全 文 ：第 1卷 第 2期
2008年　11月
水生 态 学 杂 志
JournalofHydroecology
Vol.1, No.2　
Nov., 2008　
　　收稿日期:2008-02-22
基金项目:辽宁省教育厅重点科研项目(202130893);大连市科
技局复合性科技人才基金(2004166)资助。
通讯作者:张丽莉 , 女 ,主要从事微藻生理生态研究 , E-mail:
leelee79@ 163.com
作者简介:王国栋 , 1977年生 ,男 , 山东蒙阴人 ,讲师 , 博士 , 主
要从事水生生物生理生态研究。 E-mail:gdwang@jmu.edu.cn
补充 CO2 对光生物反应器培养新月菱形藻的影响
王国栋 1 , 张丽莉1 , 吴　垠 2 , 孙建明 3
(1.集美大学水产学院水产生物技术研究所 , 福建 厦门　361021;
2.大连水产学院农业部海洋水产增养殖学与生物技术重点开放实验室 , 辽宁 大连　116023;
3.大连汇新海洋科技发展有限公司 , 辽宁 大连　116033)
摘要:为了优化光生物反应器培养微藻的条件 ,研究了在充空气的基础补充 CO2对光生物反应器培养新月菱形
藻(Nitzschiaceaeclosterium)生长和光合作用的影响。实验表明 , 补充 CO2(含 1 000μL/LCO2的空气)促进新月菱
形藻的生长 ,藻细胞密度和生物量显著高于对照组(CO2含量 350μL/L)(P<0.05)。补充 CO2也能够提高藻细
胞叶绿素 a和类胡萝卜素的含量(P<0.05), 但是对叶绿素 b没有显著影响(P>0.05)。补充 CO2能够显著提高
指数生长期的最大光合速率(Pm)、光合作用效率(α)和光合作用饱和光强(Ik)(P<0.05)。结果表明 , CO
2
是光
生物反应器培养微藻的限制因子之一 , 补充 CO2能够提高微藻的生物量。
关键词:新月菱形藻;光生物反应器;CO2;生长;光合作用
中图分类号:S969.24　　文献标志码:A　　文章编号:1674-3075(2008)02-0035-04
　　微藻生长繁殖快 ,易于培养 ,而且营养丰富 ,富
含微量元素和高度不饱和脂肪酸 、色素等多种生物
活性物质 ,因此成为生产保健食品 、食品添加剂 、饲
料 、生物肥料 、化妆品及其它天然产品的重要原材
料;而且在水产动物育苗时广泛使用各种微藻作为
优良的生物饵料 ,是影响幼苗成活率和质量的关键
因素之一(刘娟妮等 , 2006)。能否有计划 、稳定的
供给直接关系到育苗的成败 ,已经成为影响水产养
殖业发展的关键因素之一;此外 ,利用微藻为宿主的
基因产物的生产也日益受到关注 。因此 ,微藻大规
模培养技术的研究一直是国内外许多学者和养殖工
作者关注的课题 (Pismanetal, 2006;孙建明等 ,
2003)。
光生物反应器是一种高效 、稳定培养微藻的封
闭式装置 ,它克服了微藻室外开放式培养存在的占
地面积大 、培养效率低 、生产不稳定 、容易污染等问
题 。由于采用了封闭式培养系统 ,其光能转化效率
高 、条件易于控制 ,使微藻生产跨跃上了新水平 。因
此 ,许多学者开始致力于用光生物反应器进行微藻
培养的研究 ,并已应用于生物工程和化工等领域
(刘晶瞒等 , 1999;Zitelietal, 1999;吴垠等 , 2004a;
吴垠等 , 2004b)。但这种培养方式仍面临许多问
题 ,如这种封闭培养器容易造成溶解氧蓄积 ,高密度
培养时 CO2供应不足等 (吴垠等 , 2004a)。本文研
究了在光生物反应器封闭式培养中 ,补充 CO2对重
要海洋经济微藻———新月菱形藻(Nitzschiaceaeclos-
terium)生长 、光合色素和光合作用特征的影响 ,为
光生物反应器高效培养微藻提供一定的理论依据 。
1　材料与方法
1.1　藻种
新月菱形藻(N.closterium)是由辽宁省海洋水
产科学研究院提供 , 接种到光反应器之前 ,在 3 000
mL的三角瓶中用 Conwey培养液进行扩大培养 。
1.2　设备与方法
光生物反应器由大连汇新海洋科技发展有限公
司提供(专利号:ZL02283827.9),整套设备包括培
养器 、水处理器 、温控系统 、CO2充气系统及人工光
源等 。容积为 350L,采用自然光和人工光(外置)连
续照明 ,光照强度为 1 500 ～ 8 000 lx, 水温 16 ～
20℃。对照组通过滤空气 , CO2浓度为 350 μL/L;
