的 500 ml 锥形瓶中, 初始接种藻细胞密度为普通小球藻 cellsml -1 和盐生杜氏藻 cellsml 条件下, 将微藻置于 4 种光源营造的 9 种光质 ( 光量子通量密度均为 60 μmolm 2 s 1) 条件下培养 9 种光质中, 除 LW LB LR 和 FW 外, 还包括以下 5 种混合光质 :LR 与 LB 混合光质 (LR+LB) LW 与 LR 混合光质 (LW+LR) LW 与 LB 混合光质 (LW+LB) FW 与 LR 混合光质 (FW+LR) FW 与 LB 混合光质 (FW+LB), 分别按光量子通量密度 1:1 由对应的两种光质混合而成各实验组设置三个平行, 采用摇瓶批次培养模式, 在恒温培养箱中进行微藻生物量测定采用细胞干重法 [13] 测定取 10 ml 藻液, 用 0.45 μm 混合纤维滤膜 ( 预先在 70 烘干至恒重 ) 抽滤然后用蒸馏水冲洗 3 次, 于 70 下烘至恒重, 用感量 0.1 mg 天平准确称重每组均进行滤膜空白校正

4 132 崔鸿武等 : 人工光源和光质对 2 株微藻生长的影响藻细胞密度测定与比生长速率计算藻细胞密度 : 固定时间取样, 用血球计数板个体计数法测定, 平行三次指数生长期微藻的比生长速率按式 (6) 计算 : lnn -lnn t t 0 µ = (6) 式中,μ 为比生长速率 (d -1 );Nt 为 t(d) 时刻的藻细胞数量 (cellsml -1 ),N0 为初始藻细胞数量 (cellsml -1 ) 藻细胞活体吸收谱用 UNICO UV-2600 型紫外可见分光光度计测定藻细胞活体吸收谱以新鲜培养基为空白扫描基线, 然后在 PAR 波段 (400~700 nm) 内测试试样光束为直射光, 光谱带宽 1 nm, 扫描速率 5 nms 光合色素分析采用 Sükran 等 [14] 的方法测定叶绿素 a(chl-a) 叶绿素 b(chl-b) 类胡萝卜素 (Car) 的含量收集 20~60 ml 藻液,20 下 3000 rpm 离心 10 min, 用蒸馏水清洗三次脱盐, 吸水纸吸干表层水分, 称取湿藻泥的重量, 以固液比 50 mlg -1 (fw) 加入 90% 丙酮, 漩涡混合 1 min,4 避光冷藏过夜然后经双层纱布过滤后 5000 rpm 离心 10 min, 用紫外可见分光光度计读取上清液在 450 nm,630 nm,647 nm, 664 nm,691 nm 处的吸光度, 按 Ritchie[15] 的公式计算 Chl-a 和 Chl-b 含量, 按 Jensen[16] 的方法计算 Car 含量的光合强度影响顺序如下 : 普通小球藻为 LED-W > FL > LED-B > LED-R; 盐生杜氏藻为 LED-B > FL > LED-W > LED-R 根据 P-I 曲线计算 2 株微藻在 4 种光源下的光合放氧参数, 见表 2 光源对微藻的 Pm 值和初始斜率 S0 有着不同的影响, 普通小球藻和盐生杜氏藻的 S0 最大值分别出现在 FL 和 LED-B 光源下, 而 Pm 值则均出现在 LED-W 光源下, 即 : 对于同一种微藻, 某种光源下的 S0 值最大, 其 Pm 值不一定最高普通小球藻和盐生杜氏藻在 LED-W 光源下获得的 Pm 最高值, 分别比 FL 照射下的 Pm 值提高 71.39% 和 2.90% 这表明, 与 FL 光源相比,LED-W 照射能够一定程度上提高 2 种微藻对无机碳的利用程度 [17], 从而合成更多的生物质, 并可进一步提升微藻的减排能力微藻 C. vulgaris D. salina 表 2 通过 P-I 曲线计算的微藻光合放氧参数光源光合放氧参数 Pm S0 Im LED-B LED-R LED-W FL LED-B LED-R LED-W FL Chl-a (mg L -1 )= A A A (7) Chl-b (mg L -1 ) = A A A (8) Car (mg L -1 ) = A /2500 (9) 2.3. 数据统计与分析每种处理下的 μ 值光合色素含量 P 值分别用三次平行测定结果的平均值 ± 标准偏差 (Mean±SD) 表示采用 SPSS17.0 软件 (SPSS Inc., USA) 进行统计分析用单因素方差分析中 Games-Howell( 方差非齐性 ) 或 Tukey( 方差齐性 ) 两两比较方法进行不同处理条件下的指标显著性差异检验 (P<0.05) 3. 