全 文 ：收稿　2001-12-10　　　　修定　2002-05-08
资助　国家自然科学基金(39830060)。
CO2浓度升高对斜生栅藻生长和光合作用的影响
夏建荣1 　高坤山1 , 2(1 汕头大学海洋生物研究所 , 广东汕头 515063;2 中国科学院水生生物研究所 ,武汉 430072)
Effect of Elevated CO2 Concentration on Growth and Photosynthesis of Scenedes-
mus obliquus
XIA Jian-Rong1 , GAO Kun-Shan1 ,2(1 Marine Biology Institute , Shantou Univerisity , Shantou , Guangdong 515063;2Institute of Hydrobiol-
ogy , Chinese Academy of Sciences , Wuhan 430072)
提要　升高大气中CO2浓度可提高斜生栅藻的生物量和光合作用速率 , 对光合效率 、暗呼吸速率 、光饱和点和光系统Ⅱ的光
化学效率(Fv Fm)没有明显影响 , 但藻细胞光合作用对无机碳的亲和力降低。
关键词　斜生栅藻　CO2　光合作用　生长
　　据预测到 21世纪中期 ,大气 CO2浓度将达到
目前浓度(350μl·L-1)的2倍 ,即 700μl·L-1 [ 1] 。大
气CO2浓度升高对陆生植物光合作用和生产力的
影响已有了广泛的研究[ 2 , 3] , 但对水生植物影响的
研究明显少得多。大气 CO2浓度升高导致水体中
pH值和溶解性无机碳(DIC)的变化 。大气 CO2浓
度从 350增加到 700μl·L-1时 , 淡水中HCO-3 浓度
增加 0.6%,pH值降低0.298[ 4] 。Riebesell等[ 5] 根据
室内实验的结果推测大气 CO2浓度升高可促进海
洋浮游植物的生长;Hein和 Sand-Jensen[ 6] 根据野外
调查海洋浮游植物群落与 CO2浓度变化关系的结
果 ,认为大气CO2浓度升高可提高浮游植物的初级
生产力。但大气 CO2浓度升高对淡水浮游植物的
影响(特别是藻类)还少有报道。已有的研究都侧
重于高 CO2浓度(5%)对藻类生理学特性的影
响[ 7] ,实验中所用的 5%的 CO2浓度比目前的大气
CO2浓度高出近 150 倍 ,所以无法说明 CO 2的生态
效应 。本文用淡水水体中常见的绿藻 ———斜生栅
藻为实验材料 ,探讨大气 CO2浓度升高对斜生栅藻
生长和光合作用的影响。
材料与方法
　　斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)藻种来自中国
科学院水生生物研究所典型物保藏中心淡水藻种
库。将扩大培养的斜生栅藻藻种 ,接种入 500 ml
SE 培养液[ 8] (100 ml 培养液组成如下:25 mg
NaNO3 、2.5 mg CaCl2 、7.5 mg MgSO4·7H2O 、7.5 mg
K2HPO4 、 17.5 mg KH2PO4 、 2.5 mg NaCl 、 0.5 mg
FeCl3·6H2O 、0.1 ml A 5溶液 、4 ml土壤浸出液 、95.
8 ml 蒸馏水), 置于光照培养箱中 , 温度控制在
25℃,光强为 50 μmol·m-2·s-1 , 光照周期为 12L/
12D ,分别通以普通空气(350 μl·L-1CO2)和含浓度
加倍的 CO2(700μl·L-1CO2)的过滤空气 ,通气速度
为 300 ml·min-1 。每隔一定时间通过显微镜计数
6 ～ 10个样本的细胞数目 ,然后计算其平均值 ,绘
制不同培养条件下斜生栅藻的生长曲线。
探讨不同 CO2浓度培养的斜生栅藻的光合作
用与光强的关系时 ,收获培养至对数期的藻 ,用新
鲜的 SE培养液洗2次后 ,悬浮在新鲜培养液中 ,加
入NaHCO3至最终浓度为 2 mmol·L-1 ,吸取 5 ml藻
液注入反应杯 ,通过调整碘钨灯与反应杯的距离得
到不同的光强 ,温度为 25℃,用氧电极测定光合放
氧速率。以上测定均重复 5次。测定叶绿素浓度
时 ,将离心收获的藻置于 90 %丙酮溶液中 ,在 4℃
冰箱中抽提 12 h ,叶绿素含量按 Jeffrey 和 Humphre-
y
[ 9] 的公式计算。
测定不同 CO2浓度培养的斜生栅藻对无机碳
的亲和力时 ,取不含 CO2的水配制的 Tris-HCl(pH
8.0 ,50 mmol·L-1)缓冲液 ,加入一定量的藻 ,枯竭
藻液和细胞内的可溶性无机碳(DIC),然后加入不
同量的 NaHCO3 ,在 400 μmol·m-2·s-1光强和 25℃
温度下 ,测定不同浓度 DIC下的光合放氧速率 , 并
计算在光合速率达到最大光合速率一半时所需的
DIC浓度[ K 0.5(DIC)] ,测定重复 3 ～ 5次 。在对数
期连续 36 h内用植物效率分析仪(Hansantech , U.
