全 文 ：营养条件对二形栅藻生长及生化组分的影响
李麒龙 1，林向阳 1，王 静 1，陈晓燕 1，赖志彬 1，沈 英 2，Roger Ruan3，刘明华 4
（1福州大学生物科学与工程学院，福州 350108；2福州大学机械工程及自动化学院，福州 350108；
3明尼苏达大学生态系统与农业工程系，美国明尼苏达州圣保罗市 55108；4福州大学环境与资源学院，福州 350108）
摘 要：为了研究不同营养条件对二形栅藻生长及生化组分的影响，本研究设置了3种不同的培养条件
(BG11、BG11+DW、DW)进行研究。结果表明：二形栅藻在两阶段法(BG11+DW)培养下的生物质产率、
总碳水化合物和总脂含量均最高，分别达到了0.045 g/(L· d)、37.4 μg/mL和305.0 μg/mL。3种不同培养
条件下二形栅藻的脂肪酸组成相似，以C16和C18脂肪酸为主，饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量均在
80%以上，特别是在两阶段法培养下，其含量达到了 90.73%，表明二形栅藻是生物柴油生产的合适
原料。
关键词：二形栅藻；营养条件；生化组分；油脂特性
中图分类号：S216 文献标志码：A 论文编号：2014-0494
The Effect of Nutrition Condition on the Growth and the Lipid Properties of Scenedesmus dimorphus
Li Qilong1, Lin Xiangyang1, Wang Jing1, Chen Xiaoyan1, Lai Zhibin1, Shen Ying2, Roger Ruan3, Liu Minghua4
(1College of Biological Science and Technology, Fuzhou University, Fuzhou 350108;
2College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108;
3Department of Bioproducts and Biosystems Engineering, University of Minnesota, St. Paul, MN, USA 55108;
4College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350108)
Abstract: In order to investigate the effect of different nutritional conditions on the growth and the lipid
properties of Scenedesmus dimorphus, 3 kinds of cultivation conditions (BG11, BG11+DW, DW) were used in
this research. The results showed that the optimal status of biomass production rate, total carbohydrate and
total lipids were achieved by 0.045 g/(L · d), 37.4 μg/mL and 305.0 μg/mL under two- phase cultivation
(BG11+DW) of Scenedesmus dimorphus. Moreover, a similar fatty acid composition of Scenedesmus dimorphus
was attained through 3 ways of cultivation, and there was a dominance of C16/C18 fatty acid groups (more than
80% ) which was composed of saturated and monounsaturated fatty acid. Especially, under two- phase
cultivation it would elevate to 90.73%. With these desirable lipid properties, Scenedesmus dimorphus would be