结果与讨论种光源对微藻光合放氧的影响光合放氧速率是植物光合强度的表征为分析光源类型及其光强变化对微藻光合器官功能的影响, 制作了 2 种微藻在不同类型光源照射下的 P-I 曲线, 见图 2 在 4 种光源下,2 种微藻的 P 值随 I 的增强呈现出较为相似的变化规律 : 当 I 较低时,P 值快速上升 ; 但是, 当 I 高于某一值时, P 值随光强的增强而降低, 即表现出光抑制效应此时, 曲线上的转折点对应的光强即为微藻的光饱和点根据光抑制出现之前不同类型光源下的 P 值变化,4 种光源对微藻图 2 微藻在 4 种光源下的 P-I 曲线 (a) 普通小球藻 ;(b) 盐生杜氏藻

Science Discovery 2016; 4(2): 129-136 133 目前, 国际上微藻培养所用的光源仍以 FL 为主 (>95%)[18] 作为日常照明光源,FL 光源虽然具有节能发光效率高光线柔和等优点, 但是, 将其作为微藻培养的光源, 存在耗电量偏高光谱针对性不强几何形状单一易挥发汞蒸气等缺点 LED 被称为第四代光源,

75%[18,19], 因此, 在微藻培养方面的应用潜力高于 FL 苗洪利等 [7] 以纤细角毛藻 (Chaetoceros gracilis) 和亚心形扁藻 (Platymonas subcordiformis) 为研究对象, 发现 LED 集成光源作为微藻生长的照明光源比荧光灯更有优势从本研究结果看, 虽然 4 种光源对光合强度的影响顺序因藻种而异, 但是, 对于 2 种微藻而言, 至少有

5 Science Discovery 2016; 4(2): 目前, 国际上微藻培养所用的光源仍以 FL 为主 (>95%)[18] 作为日常照明光源,FL 光源虽然具有节能发光效率高光线柔和等优点, 但是, 将其作为微藻培养的光源, 存在耗电量偏高光谱针对性不强几何形状单一易挥发汞蒸气等缺点 LED 被称为第四代光源, 其在微藻培养中的应用于近几年受到了越来越多的关注主要原因为 LED 光源发射光谱能覆盖藻类生长所需的光谱能带, 从而促进捕光合色素对光能的吸收, 提高藻生物量与光合色素含量, 同时, 其能耗比 FL 光源减少 38.75%[18,19], 因此, 在微藻培养方面的应用潜力高于 FL 苗洪利等 [7] 以纤细角毛藻 (Chaetoceros gracilis) 和亚心形扁藻 (Platymonas subcordiformis) 为研究对象, 发现 LED 集成光源作为微藻生长的照明光源比荧光灯更有优势从本研究结果看, 虽然 4 种光源对光合强度的影响顺序因藻种而异, 但是, 对于 2 种微藻而言, 至少有 1 种 LED 光源对光合作用的促进效果优于 FL 光源, 表明某些 LEDs 光源对微藻具有较好的促长效应率对同种光质的响应存在差异, 这可能与其光合生产中各自需要吸收不同波长的光有关图 3 不同颜色的 LED 条带灯种光质对微藻生长的影响微藻在不同光质照射 ( 光强 60 μmolm 2 s 1 ) 下的生长曲线见图 4 可以看出, 不同的光质条件, 微藻的生长趋势存在很大差异其中, 普通小球藻 ( 图 4-a) 的生长在经过 2 d 的适应期后进入指数生长期, 至培养结束时, 以 LW+LB 和 LW 照射下的藻生物量最高, 分别为 0.19 gl -1 和 0.18 gl -1, 而 LR 照射下的生物量最低盐生杜氏藻 ( 图 4-b) 则从第 0 d 直接进入指数生长期, 至第 6 d 仍未结束, 仅 LW+LB FW+LR LR+LB LR 等少数光质下出现生长速率降低的现象 ; 与 LR 不同, 培养期间 LB 照射下的藻生物量一直高于其他光质, 约为前者的 1.5 倍植物叶绿素的吸收波段主要是位于可见光区的蓝光和红光, 因此, 微藻的比生长率受到光谱特征的影响由表 3 可见, 不同种类光质对微藻生长的影响程度因藻种而异 9 种光质下, 普通小球藻的 μ 值变化范围在 0.11~0.22 d -1, 最大 μ 值对应的光质为 LW+LB 和 LW, 最低值出现在 LB+LR LR 照射下但是, 同属绿藻门的盐生杜氏藻的 μ 值范围为 0.41~0.44 d -1, 高 μ 值出现在 LB FW FW+LR 三种光质下, 最低 μ 值出现在 LR 光质下前人的研究也观察到, 绿藻门中不同藻种的最适宜光质不同毛安君等 [20] 研究发现, 直接用 LED 提供单色光质时, 小球藻在 LB 下的生物量最大 ; 而 Yan 等 [21] 认为 LW 最适于小球藻生长 ; 栅藻 (Scenedesmus sp. LX-1)[22] 和亚心形扁藻 [7] 却在 LR+LB 下生长最快一般认为, 入射光的波长应与光合色素的吸收光谱相一致, 本研究观察到 2 种微藻的比生长速图 4 2 种微藻在不同光质中的生长曲线 (a) 普通小球藻 ;(b) 盐生杜氏藻 3.3. 