实验 A组和实验 B组分别在充过滤空气的基础上 ,
每天中午 12点补充 CO2浓度为 1 000μL/L的空气
20min和 10min;3组的充气量均为 300mL/min,均
进行 3次重复 。
1.3　测试指标
1.3.1　细胞数量及生物量测定　每天用血球计数
板测量新月菱形藻细胞个数 。培养结束时 ,用 0.2
μm玻璃纤维滤膜(whatman, GF/C)过滤 50 mL藻
DOI :10.15928/j.1674-3075.2008.06.005
液 ,在 65°C下烘至恒重 ,即得干重。先将玻璃纤维
滤膜用 5%HCl浸泡 30 min, 450°C灼烧 4h,称重得
W0 ,然后过滤藻液 ,于 65°C烘至恒重 ,称重得 W1。
W0与 W1之差即为微藻干重 。
1.3.2　光合色素测定　培养结束时 ,测定叶绿素
a、叶绿素 b和类胡萝卜素含量 ,将藻液经 0.45 μm
微孔滤膜过滤 ,用 95%丙酮萃取定容至 10 mL, 751
型分光光度计测定(吴垠等 , 2004b)。
1.3.3光合作用对光强的影响曲线(P-I曲线)测
定　将培养至指数生长期的藻液低速离心收获细
胞 ,用新鲜的 Conwey培养液重悬 ,调整各组藻液为
相似的细胞密度 ,取 200mL藻液至反应瓶 ,通过调
整碘钨灯与反应瓶的距离得到不同的光照强度 ,温
度为 20°C,用氧电极测定光合放氧速率(吴垠等 ,
2004a)。
2　结果
2.1　补充 CO2对新月菱形藻生长的影响
光生物反应器补充 CO2培养新月菱形藻的生
长结果见图 1、图 2。新月菱形藻初始细胞密度为
14万 ～ 15万 cel/mL。单因素方差分析显示 ,培养
至 7d,实验 A组的藻密度显著高于实验 B组和对照
组(P<0.05);培养至 11d,实验 B组的藻密度才显
著高于实验组 (P<0.05)。在培养结束时(16 d),
3个处理的藻密度差异显著(P<0.05)。经 LSD多
重比较 ,实验 A组的藻密度最高为 853.8万 cel/
mL,实验 B组的藻密度为 621.9万 cel/mL,对照组
藻密度最小为 573.1万 cel/mL(P<0.05)。培养
结束时 ,微藻干重差异极显著(P<0.01)。 LSD多
重比较表明 ,实验 A组最高 ,为 0.95 mg/mL;实验 B
组次之 ,为 0.77 mg/mL;对照组最低 ,为 0.68 mg/
mL(P<0.05)。
图 1　补充 CO2对新月菱形藻细胞密度的影响
Fig.1　EffectofCO2 concentrationoncell
densityofNitzschiaceaeclosterium
图 2　补充 CO2对新月菱形藻干重的影响
Fig.2　EffectofCO2 concentrationon
dryweightofNitzschiaceaeclosterium
2.2　补充 CO2对新月菱形藻光合色素的影响
补充 CO2对新月菱形藻各种光合色素影响见
图 3。藻细胞叶绿素 a和类胡萝卜素的含量有显著
性差异(P<0.05),藻细胞叶绿素 b含量没有差异。
LSD多重比较方差分析表明 ,实验 A组和实验 B组
叶绿素 a含量(分别为 0.17pg/cel和 0.18pg/cel)
显著高于对照 (0.06 pg/cel)(P<0.05)。藻细胞
类胡萝卜素含量对照组(0.10 pg/cel)显著高于实
验 A组 (0.05 pg/cel)和实验 B组 (0.06 pg/cel)
(P<0.05)。
图 3　补充 CO2对新月菱形藻光合色素含量的影响
Fig.3　EffectofCO
2
concentrationonphotosynthetic
pigmentsofNitzschiaceaeclosterium
2.3　补充 CO2对新月菱形藻光合作用的影响
补充 CO2对新月菱形藻 P-I曲线的影响见图
4。在光照小于 100 μmol/m2· s时 , 3条曲线混在
一起 ,当光照高于 100 μmol/m2· s时 ,实验 A组的
P-I曲线在最上面 ,实验 B组位于中间 ,而对照组
则在最下面。其中各条曲线的参数见表 1。方差分
析表明 ,补充 CO2对新月菱形藻的最大光合速率
(Pm)、光合作用效率(α)和光合作用饱和光强(Ik)
都有显著性影响(P<0.05)。 LSD多重比较表明 ,
实验 A组的 Pm最高 ,实验 B组次之 ,对照组最低
(P<0.05)。实验 A组的 α显著高于实验 B组和
对照组 (P<0.05),实验 B组和对照组没有显著差
