全 文 ：舟形藻的污水培养及条件优化
吴夏芫 , 李 环 ＊, 韦萍　(南京工业大学制药与生命科学学院 ,江苏南京 210009)
摘要　[目的 ]提高舟形藻培养的生物量 ,为实现该藻的工业化生产提供依据。 [方法]根据地域特点对利用污水培养舟形藻的可行性
进行初探 ,并通过单因子和正交试验研究了一系列主要培养条件(N、P、Fe、Si营养源和培养基盐度)对该藻生长的影响。 [结果]适合舟
形藻生长的最佳培养条件为:以南京工业大学小二楼人工湖水为培养基基础溶剂、尿素 360mg/L、Na2HPO4· 12H2O150mg/L、柠檬酸铁 50mg/L、Na2SiO3· 9H2O2 000mg/L、盐度 2.0mol/L;舟形藻适应污水能力较强 ,并且能够很好地利用污水中的营养源 ,通过培养条
件的优化 ,既降低了培养成本 ,也使该藻最高生物量干重达 4.766g/L,是原始培养基的 3.57倍和优化培养基 1号的 1.90倍。 [结论]该
研究为舟形藻的室外大规模培养与污水治理相结合的研究奠定了基础。
关键词　舟形藻;污水;培养条件;营养源;正交试验
中图分类号　Q949.202　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2009)08-03414-04
OptimizationofConditionforUsingSewagetoCultivateNaviculatenera
WUXia-yuanetal　(ColegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering, NanjingUniversityofTechnology, Nanjing, Jiangsu210009)
Abstract　[ Objective] TheexperimentaimedtoincreasebiomassofNaviculateneraandprovidedreferenceforrealizingindustrialproduction
ofNaviculatenera.[ Method] Accordingtoregioncharacteristics, thefeasibilityofusingsewagetocultivateNaviculatenerawaspreliminarily
researched.Throughsinglefactorexperimentandorthogonaltest, theinfluencesofmajorseriescultureconditions(N, P, Fe, Siandsalinity)
onthegrowthofNaviculatenerawerestudied.[ Result] ThebestcultureconditionforNaviculatenerawaslistedaswaterfromXiaoerlouartifi-
ciallakeofNanjingUniversityofTechnology(basicsolvent), 360mg/Lurea, 150mg/LNa2HPO4·12H2O, 50mg/Lferriccitrate, 2 000mg/LNa2SiO3· 9H2Oand2.0mol/Lsalinity.Naviculatenerahadastrongadaptabilitytosewageandcouldusenutrientsourceinsewage
beter.Throughoptimizingculturecondition, notonlythecultivationcostwasdeclinedbutalsothedrybiomassofNaviculatenerawas4.766
g/Lwhichwas3.57timesasthatofinitialculturemediumand1.90timesasthatofoptimalmedium.[ Conclusion] Theexperimentprovided
foundationforstudyingthecombinationofoutdoorlarge-scalecultureofNaviculateneraandsewagetreatment.
Keywords　Naviculatenera;Sewage;Culturecondition;Nutrientsource;Orthogonaltest
