全 文 ：第 32 卷 第 1 期 生 态 科 学 32(1): 051-056
2013 年 1 月 Ecological Science Jan. 2013
收稿日期：2012-10-09 收稿，2012-12-15 接受
基金项目：国家高技术研究发展计划“863”（2009AA06440）；国家重点基础研究发展计划“973”（2011CB2009001）；广东省教育部产学研结合
项目（2010A090200008）；广东省低碳发展基金项目
作者简介：韩娟(1988—)，女，硕士研究生，主要从事应用藻类生物技术研究
*通讯作者：李爱芬，E-mail：tiger@jnu.edu.cn

韩娟，王江宏，李爱芬，张成武. 通入 CO2 和补加氮源对紫球藻生长和代谢物质积累的影响[J]. 生态科学, 2013, 32(1): 051-056.
HAN Juan, WANG Jiang-hong , LI Ai-fen. Effect of CO2 concentration and nitrogen source addition on growth and major metabolic
substances accumulation in Porphyridium sp.[J]. Ecological Science, 2013, 32(1): 051-056.

通入CO2和补加氮源对紫球藻生长和代谢物质积累
的影响
韩娟，王江宏，李爱芬*，张成武
暨南大学水生生物研究中心，广州 510632

【摘要】论文研究了柱状光生物反应器中 CO2 浓度和氮源添加模式等培养条件对紫球藻（Porphyridium sp.UTEX 637）生长
和主要代谢产物积累的影响。结果表明，通入 CO2 能显著促进紫球藻的生长及胞外多糖、水溶性蛋白和总脂等生物活性物
质的积累，其中 1%的 CO2 浓度对紫球藻的生长及活性物质积累最有利，该条件下紫球藻的最高干重可达到 8.14 g/L，是对
照组的 4.93 倍；胞外多糖产量明显高于对照组，最高可达到 238.8 mg/L；补加氮源 KNO3 对紫球藻生长及胞外多糖、水溶
性蛋白含量均有明显的促进作用，最高干重、胞外多糖含量可分别达到对照组的 1.5 倍和 1.25 倍，但不利于总脂的积累。
关键词：紫球藻；CO2 浓度；KNO3；生物量；叶绿素 a；代谢物质
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2013.01.009 中图分类号：Q945.11 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2013)01-051-06

Effect of CO2 concentration and nitrogen source addition on growth and major
metabolic substances accumulation in Porphyridium sp.
HAN Juan , WANG Jiang-hong , LI Ai-fen* , ZHANG Cheng-wu
Institute of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China
Abstract：The effects of CO2 concentration and nitrogen source KNO3 addition on the growth and major metabolic substances
accumulation of Porphyridium sp. UTEX 637 were researched by culturing it in the Φ6 ×60cm cylindrical glass photobioreactor.
The results showed that appropriate concentration of CO2 could significantly promote the algal biomass and the content of
exopolysaccharides, water-soluble protein and total lipids. The most suitable CO2 concentration was 1%. The maximum cell dry
weight of experimental group was 8.14 g/L(1%CO2), which was 4.93 times of the control group. The maximum output of
exopolysaccharides was 238.38 mg/L, which was significantly higher than the control group. Adding nitrogen source KNO3 had
apparent stimulative effect on the algal cell growth, exopolysaccharides, and water-soluble protein content. The maximum cell
biomass and exopolysaccharides content were 1.5 and 1.25 times of the control group, but it did not contribute to the total lipids
accumulation.
Key words：Porphyridium sp.; CO2 concentration; KNO3; biomass; metabolic substances


生 态 科 学 Ecological Science 32 卷

52
1 引言 (Introduction)