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异(P>0.05)。实验 A组和实验 B组的 Ik没有显
著差异 (P>0.05), 但是显著高于对照组 (P<
0.05)。
图 4　补充 CO2对新月菱形藻光合作用
-光反应曲线(P-I曲线)的影响
Fig.4　Lightresponsecurvesofphotosynthetic
oxygenevolutionrateofNitzschiaceaeclosterium
culturedindifferentCO2 concentration
表 1　不同 CO2浓度对新月菱形藻
P-I曲线各项参数的影响
Tab.1　Parametersforphotosynthetic-lightresponse
(P-I)curvesofNitzschiaceaeclosterium
组　别 Pm/μmol·mg-1· h-1
α/μmol·
mg-1· h-1
Ik/μmol·
m-2· s-1
实验 A组 617.2±23.1 8.02±0.39 76.92±3.80
实验B组 550.0±22.6 6.96±0.52 79.03±3.80
对照组 428.8±19.1 7.35±0.59 53.90±2.90
3　讨论
已有很多研究表明(Riebeseletal, 1993;Chen
etal, 1994;Gaoetal, 1991;Gaoetal, 1993;夏建荣
和高坤山 , 2001;夏建荣等 , 2002),在自然条件下海
洋硅藻和绿藻的生长在低浓度 CO2下受到限制 ,提
高 CO2的浓度会促进微藻的生长 。吴垠等(2004a)
和于娟等(2005)的报道表明 ,提高光生物反应器中
CO2浓度培养叉鞭金藻 、盐藻和小球藻 、亚心型扁藻
同样也能促进微藻的生长。这与我们补充 CO2能
够促进光生物反应器中新月菱形藻生长的研究结果
一致。在培养的初期(静止期), 补充 CO2对新月
菱形藻的生长影响不显著 ,随着培养时间的延长 ,藻
液浓度的增加 ,补充 CO2才对新月菱形藻生长产生
影响。而且在试验浓度范围内 ,多补充 CO2比少补
充 CO2提高生长的幅度要大 ,具有剂量依赖效应 。
这表明在培养初期 ,藻细胞生物量低 ,培养液中的
CO2浓度尚未构成藻细胞生长的限制因子。但是随
着藻细胞数量的增加 ,对 CO2需求加大 ,对照组的
CO2供给已经满足不了微藻的生长 ,成为光生物反
应器培养微藻的限制因子。
本文的结果还显示 ,与大气 CO2浓度条件下培
养相比 , CO2浓度的提高 ,显著地提高了对数生长期
的最大光合速率 、光合作用效率和光合作用饱和光
强 ,这与 CO2浓度的提高导致藻细胞有较高的生物
量是一致的。吴垠等(2004a)的研究结果同样表明
这一点。这一结果与 Shelp等(1980)和 Watanabe
等(1997)认为小球藻能够有效利用外源 CO2而提
高光合作用的结论一致 。说明补充外源 CO2可以
提高新月菱形藻对于光能的利用和转化 ,提高光合
效率 ,为光合碳化提供充足的能量 ,进而导致新月菱
形藻营养成分的积累 。 CO2是植物光合作用的底
物 ,又是光合作用的主要限制因子之一。 CO2浓度
升高可在两个方面影响新月菱形藻的光合作用 ,一
方面增加了 CO2对 Rubisco结合位点的竞争从而提
高羧化速度;另一方面通过抑制光呼吸提高净光合
效率(吴垠等 , 2004a;Kirk, 1983)。此外 ,张其德等
(1996)认为这可能是因为 CO2加倍有利于藻光系
统 I的光化学效率的提高 ,光系统 I的光化学效率
的提高有利于把捕获的光能以更高的效率转化为化
学能 ,为光合碳同化提供更充足的能量 。这可能是
补充 CO2有利于光合效率提高的原因之一。
参考文献:
刘晶瞒 ,李元广 , 张嗣良.1999.用管式光生物反应器培养螺
旋藻的研究 [ J] .生物工程学报 , 15(4):525-528.
刘娟妮 ,胡萍 , 姚领 , 等.2006.微藻培养中光生物反应器的
研究进展 [ J] .食品科学 , 27(12):772-777.
孙建明 ,吴垠 , 桂远明 ,等.2003.海洋微藻全封闭 、连续式培
养初步试验 [ J] .水产科学 , 22(3):22-24.
吴垠 ,孙建明 , 孙培海 , 等.2004a.CO
2
浓度对光生物反应器
高效培养的湛江叉鞭金藻和盐藻的影响 [ J] .水产学报 ,
28(6):742-744.