基金项目　国家 973项目资助(2003CB71600)。
作者简介　吴夏芫(1984-),女 ,江西宜春人 ,硕士研究生 , 研究方向:
微藻生物柴油。 ＊通讯作者。
收稿日期　 2008-12-19
　　海洋底栖硅藻是鲍 、刺参等名贵水产动物苗种的重要
饵料 [ 1] ,其中舟形藻就是一种常用作贝类养殖的单胞藻类 。
舟形藻属硅藻门羽纹硅藻纲舟形藻属 ,其脂肪含量高 ,脂肪
酸种类丰富。 GC-MS分析结果表明 ,该藻富含多种不饱和
脂肪酸 [ 2] ,同时该藻株在生长过程中能分泌具有多种生物
活性的硫酸化多糖 ,因此舟形藻不仅是水产动物理想的开
口饵料 ,还是一种具有潜在药学价值的海洋生物。在 20世
纪 80年代早期 ,硅藻因细胞内较高的脂肪含量引起了广大
科学家的注意 ,被认为是最有可能实现产业化生产油脂的
藻种之一 [ 3] 。随着世界人口增加和工业化进程加剧带来的
化石燃料需求的刚性增长以及 “温室效应 ”等环境污染问题
的日趋恶化 ,该藻作为一个潜力富油微藻值得进一步研究
和开发 。
舟形藻的综合开发利用前提是高培养密度的获得 。目
前国内外对该藻的研究报道甚少 ,各种影响其生长繁殖的条
件考察亦不全面 ,这使得舟形藻培养的生物量一直处于较低
水平 ,严重限制了该藻资源的开发。为此 ,笔者首次结合地
域特点较全面地对该藻的培养条件进行优化并将该藻的培
养与污水处理相结合的设想进行初探 ,以期为进一步提高其
生物量 、降低培养成本 、早日实现舟形藻的综合开发工业化
进程提供依据 。
1　材料与方法
1.1　试验藻种及培养基　经 “神舟 5号 ”航天搭载后的舟形
藻由徐州师范大学郑维发教授惠赠 。试验所用原始培养基
是参考文献 [ 4]的配方优化而成。
1.2　主要试剂及仪器 　CO(NH2 )2、 Na2HPO4·12H2O、
Na2 SiO3·9H2O、柠檬酸铁均为分析纯 ,国药集团化学试剂有
限公司;海水晶 ,青岛通用海大海水素有限公司;分光光度
计 , DU650型 ,美国 BECKMAN公司生产。
1.3　藻类的培养　在 500ml摇瓶中培养 ,取处于对数生长
期的舟形藻接种 ,接种初始 OD680保证在 0.2 ～ 0.5(接种前离
心以排除原来培养液的影响)。培养条件:温度(24±1)℃、
光照时间 18h/d、光强 3 000lx,通气培养 ,每组试验设 3个平
行对照 。隔天固定时间取样于分光光度计下测 OD680 ,绘制
藻细胞生长曲线 。
1.4　相对生长速率的测定 　相对生长速率按公式 K=
(lgOD-lgOD0 )/T计算 。式中 , OD为经过 T时间培养后的藻
液 OD680值 , OD0为 T培养时间开始时的藻液 OD680值 , T为培
养时间(d)。
1.5　不同水质对舟形藻生长的影响　分别以南京市玄武湖
水 、青石村金川河水 、南京工业大学小二楼人工湖水 、自来水
代替蒸馏水作为培养基基础溶剂配制人工海水培养基 ,对舟
形藻进行培养。以下试验培养基的基础溶剂为该试验确立
的最佳培养用水 。
1.6　N、P、Fe、Si、盐度各因素单因子优化试验　①N因子优
化试验。以原始培养基为基础 ,改变氮源种类 ,分别以
KNO3 、NH4Cl、尿素为氮源 ,初始 N浓度均为 3 mmol/L,对舟
形藻进行培养;分别设置不同尿素浓度:45、90、180、360、720
mg/L培养舟形藻。 ②P因子优化试验。分别设置不同
Na2 HPO4·12H2O浓度:30、60、120、240、480 mg/L培养舟形
藻。③Fe因子优化试验。分别以 Fe-EDTA、柠檬酸铁作为
铁盐对舟形藻进行培养初始 Fe浓度均为 0.15mmol/L;分别
设置不同柠檬酸铁浓度:0、25、50、100、150、200 mg/L培养舟
形藻。 ④Si因子优化试验 。分别设置不同 Na2 SiO3·9H2O浓
责任编辑　陈娟　责任校对　夏蓉安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2009, 37(8):3414-3417
度:100、400、700、1 000、1 200、1 500mg/L培养舟形藻。 ⑤盐
度因子优化试验。分别设置 5个盐度梯度:0.5、1.0、1.5、
2.0、2.5mol/L培养舟形藻 。
1.7　N、P、Fe、Si、盐度 5因素正交优化试验　根据上述各单
因子对舟形藻生长影响的考察结果 ,进行 5因素正交优化试