highly suitable candidates for biodiesel production.
Key words: Scenedesmus dimorphus; nutritional conditions; biochemical composition; lipid properties
0 引言
不断攀升的工业化规模和高速发展的交通运输业
导致世界范围内的化石能源的紧缺，由于化石能源的
不可再生性，世界化石能源储备不断锐减，预计在未来
50年内将被消耗光[1]。此外，化石能源的不断使用造
成全球性的大气污染和温室效应，已成为制约各国发
展的主要问题。因此，开发一种可替代的且环境友好
型的新能源变得愈发重要和迫切[2]。
基金项目：863项目“特种生物藻种资源开发利用关键技术及产品开发”(2012AA021704)；国家自然科学基金项目“微藻固定化培养与沼液脱氮磷的
耦合机制”(51108085)。
第一作者简介：李麒龙，男，1989年出生，福建龙岩人，在读硕士，研究方向：食品科学。通信地址：350108福建省福州市闽侯上街大学城福州大学学
生公寓44#404，E-mail：513981478@qq.com。
通讯作者：林向阳，男，1969年出生，福建莆田人，教授，博士，研究方向：食物资源开发利用。通信地址：350108福建省福州市闽侯上街大学城福州
大学生工实验南楼211，Tel：0591-22866375，E-mail：xylin@fzu.edu.cn。
收稿日期：2014-03-04，修回日期：2014-03-14。
中国农学通报 2014,30(17):46-50
Chinese Agricultural Science Bulletin
生物柴油是一种通过酯交换反应产生的，无毒、生
物可降解并且有潜力替代传统化石能源的可再生的能
源。其生产原料广泛，包括产油植物、动物脂肪和微生
物的代谢产物[3]。在这些原料中，微藻具有其他原料
所不具备的巨大优势：培养周期短、产油效率高、油脂
质量好、环保优势强、占地面积小和改造空间大，同时
藻细胞油脂中的三酰甘油酯(TAG)是制备生物柴油的
主要原料[4]。因此，微藻成为了生产生物柴油最具潜
力的原料，引起了广泛的研究[5]。
然而，从微藻中生产生物柴油的生产成本过高，制
约了其规模化的发展。因此，必须寻求适合大规模培
养的藻种，并且提高其油脂含量。研究表明，通过调控
微藻培养时的营养条件，影响着微藻细胞内总蛋白质、
总碳水化合物和总脂等生化组成的含量[6]。此外，在
一些藻种中，氮元素限制、磷元素限制及补充铁元素都
能增加微藻细胞内的油脂含量[7-8]。
本试验采用自养培养方式，以BG11培养基作为
富氮培养基，以养鸭废水作为缺氮培养基，设置3种不
同的营养条件，研究了不同营养条件下二形栅藻的生
长状况及生化组分特性，选取富氮—缺氮两阶段培养
方式培养二形栅藻，富氮阶段积累高生物质浓度，之后
在缺氮培养基中富集高油脂含量，以期获得高生物质
产率和高油脂含量的藻种，为生物柴油的生产提供科
学依据。
1 材料与方法
1.1 试验时间、地点
研究试验于2013年5月—2014年1月在福州大学
生工实验南楼进行。
1.2 试验材料
1.2.1 养鸭废水 本试验所用养鸭废水由福建大老古食
品有限公司提供。
1.2.2 试验藻种 二形栅藻(Scenedesmus dimorphus)购
自美国德州大学UTEX藻种库。
1.2.3 培养基 采用 BG11培养基，具体成分如下：
NaNO3，1.5 g/L；K2HPO4 · 3H2O，0.04 g/L；MgSO4 ·
7H2O，0.075 g/L；CaCl2 · 2H2O，0.036 g/L；Na2CO3，
0.02 g/L；柠檬酸 C6H8O7，0.006 g/L；柠檬酸铁铵 Fe
(NH4)3(C6H5O7)3，0.006 g/L；EDTA，0.001 g/L；微量元素
A5，1 mL/L。微量元素A5的成分如下：H3BO3，2.86 g/L；
MnCl2 · 4H2O，1.81 g/L；ZnSO4 · 7H2O，0.222 g/L；
CuSO4· 5H2O，0.079 g/L；CO(NO3)2· 6H2O，0.0494 g/L；
NaMoO4· 2H2O，0.390 g/L。