吴垠 ,孙建明 , 杨志平.2004b.气升式光生物反应器培养海
洋微藻的中试研究 [ J] .农业工程学报 , 20(5):237 -
240.
夏建荣 , 高坤山 , 叶海波.2002.水华鱼腥藻生长与光合作
用对大气 CO2浓度升高的响应 [ J] .植物生态学报 , 26
(6):652-655.
夏建荣 , 高坤山.2001.高浓度 CO2对极大螺旋藻生长和光
合作用的影响 [ J] .水生生物学报 , 25(5):474-478.
于娟 ,唐学玺 , 张培玉 , 等.2005.CO2加富对两种海洋微绿
藻的生长 、光合作用和抗氧化酶活性的影响 [ J] .生态学
报 , 25(2):197-202.
张其德 ,卢从明 , 冯丽洁 , 等.1996.CO
2
加富对紫花苜蓿光
合作用原初光能转化的影响 [ J] .植物学报 , 38(1):77
-82.
372008年第 2期　　　　　　　　　　王国栋等 , 补充 CO2对光生物反应器培养新月菱形藻的影响
ChenCY＆DurbinEG.1994.EfectsofpHonthegrowthand
carbonuptakeofmarinephytoplankton[ J] .Mar.Ecol.
Prog.Ser.109:83-94.
GaoK, ArugaY, AsadaK.1991.Enhancedgrowthofthered
algaPorphyrayezoensisUedainhighCO2 concentrations
[ J] .JApplPhycol, 3:355-362.
GaoK, YAruga, K.Asada, M.Kiyohara.1993.Influenceof
enhancedCO2 ongrowthandphotosynthesisoftheredalgae
Gracilariasp.andG.chilensis[ J] .JournalofApplied
Phycology, 5:563-571.
KirkJT.1983.Lightandphotosynthesisinaquaticecosystems
[ M] .Cambridge:CambridgeUniversityPress.
PismanTI, PechurkinNS, SomovaLA.2001.Competitionbe-
tweenlinksinproducer-ceonsumertrophicchainsinana-
quaticclosedsyetemwithspatiallyseparatedcomponents
[ J] .Advancesinspaceresearch, 9:1 599-1 603.
RiebeselU, Wolf-GladrowDA, SmetacekV.1993.Carbon
dioxidelimitationofmarinephytoplanktongrowthrates[ J] .
Nature, 361:249-251.
ShelpBJ＆CanvinDT.1980.Utilizationofexogenousinorganic
carbonspeciesinphotosynthesisbyChlorelapyrinoidosa
[ J] .PlantPhysi, 65:774-779.
WatanabeY＆SajkiH.1997.Developmentofaphotobioreactor
incorporatingChlorellasp.forremovalofCO2 instackgas
[ J] .EnergyConversMgmt, 38:499-503.
ZitteliGC, LavistaF, BastianiniA, etal.1999.Productionof
eicosapentaenoicacidbyNannochloropsissp.culturesin
outdoortubularphotobioreactors[ J] .JBiotech, 70:299-
312.
(责任编辑　万月华)
EfectsofCO2 EnrichmentonGrowthandPhotosynthesisofNitzschiaceaeclosterium
WangGuo-dong1 , ZhangLi-li1 , WuYin2 , SunJian-ming3
(1.FisheriesColege;InstituteofAquacultureBiotechnologyJimeiUniversity, Xiamen　361021, China;
(2.KeyLaboratoryofMaricultureandBiotechnologyAgricultureMinistry,
DalianFisheriesUniversity, Dalian　116023, China;
3.DalianHuixinOceanScience＆TechnologyDevelopmentCo.Ltd;Dalian　116033, China)
Abstract:Inordertooptimizetheparameter, theefectsofCO2 enrichmentonthegrowthandphotosynthesisof
Nitzschiaceaeclosteriuminairliftphotobioreactorswereinvestigated.Theresultsshowedthatceldensityandbio-
massofN.closteriumsignificantlyincreasedwhenculturemediunwasbubbledwithenrichedCO2(1 000 μL/L)
comparedtolowCO2 concentration(350 μL/L).Moreover, CO2 enrichmentincreasedtheChlaandCarcontentof
algaecel, andhadnosignificantlyefectontheChlbcontentofalgaecel.Themaximumphotosynthesisrate
(Pm), theinitialslope(α)andsaturatingiradiancelevel(Ik)inexponentialgrowthphaserosewithCO2 enrich-
ment.TheresultsshowthatCO2 isoneoflimitingfactorsforalgaegrowth.ThebiomassofNitzschiaceaeclosterium
isimprovedbyenrichedCO2.
Keywords:Nitzschiaceaeclosterium;photobioreactor;CO2 concentration;growth;photosynthesis
38 第 1卷第 2期　　　　　　　　　　　　水 生 态 学 杂 志　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年 11月