验 。正交表的设计参照文献 [ 5]进行 ,选用 L16 (45 )设计 ,正
交试验中各因素的水平设计分别为尿素(A)45、90、360和
720 mg/L, Na2 SiO3·9H2 O(B)700、1 000、1 500和 2 000
mg/L, Na2HPO4·12H2O(C)60、150、300和 600 mg/L,柠檬酸
铁(D)50、100、200和 400 mg/L,培养基盐度(E)0.5、1.0、
2.0和 2.5mol/L。
2　结果与分析
2.1　不同水质配制培养基的影响　由于各种生活污水以及
工业废水的任意排放使得近年来湖泊河水的富营养化愈发
严重 ,因此该文首次尝试利用南京地区不同来源的水质作为
舟形藻培养用水 ,希望达到污水利用与降低微藻培养成本的
双重目的。蒸馏水配制的微藻培养基需加微量金属元素和
维生素 ,而湖河水一般已含有丰富的微量金属元素和营养元
素 ,因此是否需要另加入微量金属元素和维生素也有必要进
行考察。据此笔者设计了如下试验组:正常蒸馏水组(对照
组)、自来水组 、自来水加微量金属元素和维生素(以下简称
微)组 、金川河水组 、金川河水加微组 、玄武湖水组 、玄武湖水
加微组 、小二楼水组 、小二楼水加微组。据调查得知:玄武湖
水中主要有城市生活污水及部分工业废水 ,金川河水主要为
居民生活污水 ,小二楼水则主要为南京工业大学部分生活污
水及实验废水 。
图 1　不同水质对舟形藻生长的影响
Fig.1　EffectsofdifferentwaterqualityonNaviculatenera
growth
　　结果如图 1所示:最适合舟形藻生长的是小二楼水组 ,
而小二楼水加微组生长速率反而下降 ,可能是因为小二楼水
中已有足够的微量金属元素和维生素 ,如若再额外添加反而
不利于舟形藻的生长。舟形藻在自来水组中生长最差 ,这可
能是因为自来水中微量金属元素和维生素的缺乏或氯气未
除尽造成的。试验发现 ,舟形藻的生长适应能力很强 ,可以
在多种污水中生长繁殖且不易被杂藻或杂菌污染 ,这一方面
可使舟形藻的培养成本得到降低 ,另一方面也可使污水得到
治理 ,为将来舟形藻的室外大规模培养以及综合开发打下良
好基础。因此以下试验选定以小二楼水作为基础溶剂(以小
二楼水配制的培养基记为优化培养基 1号),对该藻的培养
条件进行优化 。
2.2　N、P、Fe、Si、盐度单因子优化试验
2.2.1　氮盐的影响。试验结果表明 ,舟形藻均能很好地利
用这 3种形式的氮源生长繁殖 ,最适合舟形藻生长的氮源为
尿素。以尿素为 N源考察不同浓度尿素对舟形藻生长的影
响 ,结果如图 3所示 ,尿素浓度为 360 mg/L时生长最好;当
尿素浓度在 45 ～ 360 mg/L范围内 ,对舟形藻生长具有明显
的促进作用;尿素浓度超过 360 mg/L,舟形藻生长速率迅速
下降 ,生长受到明显抑制 。
图 2　不同形式 N源对舟形藻生长的影响
Fig.2　EfectsofdifferentnitrogensouresonNaviculatenera
growth
图 3　不同浓度尿素对舟形藻生长的影响
Fig.3　EffectsofdifferentconcentrationsofCO(NH2)2 onNa-
viculateneragrowth
2.2.2　磷盐的影响。磷在生物体内是合成 ATP、GTP、核酸 、
磷脂等的基本元素 [ 6] 。该试验考察了不同浓度 Na2HPO4·
12H2O对舟形藻生长的影响。结果表明 , Na2 HPO4·12H2 O在
30 ～ 240mg/L浓度范围内可以明显促进舟形藻的生长;当其
浓度大于 240mg/L时 ,舟形藻的生长速率呈明显下降趋势。
2.2.3　铁盐的影响。铁是藻类生长和氮固定最重要的痕量
元素 ,在叶绿素的合成中也有很重要的作用 ,缺铁会影响多
种代谢过程以致抑制细胞生长。在培养底栖硅藻时 ,多在自
然海水中补充柠檬酸铁 ,但并未对铁盐的最适形式和最适浓
度作详尽探讨。该试验分别选择 Fe-EDTA、柠檬酸铁作为
铁盐培养舟形藻 ,结果(图 5)发现柠檬酸铁对舟形藻生长的
促进作用明显优于 Fe-EDTA。不同浓度柠檬酸铁对舟形藻
生长的影响(图 6)表明 ,在 0 ～ 50 mg/L范围内 ,随着柠檬酸
铁浓度的升高 ,舟形藻的生长受到明显促进 ,培养基不含柠
檬酸铁时藻体生长缓慢;但当柠檬酸铁浓度超过 50 mg/L
时 ,舟形藻聚集成团沉入摇瓶底部 ,藻体颜色变淡 ,生长速率
