全 文 :第30卷第11期
2011年11月
水 产 科 学
FISHERIES SCIENCE
Vol.30No.11
Nov.2011
氮浓度对海绿球藻生长及总脂含量的影响
梁 英,石伟杰,田传远
(中国海洋大学 海水养殖教育部重点实验室,山东 青岛 266003)
摘 要:用叶绿素荧光分析技术和生物化学方法,研究了不同氮浓度[0.22、0.44、0.66、0.88mmol/L
(对照组)]对海绿球藻叶绿素荧光特性、细胞密度、叶绿素含量、相对生长率、干质量、总脂含量及总脂
产率的影响。试验结果表明,第4~7d,0.22mmol/L处理组的主要荧光参数(光系统Ⅱ的最大光能转
换效率Fv/Fm,光系统Ⅱ的潜在活性Fv/Fo,相对电子传递效率rETR,光系统Ⅱ的实际光能转化效率
ΦPSⅡ)显著低于其他处理组。该藻的细胞密度、叶绿素a、b含量、相对生长率及干质量随起始氮浓度
的增加而增加,0.22mmol/L处理组上述各项值最低,0.88mmol/L对照组上述各项值最高,其细胞密
度、相对生长率和干质量分别为16.37×106 个/ml,0.56、0.48g/L。0.22mmol/L处理组总脂含量(占
干质量的41.84%)显著高于其他处理组,而对照组总脂含量仅为35.16%。总脂产率与起始氮浓度成
正相关,0.22mmol/L处理组最低,仅为0.0095g/(L·d),而0.88mmol/L对照组总脂产率最高,为
0.0189g/(L·d)。研究结果表明,氮浓度为0.22mmol/L最适合海绿球藻油脂的积累;氮浓度为0.88
mmol/L最适合海绿球藻的生长。
关键词:海绿球藻;氮浓度;叶绿素荧光;生长;总脂含量
中图分类号:Q945.78 文献标识码:A 文章编号:1003-1111(2011)11-0653-06
收稿日期:2011-01-10; 修回日期:2011-03-09.
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAD09A03).
作者简介:梁英(1967-),女,教授,博士,研究方向:微藻生理生化;E-mail:yliang@ouc.edu.cn.
微藻光合作用效率高,环境适应能力强,生长
迅速,单位面积生物量高,在生长过程中吸收二氧
化碳,有利于环境的改善和保护[1],更重要的是许
多微藻富含油脂[2]。因此,用微藻生产生物柴油是
可行且有优势的[3]。而海绿球藻(Halochlorococ-
cum sarcotum)生长周期短、生物量高,有望成为生
物柴油优质原料的潜力,而总脂含量较低却制约了
其开发利用。氮限制被认为是提高微藻中总脂含
量的理想方法[4]。Ilman等[4]报道,浮水小球藻
(Chlorella emersonii)在氮源充足条件下总脂含量
仅为29%,而在低氮浓度条件下其总脂含量高达
63%。微小小球藻(C.minutissima)在低氮浓度条
件下总脂含量约为对照的2倍。Shifrin等[5]对30
种微藻研究表明,在经过4~9d氮限制后绿藻的总
脂含量可提高2~3倍。Rodolfi等[6]将微绿球藻
(Nannochloropsis oculata)由氮充足转至氮缺乏条
件下培养,其总脂含量由32%升至60%。Spoehr
等[7]的研究表明,氮限制可显著提高蛋白核小球藻
(C.pyrenoidosa)的总脂含量。
叶绿素荧光技术是应用于光合作用机理、植物
抗逆生理等分析技术,它以活体细胞内叶绿素为探
针,研究和探测了环境因子对植物光合作用的影
响,并通过对叶绿素荧光特性的分析,反映出植物
受胁迫的情况[8-9]。笔者研究了海绿球藻在低氮浓
度条件下叶绿素荧光参数和细胞密度的变化及低
氮浓度对其相对生长率、干质量、叶绿素含量、总脂
含量及总脂产率的影响,以期为该藻的大规模培养
及利用海绿球藻生产生物柴油提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 藻种及培养条件
试验用海绿球藻 MACC/C11取自中国海洋大
学微藻种质库。试验在1000ml的三角烧瓶中进
行,NaNO3 浓度设为0.22、0.44、0.66、0.88mol/L
(对照),每个浓度设3个平行组,其他的营养盐均
采用f/2培养基[10]。将处于指数生长期的藻种40
ml接种到新配制的上述各浓度的培养基中,使培养
液最终体积800ml,起始接种密度19.25×104 个/
ml。光照度5000lx,连续光照,(25±1)℃,盐度31,
充气培养。每日定时取样,测定叶绿素荧光参数、细
胞密度。在指数生长末期取样测定叶绿素含量,随
后离心收获,冷冻干燥后测定其干质量和总脂含量。
DOI:10.16378/j.cnki.1003-1111.2011.11.001
1.2 叶绿素荧光各参数的测定
按文献[11]的方法测定。
1.3 细胞密度的测定及相对生长率的计算
每日定时取样用血球计数板计数海绿球藻的