不同光质照射下微藻的光合色素含量叶绿素是微藻光合作用的天线色素, 参与光能的吸收和传递绿藻中主要为 Chl-a 和 Chl-b, 其吸收光谱在红光区和蓝光区各有一个吸收峰, 位于波长 435 nm 676 nm 处 [23] 此外, 绿藻的另一种辅助色素是 Car, 主要吸收光谱中的蓝光 (400~550 nm), 主要功能有两个 : 一是在合成途径中产生的分子 ( 如 β- 胡萝卜素, 叶黄素 ) 被运输到细胞内脂质体, 脂质体分散在外围可以作为遮光剂, 减少过剩的光照对叶绿体活性的影响 [24]; 二是通过扩展微藻的吸收光谱以增加光能利用效率 [23] 微藻光合作用中,PII 和 PSI 由捕光色素蛋白复合体和反应中心色素蛋白复合体组成, 捕光色素包括 Chl-a Chl-b Car 等 ; 而反应中心色素主要为叶绿素分子 P680 和 P700; 捕光色素的吸收光谱在红光区和蓝光区各有一个吸收峰, 意味着色素更容易吸收这两个波段的光, 跃迁至第一单线态和第二单线态, 继而推动整个非环式电子传递过程 [25] 其中, 吸收蓝光的第二单线态有更多的能量用

6 134 崔鸿武等 : 人工光源和光质对 2 株微藻生长的影响于光合作用, 而吸收红光的第一单线态除进行光合作用外, 还会发出荧光甚至回落至一三线态后发出磷光, 能量更少, 这可能是 LB 比 LR 更有利于微藻生长的原因之一由 3.2 节可知, 叶绿素对不同种类光质的吸收存在差异, 微藻表现出不同的比生长率但是, 这种差异是否能够通过影响光合色素含量而实现尚不明确因此, 本研究分别测定了 2 种微藻在不同光质下的光合色素含量, 结果列于表 4 光质 LR LB LR+LB LW LW+LR LW+LB FW FW+LR FW+LB 表 3 2 种微藻在不同光质下指数生长期的比生长速率 C.vulgaris 0.11± a 0.15± b 0.12± a 0.20± de 0.17± c 0.22± e 0.16± f 0.14± g 0.18± h * 字母不同表示 μ 有显著性差异 (P < 0.05) μ(d -1 )* D.salina 0.40± a 0.44± d 0.41± b 0.42± c 0.41± bc 0.42± c 0.44± d 0.44± d 0.42± c 结果如下 : 对普通小球藻而言, 在 9 种光质照射下, 以复合光谱 FW+LR 的色素含量最高,Chl-a Chl-c Car 含量分别为 9.87,3.66,4.90 mgl 1; 明显高于 FW 照射下的色素含量, 表明在连续光谱基础上加大红光比率, 有利于光合色素合成 Mohsenpour 等 [26] 用 150 W 的氙弧灯模拟阳光, 照射含紫绿橙红色染料的亚克力板条产生所需波长的光, 作为普通小球藻生长的光源, 培养 14 d 后, 最大 Chl-a 含量发生于红光照射下, 并认为所提供的红光波段 (650~700 nm) 是 Chl-a 的吸收光谱, 因而对小球藻色素合成起促进作用但是, 本研究发现蓝光在其中也起到重要作用, 表现为 LW+LR 的色素含量显著低于 LW LB LW+LB 以及 LR 与 LB 照射下的色素含量差异不明显这光质 Chl-a 些现象说明,LR 对色素合成的促进作用需要其他波段的光 ( 尤其是 LB) 的参与 [26] 在表 4 中,LR 对色素积累的提升作用在盐生杜氏藻中较为明显, 这与 Sa nchez-saavedra 等 [27] 对盐藻的研究结果一致本研究中, 盐藻光合色素含量对光质的响应为 :LR 下 3 种色素含量均最高 (Chl-a Chl-c Car 含量分别为 21.14,6.60, mgl 1 ), 尽管与 LW LW+LR 照射下差异不显著, 但明显高于 LB LW+LB 组 ; 在 FW FW+LR FW+LB 三种光质中, 色素含量也以 FW+LR 为高与 LR 相比,LB 对盐生杜氏藻的光合色素含量的调控作用不明显综合以上结果发现, 载复合光谱基础上加大 LR 比例有利于提高普通小球藻与盐生杜氏藻的色素含量, 而在单色光质 LR LB 下色素含量往往较低可能的原因是, 微藻光合色素的合成需要多种光质的协同参与 [28], 且红光是 PSII 和 PSI 优先吸收的光质 [29], 这二者的作用共同引起了该现象 3.4. 