明显下降 ,藻细胞很快进入衰亡期 ,说明高浓度的柠檬酸铁
341537卷 8期　　　　　　　　　　　　　　　　吴夏芫等　舟形藻的污水培养及条件优化
图 4　不同浓度Na2HPO4·12H2O对舟形藻生长的影响
Fig.4　EffectsofdifferentconcentrationsofNa2HPO4· 12H2O
onNaviculateneragrowth
对藻细胞有毒害作用 ,不利于该藻的生长。
2.2.4　硅盐的影响 。硅是硅藻的必需营养元素 ,除了作为
细胞壁结构成分外 ,还参与光合色素合成 、蛋白质合成 、DNA
合成和细胞分裂等多种代谢和生长过程 [ 7] 。试验结果表明 ,
该舟形藻对硅盐的需求相对较多 ,在硅盐浓度小于 1 500
mg/L时 ,其生长与硅盐浓度呈现一定的剂量依赖关系 ,并在
试验所设定的最高硅盐浓度 1 500mg/L下生长速率最高 ,生
物量达到最大 。
图 5　不同形式铁盐对舟形藻生长的影响
Fig.5　EfectsofdiferentFesourcesonNaviculateneragrowth
图 6　不同浓度柠檬酸铁对舟形藻生长的影响
Fig.6　EfectsofdifferentconcentrationsofFerriccitrateonNa-
viculateneragrowth
2.2.5　盐度的影响 。试验选取 5个盐度梯度考察其对舟形
藻生长的影响 。试验结果(图 8)表明 ,该藻的耐高盐能力很
强 ,在 0.5 ～ 2.0 mol/LNaCl浓度下 ,随着培养基中 NaCl浓
度的升高 ,藻的生物量积累逐渐增加。接种初期 , 0.5 mol/L
NaCl浓度下舟形藻生长繁殖最迅速 ,而 1.0 ～ 2.5 mol/L
图 7　不同浓度硅酸钠对舟形藻生长的影响
Fig.7　EffectsofdiferentconcentrationsofNa2SiO3.9H2ONa-
viculateneragrowth
图 8　不同盐度对舟形藻生长的影响
Fig.8　EffectsofdiferentsalinitiesonNaviculateneragrowth
NaCl浓度下舟形藻生长繁殖速率较慢 ,可能因为藻细胞还未
能适应高盐环境 ,藻体生长受到暂时抑制;培养 4d左右 ,藻
细胞逐渐适应 1.0 ～ 2.5 mol/LNaCl的高盐环境 ,生长繁殖
速率大幅度提高 ,且在 2.0 mol/LNaCl浓度下藻细胞生长最
佳 ,而盐度超出 2.0mol/L时舟形藻的生长明显受到抑制 ,不
利于该藻的培养 。
2.3　N、P、Fe、Si、盐度 5因素正交优化试验
2.3.1　5因素对舟形藻生长影响的顺序和最优水平组合。
由表 1可看出 , 5因素对舟形藻生长的影响主次顺序为 D>A
>C>E>B,即对于舟形藻而言 ,因素 D(柠檬酸铁)和 A(尿
素)为主要影响因素 ,其余为次要影响因素。取所有因素的最
佳水平 ,得到有利于舟形藻生长的 5因素最佳水平组合为:尿
素 360 mg/L、Na2 SiO3·9H2O2 000 mg/L、Na2 HPO4·12H2 O
150 mg/L、柠檬酸铁 50 mg/L、盐度 2.0 mol/L,记为优化培
养基 2号。
2.3.2　舟形藻在优化培养基中的生长状况。分别比较舟
形藻在原始培养基 、优化培养基 1号和优化培养基 2号中
的生长情况 ,试验结果表明 ,与原始培养基和优化培养基 1
号相比 ,优化培养基 2号中舟形藻明显生长速率和生物量
均得到很大的提高 ,最高 OD680值达到 4.25,通过换算得到
的 OD680值对应藻体干重回归线性方程:Y=25×(0.047x-
0.009 1)(P<0.001, R2 =0.994 9),可以分别得到原始培
养基 、优化培养基 1号与优化培养基 2号最高生物量干重
为 1.334、2.510和 4.766 g/L。这充分表明经过优化后的培
养基 2号更适合舟形藻生长的需要 ,如图 9所示 。
3416 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年
表 1　营养盐和盐度在舟形藻培养中的作用正交试验结果及直观分析
Table1　ResultsoforthogonaltestofnutrientsandsalinityforNavic-
ulateneracultureanddirectanalysis
试验号Experi-mentno.