1.2.4 试剂 所用试剂和药品均为分析纯。
1.2.5 主要设备 调速振荡器（HY-8，常州国华电器有
限公司）；紫外可见分光光度计（UV-1100，MAPADA公
司）；真空旋转蒸发仪（ELEY4，上海申生科技有限公
司）；pH计（PB-10，Sartorius公司）；电热恒温鼓风干燥
箱（DHG-9123A，上海精宏实验设备有限公司）；电子天
平（BS110S，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；立式
压力蒸汽灭菌器（LDZX-50KBS，上海申安医疗器械厂）；
气相色谱质谱联用仪（6890N-5975B，Agilent公司）。
1.3 试验方法
1.3.1 养鸭废水的预处理 首先，将取得的养鸭废水用
纱布过滤，除去废水中的大颗粒悬浮物质。然后，将过
滤后的废水用立式压力蒸汽灭菌器灭菌，以杀灭废水
中的细菌和害虫，灭菌参数为：121℃，20 min。最后将
灭菌后的废水进行过滤，除去杂质，放于阴凉处备用。
1.3.2 水质分析方法 水质总氮含量的测定采用碱性过
硫酸钾消解紫外分光光度法，参见GB 11894—89[9]。
1.3.3 微藻培养方法 本试验采用微藻自养培养方式，
设置3种不同的营养条件：（1）采用BG11培养基，将预
培养至指数生长期的二形栅藻接种到 500 mL锥形瓶
中进行培养；（2）采用预处理后的养鸭废水 (Ducks-
Wastewater, DW)作为培养基，将预培养至指数生长期
的二形栅藻接种到 500 mL锥形瓶中进行培养；（3）采
用BG11+养鸭废水(Ducks-Wastewater, DW)两步法进行
培养，首先利用富氮培养基BG11进行培养，将预培养
至指数生长期的二形栅藻接种到 500 mL锥形瓶中进
行培养，培养10天后，将藻液进行离心浓缩后，接种到
预处理后的养鸭废水中继续培养。
上述3种不同营养条件，接种量为30%，培养体积
为 300 mL，接种时OD680=0.518，每种方式都做 2组平
行，放置于调速振荡器上进行培养。培养条件：温度为
25℃；以日光灯作为光源，光照强度为 4000~4500 lx；
光照时间为12 h；调速振荡器转速为120 r/min，培养时
间为20天。
1.3.4 微藻生物质干重的测定
（1）干重法。取适量藻液，4000 r/min离心浓缩，
烘干后称重。
（2）光吸收值法。取预培养到对数期的适量藻液，
用蒸馏水依次稀释为7个不同浓度，以蒸馏水为空白，
测定其在 680 nm波长下的光吸收值，使每个样品的
OD值在0.1~1.0之间。用干重法分别测得其生物质干
重。之后建立吸光值与生物质浓度之间的标准曲线：
Y=2.6919X+0.0208，R2=0.9957。
每天定时取样，测定OD680，若OD680＞1.0，则需将
样品适当稀释，然后换算出生物质浓度，绘制二形栅藻
生长曲线。
李麒龙等：营养条件对二形栅藻生长及生化组分的影响 ··47
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生物质产率(Biomass Production rate, BP)按公式
(1)计算。
BP =
Xn - X0
T
…………………………………… (1)
式中：BP—生物质产率[g/(L· d)]；Xn—培养 n天后
微藻的生物质干重(g/L)；X0—接种时微藻的生物质干
重(g/L)；T—培养时间(d)。
1.3.5 微藻总碳水化合物及总蛋白质的测定 参考
Zhao等[10]的方法对二形栅藻进行总碳水化合物和总蛋
白质的提取和测定。其中，总碳水化合物采用苯酚-硫酸
法测定，以葡萄糖为标准物质；总蛋白质采用考马斯亮蓝
染色法测定，以牛血清清蛋白为标准物质。
1.3.6 微藻总脂含量的测定 微藻细胞中总脂含量的测
定采用重量法测定，以正己烷溶剂进行提取。量取已
知生物质干重的藻液 20 mL，放入立式压力蒸汽灭菌
器中进行破壁处理(121℃, 20 min)，加入20 mL正己烷
溶剂，于室温下振荡提取4 h后，离心收集上层有机相；
藻残渣用 20 mL正己烷溶剂重复提取 2次，集合有机
相。转移至预称重的烧瓶中，用真空旋转蒸发仪蒸去
有机溶剂，烘至恒重，称重计算总脂含量。
1.3.7 脂肪酸成分分析 取适量粗脂肪，加入1 mL正己
烷和1 mL 10%的HCl/CH2OH，在60℃下酯化1 h，冷却
