全 文 ：生 物 医 学 工 程 研 究
Journal of Biomedical Engineering Ｒesearch 2015，34(4):255 ～ 258
* 国际科技合作与交流项目(2014DFA30380);国家自然科学基金资助项目(81273997) ;山东省中医药科技发展计划项目
(2013 － 215)。
△通信作者 Email:samshjx@ sina． com
栅藻生理特性的超微弱发光初探*
聂晓艳1，2，付加雷3，庞靖祥2，贾寒1，2，韩金祥2△
(1．济南大学 医学与生命科学学院，山东济南 250020;2．山东省医学科学院医药生物技术研究中心，山东济南 250062;
3 山东省中医药研究院，山东济南 250014)
摘要:通过优化栅藻的培养条件及探讨栅藻生理特性的超微弱发光变化规律，为栅藻作为生物指示剂奠
定基础。用 YPMS －2 生物光子测量仪对栅藻属栅藻进行超微弱发光的测量，并利用 Origin9． 1 软件对测量
结果进行分析处理。栅藻的最适培养条件为:温度为 25℃，光照强度为 4 000 Lux，在一定范围内栅藻的超微
弱发光强度与藻液浓度呈现正相关。栅藻整个生长周期，其超微弱发光随时间先快速增长，后趋于平缓。栅
藻藻液的整个生命系统的超微弱发光具有相干性。通过对不同生长阶段及不同浓度的栅藻的超微弱发光的
测量，可以对栅藻的生长状态进行判断。
关键词:超微弱发光;栅藻;生长周期;自发发光;延迟发光
中图分类号:Ｒ318 文献标识码:A 文章编号:1672-6278 (2015)04-0255-04
The Preliminary Study of Ultraweak Bioluminescence of
Scenedesmus Physiological Features
NIE Xiaoyan1，2，FU Jialei3，PANG Jingxiang3，JIA Han1，2，HAN Jinxiang△
(1． Shandong Academy of Medical Sciences，Medical Biotechnology Center，Jinan 250062，China;
2． University of Ji’nan － Shandong Academy of Medical Science，School of Medical and Life Science，Jinan 250020;
3． Shandong Academy of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014)
Abstract:Through optimizing the culture conditions of scenedesmus and investigating ScenedesmusScenedesmus physiological
characteristics of ultra － weak luminescence change rule，lay a foundation for scenedesmus as biological indicator． The ultraweak biolu-
minescence of thescenedesmus was detected with YPMS － 2 Biophoton measuring instrument． The measurement results were analyzed
by using Origin9． 1 software． The optimum culture conditions of scenedesmus were as follows:the temperature was 25 ℃，the light in-
tensity was 4000 lux，the spontaneous luminescence of scenedesmus were positively related with scenedesmus biomass when the biomass
was less than 1． 5 × 107 /mL。During different cultivation stages of scenedesmus，the emission strength were different correspondingly．
The ultraweak bioluminescence of the entire life system of scenedesmus conforms to the coherence． The growth status of scenedesmus
can be forecasted by detecting the ultraweak bioluminescence of scenedesmus．
Key words:Ultraweak bioluminescence;Scenedesmus;Growth cycle;Spontaneous luminescence;Delayed luminescence
1 引 言
随着重工业及农业的发展，环境污染日趋严重，