细胞密度。相对生长率(μ)按下式计算:
μ=(lnNt-lnN0)/t
其中,N0 为初始细胞数,Nt 为t日后的细胞数,t为培
养时间。
1.4 叶绿素含量的测定
在指数生长期末期收获,按戴荣继等[12]方法测
定单位体积叶绿素a,b和c的含量(mg/L),根据细
胞密度计算出单个细胞的叶绿素含量(×10-6μg/
个)。
1.5 总脂含量的测定和总脂产率的计算
总脂含量的测定参考李植峰等[13]的酸热法进
行[单位为%(占干质量)]。
总脂产率g/(L·d)=总脂含量×干质量(g/
L)/培养天数(d)
1.6 数据的处理
用SPSS11.5软件对试验结果进行统计分析,
用SigmaPlot10.0软件作图。
2 结果与分析
2.1 氮浓度对海绿球藻叶绿素各荧光参数的影响
氮浓度对海绿球藻叶绿素荧光各参数的影响
见图1。单因子方差分析结果表明,接种后第1~3
d,氮浓度对海绿球藻的主要荧光参数(光系统Ⅱ的
最大光能转换效率Fv/Fm,光系统Ⅱ的潜在活性
Fv/Fo,相对电子传递效率rETR,光系统Ⅱ的实际
光能转化效率ΦPSⅡ和光化学淬灭qP)无显著影
响(P>0.05)。第4~9d时,氮浓度对海绿球藻光
系统Ⅱ的最大光能转换效率和潜在活性均有显著
影响(P<0.05)。多重比较结果表明,0.22mmol/
L处理组的上述2个荧光参数均显著低于其他处
理组。接种后4~7d,0.22mmol/L处理组光系统
Ⅱ的实际光能转化效率和相对电子传递效率均显
著低于其他处理组,呈下降趋势,而光化学淬灭值
在第4~5d显著低于其他处理组。其他处理组的
上述参数在第4d达到最大值后持续下降。
接种后3~9d,氮浓度对各处理组非光化学淬
灭值有显著影响(P<0.05),各组该值先降后升。
至第9d时,0.88mmol/L对照组非光化学淬灭值
最高,而0.22mmol/L处理组该值最低。
2.2 氮浓度对海绿球藻细胞密度、叶绿素含量、相
对生长率和干质量的影响
氮浓度对海绿球藻细胞密度、单位体积和单个
细胞的叶绿素含量、相对生长率和干质量的影响见
图2。单因子方差分析结果表明,氮浓度对上述各
参数均有显著影响(P<0.05)。自第3d开始,
0.22mmol/L处理组的细胞密度显著低于其他处
理组。至第9d时,0.88mmol/L对照组细胞密度
最高,为16.37×106 个/ml。0.22mmol/L和0.44
mmol/L处理组的单位体积和单个细胞的叶绿素
a、b含量均显著低于其他两组,对照组上述值含量
最高。各组间叶绿素c差异不显著(P>0.05)。
0.88mmol/L对照组的相对生长率和干质量均显
著高于其他处理组,分别为0.56、0.48g/L,其次为
0.66mmol/L处理组,而0.22mmol/L处理组最
低,分别为0.45、0.20g/L。
2.3 氮浓度对海绿球藻总脂含量和总脂产率的影
响
不同氮浓度对海绿球藻的总脂含量和总脂产
率的影响见图3。单因子方差分析结果表明,氮浓
度对海绿球藻的总脂含量和总脂产率均有显著影
响(P<0.05)。多重比较结果表明,0.22mmol/L
处理组的总脂含量(41.84%)显著高于其他处理
组,而0.88mmol/L对照组总脂含量仅为35.16
%。总脂产率随起始氮浓度的增加而增大。0.88
mmol/L对照组的总脂产率最高,为0.0189g/(L
·d),而0.22mmol/L处理组的最低,仅为0.0095
g/(L·d)。
3 讨论
氮既是植物生长必需的大量元素之一,也是植
物生长和光合作用的主要限制因子[14]。叶绿素荧
光技术是研究和探测各种环境因子对植物光合作
用影响的理想方法。当植物生长受到环境胁迫时,
可以通过对叶绿素荧光参数的分析,反映其受胁迫
的程度。光系统Ⅱ的最大光能转换效率是反映光
抑制和环境胁迫对植物光合作用影响的重要参
数[15-16]。本试验结果表明,在第1~3d,各处理组
光系统Ⅱ的最大光能转换效率及潜在活性均呈上
升趋势且相互间差异不显著,说明接种1~3d,各
处理组氮源均能满足微藻生长所需,微藻未受到明
显的胁迫。自第4d开始,氮浓度为0.22mmol/L
456 水 产 科 学 第30卷
处理组的光系统Ⅱ最大光能转换效率和潜在活性
显著低于其他各组且呈下降趋势,说明此时0.22
mmol/L组氮浓度不足,微藻生长受阻,光系统Ⅱ反
应中心受损,抑制光合作用的原初反应。光系统Ⅱ
的实际光能转化效率表示该系统的反应中心在有
部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率,而光化
学淬灭值反映了光能被开放的光系统Ⅱ反应中心
捕获并参与光化学反应的部分[15]。自第4d开始,
0.22mmol/L处理组光系统Ⅱ的实际光能转化效
率、相对电子传递效率、光化学淬灭值均显著低于
其他组,且持续下降,据此可知,0.22mmol/L处理
组受到低氮胁迫从而阻止了藻细胞同化力形成,并
