全 文 ：　第 20卷　第 1期 核　化　学　与　放　射　化　学 Vo l. 20　 No. 1
　 1998年　 2月 Jour nal　 o f　 Nuclea r　 and　 Radiochemist ry Feb.　 1998
简　报
重水对栅藻和卵形藻生长和光合的促进作用*
刘　枫　王文清
(北京大学技术物理系 ,北京 100871)　　
施定基
(中国科学院植物研究所 ,北京 100044)
罗上庚
(中国原子能科学研究院放射化学研究所 ,北京 102413)
　　选择二种微藻分别在 30%重水和普通水培养液中培养 ,测定其生长、荧光动力学和低温荧光
发射光谱的变化。 生长数据结果表明 ,卵形藻和斜生栅藻在重水中活性增加 ,生长得到促进 ,荧光
动力学数据与生长数据一致。 低温荧光发射光谱数据表明 , 30%重水抑制光系统Ⅰ 的活性比光系
统Ⅱ更为明显。
　　关键词　卵形藻　斜生栅藻　重水
　　中图分类号: Q949. 2
重水对微藻生长的影响比较复杂 ,早在 50年代就已开始研究。 Henry等 [1 ]报道了小球藻
在高浓度重水中生长缓慢 ,而 Moses等 [2 ]报道了微藻在超过 75%的重水中不能生长 , Wil liam
等 [3 ]用二种绿藻—— 小球藻和斜生栅藻系统地作了实验 ,发现高浓度 D2O使藻类的指数生长
期后延。本文从生长入手 ,观测 D2O对微藻细胞生长的影响以及光系统Ⅰ 和光系统Ⅱ的活性
的变化 ,筛选出能在氚 (氘 )水中存活 ,并能促进生长的藻种。 因为氘和氚具有相似的物理和化
学性质 ,为了避免氚水放射性沾污 ,实验选择了氘水代替氚水进行试验。
1　实验部分
1. 1　生物材料和藻的培养
斜生栅藻 ( Scenedesmus obliquus)的培养液为 Knop液 ,为了观测重水的影响 ,配制 30%重
水培养液 ,培养箱温度为 27- 29℃ ,摇床摇动速度为 120 r /min,光照强度为 150μmol· s- 1·
m
- 2
,无氘水的对照实验同时进行。卵形藻 ( Cocconeis. sp) ,按文献 [4 ]的方法进行分离和纯化。
　　核工业科学基金资助项目
　　收稿日期: 1996-09-13　　收到修改稿日期: 1997-06-05
　　刘枫:男 , 25岁 ,放射化学专业 ,硕士
1. 2　吸收光谱
用岛津 UV-3000双光束双波长分光光度计在 750 nm测定藻液光密度 ,用光密度法测定
藻细胞生长曲线。
1. 3　低温荧光发射光谱
用日立 MPF-4500型荧光分光光度计在液氮温度 ( 77K)下测量 ,微藻的激发波长为
436 nm。
1. 4　叶绿素诱导荧光动力学
用德国 W ALZ公司出品的 PAM-100叶绿素荧光光度计在室温下测量。
1. 5　细胞计数法
用国产 X S2-D型倒置生物显微镜在血球计数板上进行。
2　结果与讨论
2. 1　重水对不同微藻生长的影响
栅藻在 30%重水和普通水培养液中的生长曲线示于图 1。从图 1可以看出 ,两条曲线基本
吻合。 培养第六天 ,重水中的与普通水中的斜生栅藻开始进入指数生长期 ,其后重水中栅藻生
长速度大于同期培养普通水栅藻中的生长速度 ,第六天、第十天和第十三天两者相差的百分率
分别为 1. 4、 77. 9和 86. 1。在培养后期 ,重水中栅藻生长速度变慢 ,第十五天相差为 15. 9。
图 1　栅藻在 30%重水和普通水培养液中生长曲线
Fig. 1　 The g r ow th curv es o f scenedesm us algae cultured in 30% deuter ated wa ter and wa ter
λ= 750 nm, t= ( 28± 1)℃ ,n= 120 r /min, I= 150μmol· s- 1· m- 2;
( a)——细胞计数法 , ( b)—— 分光光度法 ; 1—— D2O, 2—— H2O
卵行藻在 30%重水中和普通水培养液生长曲线示于图 2。从图 2可以看出 ,重水中的卵形
藻比普通水中的卵形藻受到了更强烈的促进作用 ,第四天开始进入指数生长期 ,其后重水中卵
形藻的生长速度大于同期培养普通水中的生长速度 ,第六天、第十天和第十三天两者相差的百
分率分别为 11. 0、 70. 8和 76. 0。
实验发现斜生栅藻和卵形藻在重水中活性增强 ,生长速度加快 ,同时测量这几种藻的荧光
51第 1期　　　　　　刘　枫等:重水对栅藻和卵形藻生长和光合的促进作用
图 2　卵形藻在 30%重水和普通水培养液中的生长曲线
Fig . 2　 The g row th curv es of co cconeis a lg ae cultur ed in 30% deutera ted w ater and w ater
λ= 750 nm, t= ( 28± 1)℃ , n= 120 r /min, I= 150μmol· s- 1· m- 2;