严重影响到生命系统的健康。检测水质污染的方法
有很多，常用的化学方法主要有气相色谱、液相色
谱、质谱等，但操作繁琐，成本高，灵敏性较低，近些
生物医学工程研究 第 34 卷
年来生物检测呈现良好的发展趋势，藻类用于水体
有机污染物的检测报道也有很多［1 ～ 3］。栅藻属栅藻
是淡水中常见的浮游生物，对有毒物质的毒性效应
反应敏感，尤其对有机污染物具有较强的耐性，常可
作为水质的指示生物。
超微弱发光普遍存在于自然界生物系统之中，
所有被测量的生物系统存在超弱的光辐射，其强度
大约在 100 个光子 /(s． cm2)，光谱分布在 200 ～ 800
nm内［4］。生物系统常受到内部和外界环境的干
扰，会导致系统能级的改变、系统本征态的变化等，
最终体现在测得的超微弱发光的变化［5 － 6］。通过超
微弱发光检测技术，探讨栅藻生理特性的变化规律，
并对栅藻的培养条件进行优化，为栅藻作为生物指
示剂指示水质污染奠定基础。
2 材料与方法
2． 1 材料
藻种:实验所用的栅藻(Scenedesmus sp．)由中
国科学院武汉水生生物研究所提供(编号 FACHB －
933)。培养基:BG11 培养基。试验所需主要仪器
设备:YPMS －2 生物光子测量仪，由荷兰米卢娜公
司(Netherlands Meluna Ｒesearch Company)提供。
UV －2802 型紫外可见分光光度计、显微镜、血球计
数板、计数器、灭菌锅、锥形瓶，恒温光照培养箱。
2． 2 试验方法
2． 2． 1 栅藻的培养条件优化及生物量的测定
(1)栅藻的培养条件优化
使用 BG11 培养基，取长势良好的藻种进行转
接，转接比例为 1∶ 5(藻液:培养基)。光暗比为 12 h
∶ 12 h，对培养温度及光照比进行条件优化。每日摇
动三角瓶 2 ～ 3 次［7 － 8］。
对栅藻的培养温度及光照强度进行条件优化，
栅藻的培养温度分三水平分别为 20、25、30℃，光照
强度分三水平分别为 2 000、4 000、5 000 Lux，共九
个组别进行比较，将同一初始浓度的藻液放入九个
设定不同温度及光照强度的培养箱中，培养四天，对
九组的藻液浓度的增长率进行对比分析，选出增长
率最高的一组，其培养温度及光照强度为最优培养
条件。
(2)藻类生长量的测定［9 ～ 11］
分别取培养时间为 1、2、3、4、5 d 的藻液，使用
UV －2802 型紫外可见分光光度计对藻液进行全波
长范围内的扫描，在 600 ～ 700 nm 之间确定最大吸
收峰波长为 680 nm。将藻液稀释成多个浓度梯度，
在 680 nm处测其吸光度值，同时对其进行显微计
数，得到藻液吸光度 A 值(X)与细胞密度(Y)间的
线性关系，线性回归方程为:Y = (11． 995X +
0． 1502)× 106 Ｒ2 = 0． 9766。使用光密度法能够快
速测定生物量。
2． 2． 2 栅藻超微弱发光的测量 取栅藻藻液 3 ml
置于 4 × 1 × 1 的石英比色皿中，将其放入分光光度
计中测其吸光度值 A，取出后放入生物光子测量仪
的样品室内，测其背景噪声值，自发发光及延迟发
光，激发光源选定为 LED灯。
(1)藻液的生物量对藻液超微弱发光的影响
取培养至对数生长期的藻液，将其等间距稀释
得到 14 个浓度梯度的藻液，每个浓度的藻液分别取
三份作为平行组，同时测其吸光度、自发发光及延迟
发光，每个样品平行测定三次。得到数据用 Ori-
gin9． 1 软件进行处理。
(2)栅藻生长过程中超微弱发光的测量
对处于对数生长期的栅藻进行转接，转接三瓶
作为平行样品。每日相同时间点从三个样品池中分
别取 3 ml藻液，分别测其吸光度值、自发发光和延
迟发光。每个样品平行测定三次，以减少测量误差。
3 结果与讨论
3． 1 栅藻培养的条件优化
如表 1 所示，栅藻在九组不同光照及温度培养
条件下，其增长率的比较。第四天的浓度与第一天
的转接浓度比较均有显著增长，从图 1 可以看出当
培养温度为 25℃，光照强度为 4 000 Lux 时，藻液的
生长最快，故选定培养温度为 25℃，光照强度为 4
000 Lux时，为栅藻培养的最优条件。
表 1 栅藻在不同培养条件下的增长率
Table 1 Scenedesmusgrowthratesunder differentculture conditions
组别 培养条件(℃) 培养条件(Lux) 增长率(%)
1 20 2000 106
2 20 4000 120
3 20 5000 105
4 25 2000 151
5 25 4000 162
6 25 5000 110
7 30 2000 136
8 30 4000 146
9 30 5000 137
652
第 4 期 聂晓艳，等:栅藻生理特性的超微弱发光初探
图 1 不同培养条件下栅藻的增长率
Fig 1 Scenedesmus growth rates under different culture conditions
3． 2 藻液的浓度对藻液超微弱发光的影响
图 2、图 3 所示，藻细胞浓度与自发发光强度在
浓度小于 1． 5 × 107 个 /mL时呈较好的线性关系，线
性回归方程为:y = 1． 4198 × 10 －6 x + 8． 72551 Ｒ2 =