抑制了光合电子传递,用于光合作用的电子减少,
而以热或其他形式耗散的光能增加[16]。非光化学
淬灭值表示光系统Ⅱ天线系统吸收的过量光能以
热能的形式耗散掉的部分[15]。各处理组非光化学
淬灭值呈先降后升的趋势。非光化学淬灭值下降
说明用于光合作用的电子增加,能量利用率高,而
非光化学淬灭值的逐渐增加,表示其二氧化碳同化
受抑制,以热的形式耗散的能量增多,对藻细胞的
光合结构是一种保护作用[16]。
图1 氮浓度对海绿球藻叶绿素荧光各参数的影响
556第11期 梁 英等:氮浓度对海绿球藻生长及总脂含量的影响
氮是合成藻细胞内蛋白质、核酸、叶绿素的基
本元素之一,也是形成嘌呤、卟啉、嘧啶、氨基糖和
胺化合物的基本成分,因此氮对于藻细胞的生长、
发育和分裂等生理活动有着极其重要的作用。不
同氮浓度对微藻的生长及生理生化作用均有较大
影响[17]。本试验中,不同的氮浓度对微藻生长有显
656 水 产 科 学 第30卷
著影响。0.22mmol/L处理组收获密度、相对生长
率、干质量、单位体积和单个细胞的叶绿素a、b含
量均显著低于其他处理组,而0.88mmol/L对照组
上述参数均为最大。其原因可能是当氮缺乏时,影
响了细胞内的蛋白质和叶绿素合成,细胞分裂受
阻,细胞增长较慢,生物量低;而当氮充足时,细胞
生长所需的蛋白质、叶绿素等化合物合成正常,细
胞增长迅速,能达到高的细胞密度和干质量。此
外,Li等[18]认为叶绿素是富氮化合物,在氮源充足
时,细胞合成大量的叶绿素;而当氮源不足时,叶绿
素作为一种胞内易得的氮源供细胞生长所需,导致
叶绿素含量降低。用来捕获太阳能和固定二氧化
碳的叶绿素是进行光合作用必不可少的物质,如果
叶绿素降低到临界值以下细胞生长会受到抑制,细
胞生长缓慢或不生长。
许多研究表明,氮限制是提高藻细胞内总脂含
量有效的环境胁迫因子[5,19-20]。当氮源充足时,细
胞生长所需的蛋白质和叶绿素等物质正常合成,植
物光合作用未受影响,细胞优先进行生长、发育和
分裂等生理活动,因此细胞内总脂含量较低;当氮
源不足时,由于蛋白质和叶绿素等含氮较多的物质
合成受到限制,二氧化碳的同化作用仍继续进行,
细胞合成转向含氮较少的脂类化合物,最终使细胞
中的脂含量增加[17]。也有学者认为[21],氮不足导
致细胞内总脂含量高的原因是细胞在氮胁迫条件
下降低了细胞内类囊体膜的含量,活化了乙酰水解
酶,促进磷脂水解。这些变化可能导致细胞内乙酰
辅酶A的增加,同时氮胁迫又能活化甘油二脂脂肪
酰转移酶,该酶能促使乙酰辅酶 A向甘油三酯转
化。因此,氮限制能增加细胞内总脂及甘油三酯的
含量。试验中,0.22 mmol/L 处理组总脂含量
(41.84%)显著高于其他处理组,而其他3个处理
组总脂含量较低且相互间无显著差异,这与荧光参
数光系统Ⅱ的最大光能转换效率和光系统Ⅱ的潜
在活性所反映受胁迫状况相符,即0.22mmol/L处
理组受氮限制的胁迫程度强于其他处理组,而其总
脂含量显著高于其他处理组。曹春晖等[22]试验结
果中海绿球藻的总脂含量为22.02%,远远低于本
试验对照组(35.16%)。造成差异的原因可能是培
养条件或提取脂类方法不同引起的,曹春晖等[22]是
在温度20℃、盐度28的条件下用5L细口玻璃瓶
培养海绿球藻,而本试验是在温度25℃,盐度31
的条件下用1L三角烧瓶对该藻进行培养。曹春
晖等[22]用索氏提取法测定总脂含量,而本试验则是
用酸热法测定,由于海绿球藻细胞壁较厚,用酸热
法破壁后用有机溶剂提取脂类较为彻底,因此得到
的总脂含量较高。
氮限制提高细胞内总脂含量的同时却抑制了细
胞的生长,降低了生物量。本试验中,0.22mmol/L
处理组由于氮源不足,细胞生长受到胁迫,总脂含
量提高的同时却降低了生长速率和生物量;而0.88
mmol/L对照组氮源充足,细胞生长良好且生物量
高,但总脂含量较低。因此,在一个培养周期内该
藻的总脂含量和生物量之间为负相关。生物量和
总脂含量对生物柴油下游加工成本均有显著影
响[18],因此提高微藻生物量和总脂含量同等重要。
总脂产率作为藻种的一个重要特征,它结合了总脂
含量和生物量,在实际生产中将其作为选育指标更
合理。
微藻是一种前景广阔的生物柴油资源。用微
藻来生产生物柴油技术上是可行的,但从经济方面
来讲,目前生物柴油尚无市场竞争力,其最主要的
经济瓶颈就是微藻的总脂产率[20]。总脂产率不高
致使相对生产成本较高是阻碍生物柴油商业生产
的一个主要障碍。氮限制虽是一种提高总脂含量
的有效方法,但会使微藻的生物量下降,导致总脂
产率不高。在本试验中,0.22mmol/L低氮处理组
总脂含量最高,但总脂产率却较低。因此,有些学
者提出了用两步培养法来提高微藻的总脂产
率[7,23]。首先在最适生长条件下培养微藻,使其生
物量达到最大,然后在最适脂类积累的条件下培养
微藻,微藻总脂含量提高,使其总脂产率达到较高
的值,有利于降低成本,实现生物柴油的商业生产。