( a)——细胞计数法 , ( b)—— 分光光度法 ; 1—— D2O, 2—— H2O
图 3　斜生栅藻和卵形藻在重水培养液中和普通水培养液中荧光动力学
　　 Fig. 3　 The fluor escence kine tics of pho to sy stemⅡ activities (Fv /Fm ) scenedesmus alg ae and coc-
coneis a lg ae cultur ed in 30% deutera ted w ater and w ater
Fm= Fv+ Fo , t= ( 28± 1)℃ ,　 n= 120 r /min ,　 I= 150μmol· s- 1· m- 2;
( a)—— 栅藻 , ( b)—— 卵形藻 ; 1—— D2O, 2—— H2O
动力学发现这两种藻的光系统Ⅱ活性明显高于普通水培养的对照藻种 ,说明重水可能促进光
合作用中光系统Ⅱ的活性。William[ 3]的实验结果是 85% - 99. 6%的重水抑制小球藻和栅藻的
生长 ,但 70%的重水促进其生长 ,机理不清楚。 实验发现 ,小球藻在 30%重水中受到抑制 ,与
William结果不同 ;栅藻在在 30%重水中促进了生长 ,与 William的结果是一致的。
2. 2　叶绿素诱导荧光动力学
Fv /Fm可表征光系统Ⅱ的活性 [ 5] , Fv为光系统Ⅱ反映中心活性的大小尺度 , Fm为 Fo与
Fv之和。 Fo的相对值与藻体所含的叶绿素量有关。由图 3可知荧光动力学分析的结果与生长
52 核化学与放射化学 第 20卷
曲线基本上是一致的 (图 3( b)中第三个点异常 ,我们尚不能给出合理的解释 )。 重水中培养的
斜生栅藻和卵形藻可变荧光表征的光系统Ⅱ的活性高于普通水培养的微藻。
2. 3　低温荧光光谱
光合作用的低温 ( 77K)荧光光谱反映光合器官中叶绿素的状态并表明光合系统中光能的
分配情况 [6 ]。在 77K下 ,光系统Ⅰ ( PSⅠ )发射的荧光比光系统Ⅱ ( PSⅡ )弱 ,荧光高峰偏于长波
长。叶绿素荧光发射光谱有三个带 ,分别位于 685 nm , 700 nm和 720 nm , PSⅠ的 720 nm荧光
强 , 685 nm和 700 nm荧光很弱 ;而 PSⅡ则相反 , 685 nm和 700 nm荧光很强 [ 7]。由于 PSⅠ 和
PSⅡ的荧光发射光谱有这样的显著差别 ,因此可以用长波长 ( 720 nm )荧光强度与短波长 ( 685
- 700 nm )的荧光强度的比值作为鉴别 PSⅠ和 PSⅡ的指标。斜生栅藻和卵形藻在激发波长为
436 nm时的低温荧光光谱数据列入表 1,重水中培养的斜生栅藻与普通水中的斜生栅藻的低
温荧光光谱都存在三个发射峰 686、 698和 717。 686来自光系统Ⅱ , 717来自光系统Ⅰ ,按这两
种荧光发射峰高 ( H )的比值 ,可看到光能分配上的异同 ,重水中培养的栅藻 H ( 717) /H ( 686) ,
三天跟踪测量结果分别为 1. 07, 1. 01和 1. 05,而普通水分别为 1. 14, 1. 13和 1. 15。这说明在
重水中培养 ,其光系统Ⅱ的活性增强 ,光合系统中光能的分配趋向于光系统Ⅰ 的情况得到了改
善 ,两个光系统之间的分配更趋于均衡分配。与斜生栅藻不同的是重水中的与普通水中的卵形
藻的低温荧光光谱存在两个发射峰 684和 714。 684来自光系统Ⅱ , 714来自光系统Ⅰ 。重水中
培养的卵形藻 H ( 714) /H ( 684)分别为 1. 08, 0. 96和 0. 69,而普通水中的比值为 1. 14, 1. 21
和 1. 13,随着培养天数的增长 ,重水中培养的 PSⅠ /PSⅡ降低 ,在重水中培养 ,光能分配更趋
于光系统Ⅱ ,而普通水中 ,趋于光系统Ⅰ 。
表 1　卵形藻、斜生栅藻低温培养下的荧光光谱
Table 1　 Fluorescence spectra of scendeesmus algae and cocconeis algae at low temperature
光系统Ⅰ /光系统Ⅱ
第四天
D2O H2O
第六天
D2O H2O
第十三天
D2O H2O
斜生栅藻 1. 07 1. 14 1. 01 1. 13 1. 05 1. 15
卵形藻 1. 08 1. 14 0. 96 1. 21 0. 69 1. 13
　　注:激发波长为 436 nm, T= 77K
3　结　　论
斜生栅藻和卵形藻能够适应 30%重水 ,其生长得到促进 ,荧光动力学研究表明 ,这两种藻
的光系统Ⅱ的活性增强 ;低温荧光光谱数据表明 ,重水中的斜生栅藻 ,其两个光系统更均衡分
配 ,而卵形藻的光能分配更趋于光系统Ⅱ ,其内部机理和应用需要进一步研究。
参　考　文　献