0． 979 其中，y 为自发发光强度平均值，x 为藻细胞
浓度。
图 4 所示，栅藻的细胞浓度与延迟发光强度呈
很好的线性关系，线性回归方程为:
y = 0． 61305x + 1． 68487，Ｒ2 = 0． 997 其中 y 为
延迟发光总强度，x为藻细胞浓度，见表 2。
当藻细胞浓度线性增加时，其自发发光强度并
不是完全的线性增加的，超过一定范围，其强度随密
度的增加出现较大的波动，见图 2，说明生物系统内
部存在较大范围的相干性，这一结论与德国物理学
家 Calle所做的关于水蚤发光强度对密度的依赖性
实验结果是一致的［12 ～ 14］，这一结论符合 POPP 提出
的相干理论［6］。藻细胞浓度与延迟发光总强度呈
现较好的线性关系，能够表征超微弱发光的强弱，故
在之后用栅藻做生物指示剂的研究中，须选用浓度
小于 1． 5 × 107 个 /mL的藻液。
图 2 栅藻自发发光强度随藻细胞浓度的变化趋势
Fig 2 Scenedesmus spontaneous luminescence intensity with the
changing tendency of algal cells concentration
图 3 栅藻一定浓度范围内自发发光强度与藻细胞浓度的线性关系
Fig 3 Linear relationship betweenthe spontaneousluminescence
intensityandcellconcentration ina range of concentra-
tionsof Scenedesmus
图 4 栅藻延迟发光强度与藻细胞浓度的线性关系
Fig 4 Linear relationship betweenthe delayed luminescence
intensityandconcentrationofalgal cells
表 2 藻细胞浓度对应的超微弱发光强度
Table 2 Algal cell concentration corresponds to the ultra
weak luminescence intensity
藻细胞浓度 C
(个 /mL)
吸光度值
(Abs)
自发光子数
平均值 /个
延迟发光
强度 /个
1． 85333 × 106 0． 272 10． 73 313856
3． 70667 × 106 0． 515 13． 925 531878
5． 55999 × 106 0． 748 18． 2975 670034
7． 41332 × 106 0． 944 18． 69 793520
9． 26665 × 106 1． 139 22． 43 941427
1． 11998 × 106 1． 312 24． 9775 1002180
1． 297331 × 107 1． 455 26． 125 1156187
1． 482664 × 107 1． 570 29． 36 1215538
3． 3 栅藻生长过程中超微弱发光的变化
由图 5、图 6 可以看出，在生长的对数生长期阶
段，其发光强度也较强，细胞生命力强，光合作用较
强，到缓慢生长期及衰退期，细胞的生命力较弱，光
合作用减弱，其发光强度也随之衰减。超微弱发光
能够反映生物系统内部新陈代谢的状态，在栅藻生
752
生物医学工程研究 第 34 卷
长过程中的超微弱发光可能是其生物系统组织序的
度量指标［15］。栅藻呈群体生活，整个生物系统的生
命状态是全部藻细胞共同作用的结果，随着细胞数
量的增加，系统的全同性会减小，导致泄出的光子数
增加。整个系统的生长发育是一个典型的序增长的
过程，反映到超微弱发光上就是其整体强度的增
加［16］。
图 5 栅藻的生长周期中自发发光强度的变化
Fig 5 Spontaneous luminescence intensity of Scenedesmus
in the growth cycle
图 6 栅藻生长周期中延迟发光强度的变化
Fig 6 Delayed luminescence intensity of Scenedesmus
in the growth cycle
4 结论
(1)为探究栅藻的生理特性的超微弱发光，需
对栅藻的培养条件进行优化，当培养温度为 25℃，
光照强度为 4 000 Lux 时，藻液的增长率最大，故选
定培养温度为 25℃，光照强度为 4 000 Lux 时，为栅
藻培养的最优条件。
(2)藻液的浓度对藻液超微弱发光的影响，在
一定浓度范围内，藻细胞浓度与自发发光强度和延
迟发光强度呈很好的线性关系。当浓度超过 1． 5 ×
107 个 /mL时，其强度随浓度的增加出现较大的波
动，这一结论符合 POPP 提出的相干理论。在栅藻
做生物指示剂的研究中，须选用浓度小于 1． 5 × 107
个 /mL的藻液。
(3)栅藻生长阶段与栅藻的超微弱发光有着密
切的关系，随着栅藻的生长，经历延迟期、对数生长
期、静止期和衰亡期，其超微弱发光也随之出现相同
的变化趋势，先增长再趋于平缓。通过超微弱发光
的测量可以预知栅藻的生长状态及生长阶段。
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