目前对此方法的研究还较少,能否应用于实际生产
中还需要大量试验提供理论依据。
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Effects of Nitrogen Concentrations on Growth and Total Lipid
Contents in Green AlgaHalochlorococcum sarcotum
LIANG Ying,SHI Wei-jie,TIAN Chuan-yuan
(The Key Laboratory of Mariculture,Ministry of Education,People’s Republic of China,Ocean
University of China,Qingdao 266003,China)
Abstract:The effects of nitrogen concentrations(0.22mmol/L,0.44mmol/L,0.66mmol/L,0.88
mmol/L and 0.00mmol/L as control group)on chlorophyl fluorescence characteristics,cel density,
chlorophyl content,relative growth rate,dry weight,total lipid contents and total lipid productivity were
studied in green algaHalochlorococcum sarcotumby chlorophyl fluorescence technology and biochemical
method to provide theorical basis for large-scale cultivation and biodiesel production of the alga.There
were significantly lower main chlorophyl fluorescence parameters including Fv/Fm,Fv/Fo,rETR,and
ΦPSⅡin 0.22mmol/L treatment than those in other treatments on days from 4to 7.The cel density,
chl a and chl b levels,relative growth rate and dry weight were found to be increased with the increase in
the initial nitrogen concentration,the minimal values occurring in the 0.22mmol/L treatment and the
maximal values in the control group(cel density of 16.37×106/ml,relative growth rate of 0.56and dry
weight of 0.48g/L).The alga cultured in 0.22mmol/L treatment had significantly higher total lipid con-
tent(41.84%in dry weight)than the alga in other treatments(only 35.16%)did.Total lipid productivi-
ty showed positive correlations with the initial nitrogen concentration,with the maximum value in the
control group[0.0189g/(L·d)]and the minimum in the 0.22mmol/L treatment[0.0095g/(L·d)],
indicating that 0.22mmol/L is the optimum nitrogen concentration for the lipid accumulation,and 0.88
mmol/L is the optimum nitrogen concentration for the algagrowth.
Key words:Halochlorococcum sarcotum;nitrogen concentration;chlorophyl fluorescence;growth;total
lipid content
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