紫球藻（Porphyridium）是 Naegeli 于 1849 年首
次发现的一种比较原始的单细胞红藻[1]，在生长过
程中能合成多糖、藻胆蛋白以及多不饱和脂肪酸
（PUFA）等多种生物活性物质，应用领域可涉及水
产饲料、食品、软饮料、医药、化妆品、精细化工
等多种高附加值产业，是一种极具经济开发价值的
微藻[2]。
碳是微藻生长中所必需的一种大量元素，目前
对无机碳源的研究主要集中在 CO2和 NaHCO3。王
长海等[3-4]证实 HCO3-和 CO2 均有利于藻体的生长，
在相同条件下以 CO2 为碳源培养的藻生物量、生长
速率分别是 NaHCO3 组的 1.47 倍和 1.85 倍。Ohta
等[5]研究证实通入浓度为 1.0%的CO2组藻生物量和
二十碳五烯酸(EPA)含量明显高于空气(0.036%CO2)
组和氮气组。Akimoto 等[6]研究表明，其他培养条
件适宜时，通入 5.0%CO2组紫球藻生物量产率和固
定 CO2 量较高，通入 6.0%CO2 组紫球藻 EPA 和花
生四烯酸（AA）含量较高。
氮是微藻维持正常生长所必需的元素，氮浓度过
低或过高都会对微藻的生长及代谢物质积累产生影
响[7-8]。Levy I[9]等研究表明缺氮条件下藻细胞中光
合作用的捕光色素叶绿素和藻胆素含量减少，进而
影响到微藻生长和各种活性物质的合成。石岩峻[7]
等研究表明高氮条件下藻细胞密度、比生长速率和
生物量与中氮低氮相比均是最低，表明藻细胞对氮
源的过量吸收，不利于细胞的分裂生长。
为了进一步探讨碳、氮源与紫球藻生长和主要
代谢产物积累的关系，本文以紫球藻(Porphyridium
sp. UTEX 637)为实验材料，测定了不同 CO2 浓度和
补加氮源培养条件下藻细胞的生长指标和主要代谢
产物含量，为紫球藻大规模培养时最适宜条件的选
择以及生物活性物质的工业化生产提供一定的理论
依据。

2 材料和方法（Materials and methods）

2.1 实验藻种
本实验藻种为紫球藻（Porphyridium sp. UTEX
637），由暨南大学水生生物研究中心微藻生物能源
与生物技术实验室保藏。

2.2 培养条件及培养基
藻细胞采用ASW（Artificial Seawater）培养基
[10]培养，基础培养基以1.0 g/L KNO3为氮源，培养
装置采用Φ6 cm×60 cm 柱状光生物反应器。初始
pH为6.8～7.5，培养期间，以日光灯为光源，光照
强度为150～220 μmol photons·m-2·s-1，24 h持续光
照，培养温度为（25 ± 1）℃。将培养至对数生长
中期的藻细胞离心收集，去除原有的培养基，用无
菌水洗涤，然后接种培养。

2.3 实验设计
2.3.1 不同CO2浓度对紫球藻生长及生化组成的影响
实验初始接种密度 OD750 为 0.202，其它培养条
件与扩种条件一致。设定四个不同 CO2 浓度，分别
为：1.0% CO2/空气混合气体，5.0% CO2/空气混合
气体，10.0% CO2/空气混合气体和空气，每组设置
3 个平行。
2.3.2 补加氮源对紫球藻生长及生化组成的影响
实验初始接种密度 OD750 为 0.235，其它培养条
件与扩种条件一致。实验组分别在第 6、12 天向每个
反应器内补加 10 mL 的 KNO3溶液（0.6 mol/L），相
当于补加原有含量 1 倍的氮源。每组设置 3 个平行。

2.4 生物量测定
隔 2 天取藻液 5 mL，用预先烘干至恒重的 0.45
μm 微孔滤膜抽滤，抽滤后将滤膜放入烘箱 80 ℃烘
至恒重后放入干燥器中，冷却至室温后称重。两次
重量差即为藻细胞的干重。

2.5 叶绿素 a 含量测定
隔 2 天取藻液 1 mL，离心弃上清，藻体中加入
5 mL 甲醇震荡混匀。70 ℃水浴提取 5 min，离心取
上清液测定 750 nm、665 nm 处的吸光值。叶绿素 a
含量的计算参考 Azov Y（1982）[10]的方法。