后加 1 mL正己烷，充分震荡后静置分层，取上层有机
相进行色谱分析。
色谱分析条件：采用Agilent 6890N-5975B气相色
谱质谱联用仪；氧火焰检测器(FID)；DB-5毛细管色谱
柱：30 m（柱长）×0.25 mm（内径）×0.25 μm（膜厚）；程
序升温：在180℃下保温1 min，然后以3℃/min升温速
率升至 260℃，保温 2 min，进样口温度为 250℃，气化
室温度为250℃，离子源温度为250℃，载气为氦气，流
速为1 mL/min，分流比1:20；进样量为1 μL。
1.3.8 统计分析 本试验数据采用Excel软件进行处理
分析。
2 结果与讨论
2.1 不同营养条件下二形栅藻的生长状况
按 1.2.3中所述方法进行微藻的培养，培养 20天。
通过每天测定其在680 nm下的光吸收值，绘制其生长
曲线，见图1。
由图 1可知，二形栅藻在 3种营养条件下的OD680
值均呈现上升趋势。在培养的前 3天，藻种生物量的
增长缓慢，处于适应期，之后均进入指数期，生长量快
速增长，在培养的后期增长趋于缓慢，进入稳定期。培
养10天后，不同营养条件下的二形栅藻生物量出现明
显的差异，生物量最高的营养条件是BG11+DW，其次
是BG11和DW。
培养20天后，对不同营养条件下二形栅藻的生物
质产率进行分析计算，结果见图2。
由图 2可知，二形栅藻在BG11+DW的营养条件
下生物质产率最高，达到了 0.045 g/(L · d)，分别是
BG11和DW条件下的 1.61倍和 2.14倍。在氮营养限
制的条件(DW)下，不利于二形栅藻累积较高的生物质
浓度。
虽然氮营养限制下能促进藻细胞油脂的富集，但其
导致了较低的生物质浓度，并不适于生物柴油的生产。
因此，可采用两阶段法培养微藻，在富氮阶段积累较高的
生物质浓度，之后接种到缺氮培养基中进行油脂的富集
培养[11]。
2.2 不同营养条件下二形栅藻的生化组分特性
不同营养条件下二形栅藻藻细胞中总碳水化合物
含量，见图3。由图3可知，二形栅藻在BG11和DW下
的总碳水化合物含量相差不大，而在BG11+DW下总
碳水化合物含量最高，分别为 27.1 μg/mL、27.4 μg/mL
和37.4 μg/mL。碳水化合物是微藻维持生命活动的主
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0 5 10 15 20 25
培养时间/d
OD 6
80
BG11
BG11+DW
DW
图1 不同营养条件下二形栅藻的生长曲线
0.0000.005
0.0100.015
0.0200.025
0.0300.035
0.0400.045
0.050
BG11 BG11+DW DW
不同营养条件
生
物
质
产
率
/[
g/
(L
·d
)]
图2 不同营养条件下二形栅藻的生物质产率
··48
要能量来源，在有营养条件限制下的碳水化合物含量
高于无营养限制条件[12]。本研究中，二形栅藻在富氮
培养基BG11条件下的碳水化合物含量低于两阶段培
养BG11+DW条件，而与DW营养条件下的含量相当，
这可能是由于在缺氮培养基DW条件下培养的时间较
长（20天）而导致碳水化合物被分解，为微藻生命活动
提供能量。
不同营养条件下二形栅藻藻细胞中总蛋白质含
量，见图4。细胞中氮元素是合成蛋白质的必需元素，
微藻培养基中氮元素的减少将抑制藻细胞中蛋白质
的合成。由图4可知，在BG11条件下的二形栅藻藻细
胞中总蛋白质含量高于BG11+DW和DW，这与该结
论是一致的。
不同营养条件下二形栅藻藻细胞中总脂含量，见
图 5。由图 5可知，二形栅藻在富氮培养基 BG11
(120.0 μg/mL)中的总脂含量低于两阶段培养BG11+
DW(305.0 μg/mL)及缺氮培养基 DW(185.0 μg/mL)。
细胞中总脂不仅是组成细胞结构的重要物质，同时也
是细胞中的能量储存物质，能为细胞的生命活动提供
能量。研究表明，营养条件对藻细胞中总脂含量有明
显的影响，在氮限制条件下能促使藻细胞中总脂含量
增加[13]。
2.3 利用两阶段法富集二形栅藻总脂含量
为了加强利用微藻生产生物柴油的经济可行性，
需要寻求既有较高的生物质产率又有较高油脂含量的
藻种。研究表明，多株藻种在某些条件如氮限制、磷限
制或高盐度下能积累藻细胞中的油脂、碳水化合物等
高能化合物[14]。在本研究中，采用两阶段法培养二形