K)每隔一定时间测定藻液的 Fv Fm值 , 测定前将
藻液暗适应 10 min ,测定均重复 5次。
431植物生理学通讯　第 38 卷 第 5期 , 2002年 10 月
DOI :10.13592/j.cnki.ppj.2002.05.003
实验结果
1　CO2浓度升高对斜生栅藻生长的影响
　　从图 1 可知 , 在延滞期和对数期浓度加倍的
CO2中培养的藻细胞的生物量略有增加 ,但在对数
期向停滞期过渡阶段 ,CO2浓度加倍的生物量的增
加更为明显 ,至培养末期(第 23 d),其生物量与大
气CO2浓度培养的相比增加约 30%。
图 1　不同浓度 CO2培养的斜生栅藻的生长曲线
2　CO2浓度升高对斜生删藻光合作用和 Fv Fm的
影响
　　图 2 、表 1 显示 ,与通大气 CO 2浓度培养的相
比 ,CO2浓度加倍培养的藻细胞饱和光合速率提高
约 12.7%,两者差异显著 ,光合效率 、暗呼吸速率
和光饱和点均有所增加 ,但差异不显著 。不同浓度
CO2培养的斜生栅藻的光系统 II 光化学效率
(Fv Fm),在对数期光照和黑暗的交替过程中 ,CO2
浓度加倍培养的 F v F m值没有明显变化(图 3)。
图 2　不同 CO2浓度培养的斜生栅藻的
光合作用-光反应曲线(P-I曲线)
表 1　不同 CO2浓度培养的斜生栅藻P-I 曲线的参数
CO2浓度
μl·L-1
光饱和光合速率＊
μmol(O2)·mg -1(Chl)·
h-1
光合效率＊
[μmol(O2)·mg -1(Chl)·
h-1] ·(μmol·m-2· s-1)-1
光饱和点＊
μmol·m-2·s-1
暗呼吸速率/
μmol(O 2)·mg-1(Chl)·
h-1
350 213.0±3.1a 3.2±0.2a 75.3±3.5a 24.9±1.4a
700 240.1±5.0b 3.4±0.1a 80.6±8.2a 26.4±2.4a
　　＊5次测定结果的平均值±标准误差 , n=5;同列不同字母标记表示差异显著(P<0.05)。
图 3　不同 CO2浓度培养的斜生栅藻
Fv Fm的昼夜变化
3　CO2浓度升高对斜生栅藻与无机碳亲和力的
影响
　　如图 4所示 ,随着无机碳浓度的升高 ,光合作
用速率明显增加 ,约在 75μmol·L-1时达到饱和;大
气CO2浓度培养和 CO2浓度加倍培养的 K 0.5(DIC)
分别为 6.0μmol·L-1和 7.7 μmol·L-1 , 可见 CO2浓
度加倍培养的藻细胞对无机碳的亲和力有所降低 。
讨　　论
　　大型海藻培养过程中添加较高浓度 CO2
432 植物生理学通讯　第 38 卷 第 5期 , 2002年 10 月
(350 ～ 1 600 μl·L-1)明显提高其生物量已有所
图 4　不同浓度 CO2培养下的斜生栅藻
对无机碳的亲和力
报道[ 10] 。我们的结果也显示 , CO2浓度加倍培养使
斜生栅藻生物量明显增加 , 但在不同的细胞生长
周期中的影响不同。在延滞期和对数期生物量的
增加并不明显;在对数期向停滞期过渡阶段(de-
clining phase), 生物量的增加最为明显。这表明无
机碳浓度对斜生栅藻生长的限制作用可能与藻细
胞的密度有关。在很多湖泊水化学的研究中已经
发现 ,在浮游植物生物量高的湖泊中 ,水中的无机
碳浓度甚至可以降低到零[ 11] 。在对数期向停滞期
过渡阶段 ,培养液中具有较高的生物量 ,此时无机
碳浓度可能已成为限制因子 ,所以此时通入浓度加
倍的 CO2必将促进其光合作用 ,从而增加其生物
量。CO2浓度加倍对暗呼吸和光饱和点没有明显
影响 ,表明暗呼吸和光饱和点对 CO2浓度升高并不
敏感。但 CO2浓度加倍下培养的藻与空气 CO 2浓
度下培养的相比 ,饱和光合速率明显提高 ,这与
CO2浓度加倍培养下具有较高的生物量是一致的 。
从不同 CO2浓度培养下的斜生栅藻光合效率来看 ,
CO2浓度加倍培养对光合效率并没有明显的影响 ,
与两者 Fv Fm值和 K 0.5(DIC)的变化也是一致的 。
但有报道认为高浓度 CO2(5%)会导致蓝藻光合效
率增加和 CO2浓缩机制的抑制[ 12] ,可见藻类光合特
性变化明显与培养过程中所通入的 CO2浓度密切
相关 。但在我们的实验中所用的 CO2浓度只是 5%
CO2的1 75 ,所以CO2浓度加倍对斜生栅藻CO2浓缩
机制的抑制明显地比高浓度 CO2(5%)培养的弱 ,
这在 CO2浓度加倍培养后藻细胞对无机碳的亲和
力的变化中得到了较好的反映。有报道指出 ,高浓
度 CO2(2%～ 4%)培养的聚球藻和斜生栅藻对无
机碳的亲和力明显下降 , K 0.5(DIC)分别是空气培
养的 20倍和 8倍[ 13 , 14] 。而我们的研究结果显示 ,
CO2浓度加倍培养的藻细胞对无机碳的亲和力只
下降约 30%。Badger 和 Andrews 等[ 13] 认为 HCO-3
的转移和利用是一个需要能量的过程 ,在高浓度
CO2培养下 ,由于 CO2浓缩机制受到抑制 ,导致藻细
胞对 HCO -3 利用能力下降 ,使用于 HCO-3 转移和利
用的能量减少而用于光合作用的能量增加 ,结果其