2.6 胞外分泌性多糖含量测定
多糖的体取及测定参考 Dubois M（1956）[11]
和夏海锋（2006）[12]的方法，略有改动。隔 2 天取
适量藻液离心，取定量上清液，用 2.5 倍体积的无
水乙醇醇析，静置 3-4 h，离心弃上清，沉淀用超纯
水定容至 50 mL，苯酚硫酸法测定多糖含量。

2.7 水溶性蛋白含量测定
称取 10 mg 藻粉，加入 5 mL 磷酸钠缓冲液，
置于-20 ℃冰箱反复冻融多次，低温超声波破碎，
1000 g 离心，上清液即为紫球藻水溶性蛋白提取液，
采用 Bradford 法（1976）[13]测定水溶性蛋白含量。

2.8 紫球藻总脂含量测定
总脂提取参照 Khozin-Goldberg(2005)的方法[14]
并稍加改进。称取 50 mg 藻粉，加入 2 mL 二甲基
1 期 韩娟，等. 通入 CO2 和补加氮源对紫球藻生长和代谢物质积累的影响

53
亚砜-甲醇溶液，50 ℃水浴搅拌抽提 30 min 后冰浴
搅拌抽提 30 min；离心转移上清至一小瓶；藻渣再
加入 4 mL 乙醚-正己烷搅拌抽提 1 h 后离心，合并
两次抽提液加纯水分相，移取有机相，用氮气吹干
至恒重，计算总脂含量。

2.9 数据处理
采用 SPSS13.0 中的单因素方差分析（ANOVA）
中的 LSD 多重比较进行数据差异显著性分析。

3 结果与分析 (Results and analysis)

3.1 CO2 浓度对紫球藻生长和生化组成的影响
3.1.1 CO2 浓度对紫球藻生物量的影响
不同 CO2 浓度条件下，紫球藻生物量变化如图
1 所示，3 个实验组（分别通入 1%、5%、10%CO2
浓度）生物量均显著高于对照组（通入空气）
（P<0.05）。3 个实验组间，生物量大小依次为
1%>5%>10%。1%与 5%实验组之间差异不显著
（P>0.05），但均显著高于 10%实验组（P<0.05）。
实验组与对照组的细胞干重均在第 26 天达到最大，
分别为 8.14 g/L（1%）、7.65 g/L（5%）、6.72 g/L
（10%）、1.65 g/L（空气），1%浓度 CO2 实验组最
大干重是 5% CO2 的 1.06 倍、10% CO2 的 1.21 倍、
对照组的 4.93 倍。由结果可知通入 1%CO2 浓度最
利于紫球藻生物量的积累。

图 1 紫球藻在不同 CO2浓度条件下的生物量
Fig.1 Biomass of Porphyridium sp. with different CO2
concentration

3.1.2 CO2 对紫球藻叶绿素 a 含量的影响
图 2 所示为不同 CO2浓度条件下紫球藻细胞叶
绿素 a 含量变化。在培养前 8 d，实验组与对照组叶
绿素 a 含量均上升，前者增加趋势更显著。第 8 d 后
实验组开始下降，对照组则一直缓慢上升至第 20 d
时趋于平稳。实验组叶绿素 a 含量均显著高于对照
组（P<0.05）。生长期不同阶段 3 个实验组之间的差
异不同，前 4 d 叶绿素 a 含量大小依次为
1%>5%>10%，第 6 d 时 5%和 10%实验组超过 1%
实验组，但 5%与 10%的实验组之间差异不明显。3
个实验组叶绿素 a 含量均在第 8 天达到最高，分别
为：22.77 mg/L（1%）、23.44 mg/L（5%）、25.35 mg/L
（10%）；对照组在第 24 d 达到最大，为 13.32 mg/L。

图 2 紫球藻在不同 CO2浓度条件下的叶绿素 a 含量
Fig.2 Content of chlorophyll a of Porphyridium sp. with
different CO2 concentration