栅藻，先在富氮培养基BG11中积累较高的生物质浓
度，之后浓缩接种到缺氮培养基DW中，研究了二形栅
藻在整个培养过程中，藻细胞内生化组分的变化情况
及培养基中氮元素的消耗情况，具体见图6。
由图6可知，在整个培养过程中，培养基中总氮的
浓度从162.742 mg/mL下降到24.103 mg/mL，伴随着氮
元素的消耗，藻细胞中总蛋白质含量从 24.379 μg/mL
下降到 15.707 μg/mL，相反的藻细胞中总碳水化合物
和总脂含量分别从 16.844 μg/mL和 147.500 μg/mL上
升到 37.400 μg/mL、305.000 μg/mL。由此可知，氮限
05
1015
2025
3035
40
BG11 BG11+DW DW
不同营养条件
总
碳
水
化
合
物
/(
g/
mL)
图3 不同营养条件下二形栅藻的总碳水化合物含量
02
46
810
1214
1618
20
BG11 BG11+DW DW
不同营养条件
总
蛋
白
质
/(
g/
mL)
图4 不同营养条件下二形栅藻的总蛋白质含量
0
50
100
150
200
250
300
350
BG11 BG11+DW DW
不同营养条件
总
脂
含
量
/(
g/
mL)
图5 不同营养条件下二形栅藻的总脂含量
050
100150
200250
300350
4 10 20
培养时间/d
各
生
化
组
分
含
量
/(
g/
mL)
020
4060
80100
120140
160180
总
氮
含
量
/(mg
/mL)
总脂含量
总蛋白质含量
总碳水化合物含量
总氮含量
图6 两阶段法培养二形栅藻的生化组分含量及总氮含量
李麒龙等：营养条件对二形栅藻生长及生化组分的影响 ··49
中国农学通报 http://www.casb.org.cn
制条件下，二形栅藻藻细胞内的总蛋白质含量降低；相
反，细胞内的总碳水化合物和总脂含量有明显的提高。
2.4 不同营养条件下二形栅藻的油脂特性
不同营养条件下二形栅藻藻细胞中脂肪酸组成情
况，见表1。研究发现，在生物柴油中最常见的脂肪酸
是棕榈酸(C16:0)、硬脂酸(C18:0)、油酸(C18:1)和亚麻
酸(C18:3)[15]。由表 1可知，在 3种不同的营养条件下，
二形栅藻的脂肪酸组成相似，均以C16和C18脂肪酸
为主，含量较高的3种脂肪酸分别是棕榈酸、硬脂酸和
油酸，其中含量最高的是棕榈酸，分别占总脂含量的
38.15%、41.91%和40.75%。
此外，在BG11培养条件下，棕榈酸和硬脂酸的含
量均低于BG11+DW和DW培养条件。由此可知，随
着氮元素的减少，藻细胞内棕榈酸和硬脂酸的含量略
有增加。相反，藻细胞中油酸含量在氮元素充足的
BG11培养条件下是最高的(36.39%)，而在氮元素缺失
的BG11+DW和DW条件下含量分别降低到30.25%和
21.33%。
在生物柴油的生产中，要求作为原料的脂质应有
较高含量的饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸，同时尽可
能少的多不饱和脂肪酸含量[16]。在本研究中，二形栅
藻在3种不同营养条件下的饱和脂肪酸和单不饱和脂
肪酸含量均在80%以上，特别是在两阶段法培养下，其
含量达到了90.73%，表明二形栅藻的油脂特性是符合
生物柴油生产要求的。
3 结论
不同的营养条件对微藻的生产及其生化组分特性
有着显著的影响。笔者研究了二形栅藻在3种不同营
养条件下的生长情况及其生化组分特性，发现二形栅
藻在两阶段法(BG11+DW)培养下的生物质产率最高，
达到了 0.045 g/(L· d)，其藻细胞中总碳水化合物和总
脂含量分别达到了 37.4 μg/mL和 305.0 μg/mL。二形
栅藻藻细胞中的脂肪酸组成主要是C16和C18脂肪
酸，其脂肪酸含量和特性均符合生物柴油生产要求。
因此，二形栅藻是生物柴油生产的合适原料。
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脂肪酸组成/%
C16:0
C18:0
C18:1
C18:2
其他
BG11
38.15
14.87
36.39
4.21
6.38
BG11+DW
41.91
18.57
30.25
2.66
6.61
DW
40.75
19.41
21.33
10.15
8.35
表1 不同营养条件下二形栅藻的脂肪酸组成
··50