光质变化调控微藻生长的可能原因表 4 光强 60 μmolm 2 s 1 的 9 种光质下 2 种微藻的光合色素含量 C. vulgaris Chl-b Car 对 2 种微藻在不同光质下的 μ 值与光合色素含量进行相关性检验, 结果见表 5 2 种微藻的光合色素含量与 μ 值均不相关, 即 : 随光质种类的变化, 微藻的光合色素含量与 μ 值表现出非一致性的响应特征由此推断, 光合色素变化可能不是光质调控微藻生长的主要原因, 尚存在其他影响微藻的光能利用的机制图 5 为本研究所用 2 种微藻的活体吸收谱, 它们在蓝光区和红光区均有吸收峰, 分别位于 430 nm 左右和 680 nm 左右, 与 Mouget 等 [28] 的报道类似已有研究发现, 微藻生长与比消光系数之间存在较好的一致性 [30] 消光系数与入射光光强无关, 表明同样光量子通量密度下, 藻细胞会吸收更多的蓝光或红光光能, 这可能是 LB 或 LR 促进微藻生长的另一个原因比较而言, 普通小球藻对 LB 的吸收系数明显高于 LR, 而盐生杜氏藻对 LB 与 LR 的吸收系数相近, 因此在两种单色光下的盐藻 μ 接近色素含量 (mgl -1 )* Chl-a D. salina Chl-b LR 8.04±0.06 b 2.95±0.32 ab 4.09±0.27 b 21.14±0.14 d 6.60±0.18 d 10.10±0.10 c LB 8.56±0.21 b 3.07±0.29 ab 4.60±0.20 c 16.28±0.70 bc 4.21±0.11 b 7.75±0.40 b LR+LB 8.59±0.31 b 3.13±0.19 abc 4.48±0.16 bc 17.74±0.24 c 4.93±0.30 bc 8.38±0.10 b LW 9.61±0.34 cd 3.53±0.23 bc 4.84±0.06 c 20.39±1.06 d 5.89±0.65 cd 9.54±0.44 c LW+LR 6.99±0.15 a 2.68±0.23 a 3.58±0.13 a 20.53±1.03 d 6.07±0.15 d 9.86±0.63 c LW+LB 8.43±0.26 b 3.07±0.07 ab 4.62±0.18 c 13.29±0.39 a 3.05±0.07 a 6.45±0.35 a FW 8.73±0.25 bc 3.18±0.09 ab 4.42±0.15 bc 15.22±1.02 ab 4.03±0.10 b 7.24±0.64 ab FW+LR 9.87±0.50 d 3.66±0.10 c 4.90±0.04 c 16.06±0.48 bc 4.16±0.64 b 7.76±0.02 b FW+LB 8.66±0.48 bc 3.09±0.07 abc 4.75±0.21 c 15.48±0.25 b 4.09±0.18 b 7.28±0.36 ab * 字母不同表示色素含量有显著性差异 (P < 0.05) 表 5 2 种微藻比生长速率与色素含量间的相关性系数 Car 微藻 C. vulgaris D. salina 色素含量与 μ 之间的相关系数 Chl-a Chl-b CD Chl-a Chl-b CD