3.1.3 CO2 对紫球藻胞外分泌多糖含量的影响
图 3 反映的是在不同 CO2 浓度条件下，紫球藻
胞外分泌多糖含量的变化情况。生长期前 16 d，通
入 1%与 5%CO2 浓度实验组，胞外分泌多糖含量均
显著高于对照组（通入空气），含量大小依次为
1%>5%>空气（P<0.05）。通入 10% CO2 浓度实验组
与对照组差异不显著（P>0.05）。实验组和对照组胞
外多糖含量均在 26 d 达到最大，分别为：238.4 mg/L
（1%）、209.9 mg/L（5%）、201.8 mg/L（10%）、225.4
mg/L（空气）。

图 3 紫球藻在不同 CO2浓度条件下胞外分泌性多糖含量
Fig.3 Content of exopolysaccharides of Porphyridium sp.
with different CO2 concentration
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷

54
3.1.4 CO2 对紫球藻水溶性蛋白含量的影响
不同 CO2 浓度条件下，紫球藻水溶性蛋白含量
的变化趋势如图 4 所示。对照组与 3 个实验组之间
在第 16 d、26 d 差异显著（P<0.05），对照组单位
质量干藻粉中水溶性蛋白含量明显高于 3 个实验
组。3 个实验组中，单位质量干藻粉中水溶性蛋白
含量随着培养时间的增长而不断下降。第 26 d，3
个实验组水溶性蛋白含量分别为 48.51 mg/g（1%）、
53.36 mg/g（5%）、55.04 mg/g（10%），显著低于对
照组的 80.00 mg/g。
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比
例
C
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ot
ei
n(
m
g/
g)
1% 5% 10% 空气

图 4 紫球藻在不同 CO2浓度条件下的水溶性蛋白含量
*表示实验组与对照组水溶性蛋白含量之间有显著性差异
（p<0.05）
Fig.4 Content of protein concentration of Porphyridium sp.
with different CO2 concentration
* indicates that the water-soluble protein content between the
experimental group and control group had significant
differences(p<0.05)
3.1.5 CO2 对紫球藻总脂含量的影响
图 5 所示不同 CO2 浓度条件下紫球藻总脂含
量的变化趋势。3 个实验组与对照组以及 3 个实验
组之间差异不显著（P>0.05）。第 26 天，实验组及
对照组的总脂含量均为最高，分别比第 0 天提高
了 2.8%（1%）、3.4%（5%）、2.7%（10%）、2.2%
（空气）。可见通入 CO2 对紫球藻总脂积累没有明
显影响。
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培养时间 Cultivation time(days)
总
脂
含
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重
比
例
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nt
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al

lip
id
s(
%
D
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)
1% 5% 10% 空气

图 5 紫球藻在不同 CO2浓度条件下的总脂含量
Fig.5 Content of total lipids of Porphyridium sp. with
different CO2 concentration
3.2 补加 KNO3 对紫球藻生长和生化组成的影响
3.2.1 补加 KNO3 对紫球藻生物量的影响
图 6 所示是未补加 KNO3（对照组）与补加
KNO3（实验组）紫球藻生物量的变化。第 6 d 第一
次补氮后实验组生物量低于对照组，第 12 d 进行第
二次补氮后，实验组生物量逐渐上升，在第 18 d 时
超过对照组，并在第 34 d 达到最高，出现生长周期
延长的现象，最高生物量可达 14.13 g/L，显著高于
对照组的最高生物量 9.39 g/L（第 26 天）（P<0.05），
是对照组的 1.5 倍。
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培养时间 Cultivation time(days)
生
物
量
B
io
m
as
s(
g/
L
)
对照组control group
实验组 experimental
group

图 6 不补加 KNO3 与补加 KNO3 条件下紫球藻的生物量
箭头所示为补加 KNO3（0.6 mol/L）时间点
Fig.6 Biomass of Porphyridium sp. without and with KNO3
addition
The arrows indicate the time for adding KNO3 (0.6 mol/L)