光合效率明显升高[ 12] 。但 CO2浓度加倍下培养的
斜生栅藻 CO2浓缩机制并没有受到明显的抑制 ,所
以对光合效率的影响也表现得不太明显。
参考文献
1　King AW , Emanuel WR , Post WM.Projecting future concentrations of
atmospheric CO 2with global carbon cycle models:the importance of sim-
ulating historical changes.Environ Manag , 1992 ,16:91～ 108
2　Bowes G.Facing the inevitable:plants and increasing atmospheric
CO2 .Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol , 1993, 44:309～ 332
3　Bowes G.Growth at elevated CO2:Photosynthetic response mediated
through Rubisco.Plant Cell Environ , 1991, 14:795～ 806
4　Stumm W , Morgan JJ.Aquatic Chemistry.New York:Wiley-inter-
science , 1996
5　Riebesell U , Wolf-Gladrow DA , Smetacek V.Carbon dioxide limitation
of marine phytoplankton growth rates.Nature , 1993 , 361:249～ 251
6　Hein M , Sand-Jensen K.CO 2 increases oceanic primary production.
Nature , 1997, 388:526～ 527
7　Raven JR.Physiology of inorganic carbon acquisition and implications
for resource use efficiency by marine phytoplankton:relation to in-
creased CO 2 and temperature.Plant Cell Environ , 1991, 14:779～ 794
8　Starr RC.Algal cultures-sources and methods of cultivation.Methods
Enzymol , 1971 ,23:29～ 53
9　Jeffrey SW , Humphrey GF.New spectrophotometric equations for deter-
mining chlorophylls a , b , c1 and c2 in higher plants , algae and natural
populations.Biochem Physiol Pflanzen , 1975, 167:191～ 194
10　Gao K , Aruga Y , Asada K.Enhanced growth of the red alga Por-
phyra yezoensis Ueda in high CO2 concentrations.J Appl Phycol ,
1991 , 3:355～ 362
11　Maberly SCM.Diurnal , episodic and seasonal changes in pH and inor-
ganic carbon concentration in a productive english lake , esthwaite wa-
ter , Cumbria.Freshwater Biol , 1991 , 35:579～ 598
12　Kaplan A , Zenvirth D , Marcus Y et al.Energization and activation of
inorganic carbon uptake by light in cyanobacteria.Plant Physiol ,
1987 ,84:210～ 213
13　Badger MR , Andrews TJ.Photosynthesis and inorganic carbon usage
by the marine cyanobacterium , Synechococcus sp.Plant Physiol ,
1982 , 70:517～ 523
14　Thielmann J , Tolbert NE, Goyal A et al.Two system for concentrat-
ing CO2 and bicarbonate during photosynthesi s by Scenedesmus.Plant
Physiol , 1990 , 92:622～ 629
433植物生理学通讯　第 38 卷 第 5期 , 2002年 10 月