7 Science Discovery 2016; 4(2): 参考文献 [1] 李永富, 孟范平, 李祥蕾等. 光照对光生物反应器中微藻高密度光自养培养的影响 [J]. 中国生物工程杂质,2013,33(2): [2] Ugwu C U, Aoyagi H, Uchiyama H. Photobioreactors for masscultivation of algae [J]. Bioresource Technology, 2008, 99(10): [3] 李元广, 谭天伟, 黄英明. 微藻生物柴油产业化技术中的若干科学问题及其分析 [J]. 中国基础科学,2009(5):64-70 [4] Das P, Wang L, Aziz S S, et al. Enhanced algae growth in both phototrophic and mixotrophic culture under blue light [J]. Bioresource Technology, 2001, 102(4): [5] 郝洛西, 杨秀. 基于 LED 光源特性的半导体照明应用创新与发展 [J]. 照明工程学报,2012,23(1):1-6 [6] Katsuda T, Shimahara K, Shiraishi H, et al. Effect of flashinglight from blue light emitting diodes on cell growth and astaxanthin production of Haematococcus pluvialis [J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2006, 102(5): [7] 苗洪利, 周晓光, 刘逢学, 等.LED 光谱对纤细角毛藻和亚心形扁藻生长的影响 [J]. 光学学报,2010,30(4): [8] 唐青青, 方治国, 嵇雯雯, 等. 光质对蛋白核小球藻 (Chlorella pyrenoidosa) 生长特征及生化组成的影响研究 [J]. 环境科学, 2014,35(11): 结论图 5 2 种微藻在 PAR 区的活体吸收谱 (1) 用 4 种人工光源对微藻进行培养, 普通小球藻盐生杜氏藻的最大光合放氧速率均出现在 LED-W 照射下 LEDs 对微藻光合作用的促进效果优于 FL 光源 (2) 适宜微藻生长的光质条件存在种质差异性 : 普通小球藻的最适光质为 LW+LB 或 LW; 而盐生杜氏藻生长受光质调控不明显 (3) 光合色素含量与 μ 值随光质变化的非一致性说明光合色素变化可能不是光质调控微藻生长的主要原因藻细胞的活体光吸收可能是影响微藻生长的主要因素致谢本文为国家科技支撑计划课题 (2011BAD14B04) 资助的阶段性成果之一 [9] 苗洪利, 孙丽娜, 田庆震, 等.LED 单色光谱及复合光谱对赤潮优势种中肋骨条藻生长的作用 [J]. 中国海洋大学学报, 2011,41(10): [10] 王伟. 光质对中华盒形藻生长及生化组成的影响 [J]. 武汉植物学研究,1999,17(3): [11] 沈银武, 朱运芝, 刘永定. 不同光质对中华植生藻的影响 [J]. 水生生物学报,1999,23(3): [12] Han B P. A mechanistic model of algal photoinhibition induced by photodamage to photosystem-ii [J]. Journal of Theoretical Biology, 2002, 214(4): [13] Ge Y, Liu J, Tian G. Growth characteristics of Botryococcus braunii 765 under high CO2 concentration in photobioreactor [J]. Bioresource Technology, 2011, 102(1): [14] Sükran D, Günes T, Sivaci R. Spectrophotometric determination of chlorophyll-a, B and total carotenoid contents of some algae species using different solvents [J]. Turkish Journal of Botany, 1998, 22:

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2001,30(1):1-4 Subtropical Plant Science 2015,44(3): 188~192. 三种植物生长调节剂对楝叶吴茱萸光合作用的影响董奇妤 1, 张亮 2, 张亨 3, 王婧 1, 陈红跃 (1. 华南农业大学林学与风景园林学院, 广东广州 510642;2. 广东省林业调查规划院,