3.2.2 补加 KNO3 对紫球藻叶绿素 a 含量的影响
补加 KNO3 对紫球藻叶绿素 a 含量的影响如图
7 所示，补加氮源后实验组叶绿素 a 含量明显高于
对照组直至培养周期结束，两组差异显著（P<0.05）。
对照组叶绿素 a 含量在第 8 d 达到最大的 22.07
mg/L，之后逐渐下降；实验组叶绿素 a 含量第 8 天
后持续增长，在第 18 d 达到最大的 42.56 mg/L，显
著高于对照组（P<0.05），之后逐渐下降。

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培养时间 Cultivation time(days)
叶
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素
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f c
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op
hy
ll
a
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g/
L)
对照组 control group
实验组 experimental group

图 7 不补加 KNO3与补加 KNO3条件下紫球藻叶绿素 a 含量
Fig.7 Content of chlorophyll a of Porphyridium sp. without
and with KNO3 addition
1 期 韩娟，等. 通入 CO2 和补加氮源对紫球藻生长和代谢物质积累的影响

55
3.2.3 补加 KNO3 对紫球藻胞外分泌多糖含量的影
响
两组紫球藻胞外分泌多糖含量均呈先增加后下
降的趋势（图 8）。实验组补加氮源后，胞外分泌多
糖含量超过对照组（P<0.05），并在第 20 d 达到最
大，为 280.8 mg/L，显著高于对照组第 22 d 的最大
值 223.9 mg/L，是后者的 1.25 倍。之后两组胞外多
糖含量均逐渐下降，结果表明补加 KNO3 能够显著
增加胞外分泌多糖合成。
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培养时间 Cultivation time(days)
胞
外
多
糖
含
量
C
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te
nt
o
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ex
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ys
ac
ch
ar
id
e(
m
g/
L
)
对照组 control group
实验组 experimental group

图 8 不补加 KNO3 与补加 KNO3 条件下紫球藻胞外分泌性
多糖含量
Fig.8 Content of exopolysaccharides of Porphyridium sp.
without and with KNO3 addition

3.2.4 补加 KNO3 对紫球藻水溶性蛋白含量的影响
实验组和对照组紫球藻水溶性蛋白含量均随培
养周期的延长呈下降趋势（图 9），实验组含量显著
高于对照组（P<0.05）。培养末期第 34 d 对照组与
实验组单位质量干藻粉中水溶性蛋白含量分别为
56.27 mg/g、69.42 mg/g。由结果可知，补加氮源
KNO3 对紫球藻水溶性蛋白的合成具有明显的促进
作用。

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g)
对照组 control group
实验组 experimental group

图 9 不补加 KNO3 与补加 KNO3 条件下紫球藻水溶性蛋白
含量
*号表示实验组与对照组水溶性蛋白含量之间有显著性差异
Fig. 9 Content of protein concentration of Porphyridium sp.
without and with KNO3 addition
* indicates that the water-soluble protein content between the
experimental group and control group had significant
differences (p<0.05)
3.2.5 补加 KNO3 对紫球藻总脂含量的影响
图 10 所示是不补加 KNO3 的对照组与补加
KNO3 实验组紫球藻总脂含量变化趋势，由图可知
培养前期实验组与对照组之间总脂含量差异不显著
（P>0.05），第 26 d 以后，实验组总脂含量显著低
于对照组（P<0.05）。两组总脂含量均在第 34 d 达
到最大，实验组最高总脂含量为占干重的 10.13%，
低于对照组的 9.14%。由此可知，补加 KNO3 不利
于紫球藻细胞总脂的积累。
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0 6 16 26 34
*
*
培养时间 Cultivation time(days)
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脂
含
量
占
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重
比
例
C
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f t
ot
al

lip
id
s(%
DW
)
对照组 control group
实验组 experimental group

图 10 不补加 KNO3 与补加 KNO3 条件下紫球藻总脂含量
*号表示实验组与对照组总脂含量之间有显著性差异
（p<0.05）
Fig.10 Content of total lipids of Porphyridium sp. without
and with KNO3 addition
* indicates that the total lipids content between the
experimental group and control group had significant
differences (p<0.05)