1　 Henry LC, Sy lvia M A, Jo seph JK. Cultur e o f Algae O ther M icr o-org anisms in Deute rium Ox ide. Na-
t ur e, 1959, 184: 729— 730
2　 Moses V , Holm-hansen O, Ca lvin M . Response of Chlo rella to a Deuterium Env ironment. Biochim Bio-
phys Acta, 1958, 28: 62- 70
53第 1期　　　　　　刘　枫等:重水对栅藻和卵形藻生长和光合的促进作用
3　William C, Norbert JS, Henry LC, et al. The Grow th o f Algae in Deuterium Oxide. Bio chim Biophy s Ac-
ta , 1960, 37: 280- 287
4　 Rosmarie R. Methods Enzymol. San Diejo: Academic Press Inc. 1988, Vo l. 167
5　 Kitajima M , Butler WL. Ouenching o f Chlo rophyⅡ Fluo rescence and Primary Photo ch emistr y in Chlo ro-
pla sts by Dibromo Thymoquinone. Bioph ys Ac ta , 1975, 376: 105- 115
6　施定基 ,吴鹏程 ,仇媛媛 ,等 .苔藓植物光合作用荧光光谱和动力学荧光的比较 . 植物学分类学报 , 1992, 30
( 4): 320-330
7　 Kok B, Rurainski HJ. Long-wave Abso rption and Emission Bands in Chlo roplast Fragments. Bio chim Bio-
phys Acta, 1966, 126: 584- 587
GROWTH ACCELERATION AND PHOTOSYNTHESIS OF THE
SCENEDESMUS ALGAE AND COCCONEIS ALGAE IN
DEUTERIUM WATER
Liu Feng　Wang Wenqing
(Department of Technical Phy siscs, Peking University , Beijing 100871)
Shi Ding ji
( I nstitute of Botany , the Chinese Academy of Sciences , Beijing 100044)
Luo Shanggeng
(China Institute of Atomic Energy , Beijing 102413)
ABS TRACT
In o rder to find new w ay to t reat the radioactiv e tritium waste w ater, scenedesmus alg ae
and cocconeis algae are cul tured in medium which contains 30% ( w ) deuterium wa ter. Dur-
ing dif ferent time, activ ities o f pho tosym thesis, abso rption spectrum, g row th rate and low-
tempera ture fluo rescence spect rum a re measured. Accelerated g row th is found in the deuteri-
um water compared to the normal wa ter. Activi ties of pho tosnythesis show the simi lar result
(Fv /Fm ) to the g row th da ta. It i s also concluded from low-tempera ture f luorescence spect ra
that algae activi ties in the deuterium water, w hich are expressed by PSⅠ /PSⅡ , are mo re
sensi tiv e than tho se in the no rmal wa ter.
Key words　　 Scenedesmus alg ae　　 Cocconeis alg ae　　 Deuterium water
54 核化学与放射化学 第 20卷