因子与水平 Factorsandlevels
Amg/L Bmg/L Cmg/L Dmg/L Emg/L
相对生长率Relativegrowthrate
1 45 700 60 50 0.5 0.021 431
2 45 1 000 150 100 1.0 0.028 582
3 45 1 500 300 200 2.0 0.032 682
4 45 2 000 600 400 2.5 0.024 057
5 90 700 150 200 2.5 0.021 732
6 90 1 000 60 400 2.0 0.011 101
7 90 1 500 600 50 1.0 0.028 274
8 90 2 000 300 100 0.5 0.028 162
9 360 700 300 400 1.0 0.013 916
10 360 1 000 600 200 0.5 0.028 459
11 360 1 500 60 100 2.5 0.042 009
12 360 2 000 150 50 2.0 0.046 665
13 720 700 600 100 2.0 0.037 602
14 720 1 000 300 50 2.5 0.039 153
15 720 1 500 150 400 0.5 0.023 887
16 720 2 000 60 200 1.0 0.031 984
极差 R 0.011 0.009 0.003 0.016 0.007
图 9　舟形藻在优化培养基中的生长情况
Fig.9　Naviculateneragrowthintheoptimalmedium
3　结论
目前实验室和室外培养舟形藻多采用传统 F/2培养
基 ,培养条件亦未得到很好的探索 ,使得舟形藻培养密度一
直很低 ,之前吴素珍等 [ 4]对其优化的培养条件也没能使其
生物量得到很大提高 ,这已经成为舟形藻有效开发利用的
瓶颈之处 。因此该试验首次结合当地环境条件对该藻的培
养进行了一系列考察 ,为满足舟形藻全方位的开发利用打
下了坚实基础 ,同时利用污水培养该藻 ,这一方面可大大降
低培养成本 ,亦为将来舟形藻的室外大规模培养与污水治
理相结合的研究奠定基础。试验所得该藻的最优培养条件
为:以南京工业大学小二楼人工湖水为培养基基础溶剂 ,尿
素 360 mg/L、Na2HPO4· 12H2O 150 mg/L, 柠檬酸铁 50
mg/L、Na2SiO3·9H2O2 000 mg/L、盐度 2.0 mol/L。通过培
养基的优化 ,舟形藻最高生物量干重达 4.766 g/L,是原始
培养基的 3.57倍 ,大大超过吴素珍等 [ 4]异养培养该藻时得
到的最高藻体干重(2.800 g/L)。舟形藻的生长是各种营
养物质和环境因素综合作用的结果 ,该研究仅对其中几个
主要的影响因子进行探讨 ,对于其他因素 、各因素影响机
理 ,各种污水水质分析及舟形藻利用机制等问题都有待于
进一步研究。
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(上接第 3413页)
VB12 、Tween在发酵液中的最佳配比为乳酸 0.5 g/L、VB12 0.2
μg/L, Tween40 0.2g/L效果最佳。在此浓度进行发酵验证 ,
富马酸产量达 57.13 g/L,有效促进了富马酸的生成。
3　结论
研究对有机酸 、维生素 、表面活性剂等几种常用的外源
添加物进行探讨 ,结果发现 ,在乳酸 、丁二酸 、苹果酸 、乙酸 、
柠檬酸中 ,乳酸的促进作用最显著 ,添加浓度 0.5g/L乳酸 ,
富马酸产量提高 15.3%;维生素添加中 , VB12效果较优 ,添
加浓度为 0.1 μg/L时 ,富马酸产量提高 23.4%,而表面活
性剂中 Tween40效果较好 ,添加浓度为 0.2 g/L时 ,富马酸
产量提高了 9.6%。对乳酸 、VB12、Tween40进行 3因素 3水
平正交试验 ,结果表明 VB12对富马酸合成影响最显著 ,乳酸
次之 , Tween40作用最不明显 ,三者的最佳配比为乳酸 0.5
g/L, VB12 0.2 μg/L, Tween40 0.2 g/L,此时富马酸产量达
57.13 g/L。
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341737卷 8期　　　　　　　　　　　　　　　　吴夏芫等　舟形藻的污水培养及条件优化