4 讨论 (Discussion)

CO2 是自养微藻进行光合作用的碳源，适量供
应 CO2 能显著促进微藻生长，但海洋微藻对 CO2
的利用和吸收能力有一定的限度，过量的 CO2会抑
制藻细胞的生长。本文设置了 3 个不同 CO2 浓度实
验组和 1 个空气对照组，结果显示 1%CO2 组对紫球
藻的生长及生物活性物质合成促进作用最明显，这
与 Ohta S[5]报道结果一致。而 5%与 10%CO2 组，其
生物量比 1%CO2 组稍低，但均高于对照组，分别是
对照组的 4.64 倍和 4.07 倍。通入 1%与 5%CO2 能
够显著提高紫球藻胞外多糖含量，10%CO2 组促进
作用不显著；实验组叶绿素 a 含量从第 8 d 开始下
降（对照组是第 20 d 开始下降），原因可能是由于
CO2 的通入，实验组藻细胞生长速率快，培养基中
氮源消耗较多，抑制了叶绿素等相关物质的合成。
氮是藻细胞合成蛋白质、核酸、叶绿素、氨基
糖等物质的基本元素之一，因此氮浓度的不同对微
藻的生长及生理生化均会产生影响[15]。本实验分次
往培养基中添加氮源，结果表明补加 KNO3 对紫球
藻生长、胞外多糖和水溶性蛋白含量均有明显的促
进作用。补加 KNO3 初期生物量低于对照组，可能
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷

56
是由于补加氮源有效延长了藻细胞的对数生长期，
该期细胞分裂旺盛，但生长速率未达到最大。18 天
后实验组藻氮源充足生物量增长迅速，对照组由于
氮基本消耗殆尽生物量不再增加，补氮组最高生物
量是对照组的 1.5 倍。同时，补氮组叶绿素 a、胞外
多糖及水溶性蛋白最高含量分别是对照组的 1.93
倍、1.25 倍和 1.23 倍。原因可能是氮源的补充促进
了叶绿素、多糖、蛋白质等物质的合成。Li 等[16]
认为叶绿素是富氮化合物，氮源充足时细胞能合成
大量叶绿素，从而促进了多糖等光合作用产物含量
的提高。贾顺义[17]研究表明氮浓度对紫球藻多糖含
量的影响并不显著，可能是所用藻种及培养条件不
同所致。许多研究表明，低氮是提高微藻总脂的有
效胁迫条件[18-19]，本实验结果也证明补氮组总脂含
量显著低于对照组，可能是由于氮源充足时微藻优
先进行生长、分裂等生理活动，脂类物质的合成就
相对较少，反向证明低氮能够在一定程度上促进藻
细胞脂类物质合成。
本实验结果表明在紫球藻的大规模培养中，可
选用 1%CO2浓度条件，并考虑分批次补加 1 倍左右
氮源来提高藻细胞生物量和主要代谢产物的含量。
同时，研究发现紫球藻对CO2具有较广的耐受范围，
能够耐受大于 10%CO2的气体，这对于有效的处理
和利用工业废气具有重要意义（工业废气中 CO2 含
量约为 10%~13%），为未来的环保处理提供了新的
思路。如可设计将工业烟气过滤后加空气稀释 3-5
倍，通入大型微藻培养反应器（露天培养池）中。
微藻在大规模增殖过程中会快速消耗通入反应器中
的 CO2，同时可将反应器中溢出气体作为稀释烟气
的空气，继续进行下次反应。通过光合作用，紫球
藻可以利用充足的 CO2 合成对人类有益的活性物
质，可以将环保与工业生产相结合，创造出更高的
附加值，并产生良好的环境效益。

参考文献 (References)

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