全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第4期，2006年8月 633
CO2对微拟球藻(Nannochloropsis sp.)利用有机碳和光合作用的影响
胡晗华1,* 高坤山1,2
1 中国科学院水生生物研究所，武汉 430072；2 汕头大学海洋生物研究所，广东汕头 515063
提要 CO2 浓度提高时，微拟球藻吸收醋酸钠的速率增加 2 倍。混养生长的藻细胞最大光合作用速率、光合作用效率、无
机碳半饱和常数和无机碳饱和的光合作用速率均显著低于光自养条件下生长的。
关键词 CO2；醋酸盐；光合作用；微拟球藻(Nannochloropsis sp.); 有机碳
Effects of CO2 on the Organic Carbon Utilization and Photosynthesis of
Nannochloropsis sp.
HU Han-Hua1,*, GAO Kun-Shan1,2
1Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2Marine Biology Institute, Shantou University,
Shantou, Guangdong 515063, China
Abstract Effects of elevated CO2 on photosynthetic activity and the utilization of dissolved organic carbon
(DOC) of Nannochloropsis sp. were studied in this paper. When elevated CO2 reached 2 800 mL·L-1, the organic
carbon uptake increased 2 times compared with that of 350 mL·L-1 in mixotrophic culture. Light-saturated
photosynthetic rate (Pm), photosynthetic efficiency (a), half saturation coefficient (K1/2), and inorganic carbon-
saturated photosynthesis rate (Vm) for mixotrophic cells were significantly lower than those of photoautotrophic
ones. It indicated that the uptake of acetate by Nannochloropsis sp. required energy, and enhanced CO2 de-
creased the energy cost for the operation of CO2 concentration mechanism, hence providing more energy for
the uptake of organic carbon and accelerating the organic carbon uptake rate.
Key words CO2; acetate; photosynthesis; Nannochloropsis sp.; organic carbon
收稿 2005-12-22 修定 2006-04-10
资助 国家自然科学基金(30070582)。
*E-mail: hanhuahu@ihb.ac.cn, Tel: 027-66044779
藻类培养过程中常受 CO 2 供应速率的限制，
特别是高密度培养条件下，无机碳浓度不足会限
制藻细胞的生物量(Riebesell等1993)。补加无机碳
或有机碳可以促进藻细胞生物量的增加。有研究
显示，自养条件下提高液相 C O 2 浓度或补加
NaHCO3，混养条件下补加醋酸盐或葡萄糖均可在
不同程度上促进藻细胞生长并导致藻细胞二十碳五
烯酸(EPA)产率的增加(夏建荣和高坤山2002; Hu和
Gao 2003; Kang等2004; Xu等2004)。
由于微拟球藻属(Nannochloropsis)的种类通常
具有很高含量的 EPA，因而被认为有望成为 EPA
产品生产的生物资源(Sukenik 1999)。微拟球藻
(Nannochloropsis sp.)是一种单细胞的海洋绿藻，
具有利用乙醇、醋酸盐和葡萄糖等有机碳进行混
合营养生长的能力。提高培养液中 CO2 浓度或添
加葡萄糖，可以促进微拟球藻细胞的生长和 EPA
产率(Hu 和 Gao 2003; Xu 等 2004)。添加醋酸盐
也可以促进微拟球藻细胞的生长( H u 和 G a o
2003)。混养条件下，细胞对无机碳的代谢可能
受有机碳的影响(Vonshak等2000; Kang等2004)。
但培养液中无机碳与细胞对有机碳利用之间的关系
却少见报道。本文根据液相 CO2 浓度升高前后细
胞对溶解性无机碳和醋酸钠吸收速率的比较以及对
无机碳的亲和力和光合活性的变化，探讨无机碳
和有机碳在细胞代谢中的相互作用。
材料与方法
微拟球藻(Nannochloropsis sp.)由国家海洋局第
一海洋研究所李瑞香先生馈赠。接种一定量的藻
细胞(最终 OD665 nm≤ 0.04)到盛有 4 L f/2AW培养
基(Harrison等1980)的5 L血清瓶中，通入过滤空
气，在温度为22℃、光强为50 mmol·m-2·s-1的条
件下培养至对数生长中期(OD665 nm=0.554)，然后
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将光强提高到100 mmol·m-2·s-1继续培养10 h，离
心收集藻细胞，用新鲜的 f/2AW 洗涤 1 次，再用
4.8 L f/2AW重悬藻细胞并等分至12个500 mL的
三角瓶中(OD665 nm=0.551)。实验共4组(每组重复
3次): 2组光合自养，用f/2AW培养基，1组通过
滤空气(CO2 浓度为 350 mL·L-1)，1 组通 2 800
mL·L-1 CO2 的过滤空气；另外 2 组为混养，用含
有2 mmol·L-1 醋酸钠的 f/2AW 培养基，同样分别
通入的CO2浓度为350或2 800 mL·L-1过滤空气。
用流量计(LZB-3WB，常州热工仪表总厂)将通气
速率控制在200 mL·min-1，置于温度为22℃、光
强为100 mmol·m-2·s-1 连续光照的人工气候箱(E7
Conviron)中培养。通气开始时取样，每隔1~2 h
测定培养液中溶解性有机碳(dissolved organic
carbon, DOC)、溶解性无机碳(dissolved inorganic
carbon, DIC)和pH值；每隔12 h测OD665 nm一次；
培养3 d 后，测定藻细胞光合放氧活性和对无机
碳的响应曲线。
用紫外分光光度计测定光密度值(OD665 nm)，
通过 OD665 nm 和干重的线性关系式计算：藻细胞干
重[mg (DW)·L-1]=386.42×OD665 nm-3.4854 (n=10,
P<0.01)。按照Parsons和Strickland (1963)的方法
(在 90% 的丙酮中)计算：叶绿素 a (chl a)含量
(mg·L-1)=11.41×OD664 nm; pH值用pH计(420A, Orion)
测定；用总碳分析仪(TOC-5000A, Shimadzu)测定
培养上清液中 DIC 和总碳(TC)的含量，并由此计
算出 DOC 的含量(DOC=TC-DIC)。
不同培养条件下生长3 d的藻经离心后重新悬
浮于新鲜的 f/2AW 培养基中。温度以循环水浴控
制在22℃左右，以Clark型氧电极(Hansatech, 英
国) 测量不同光强下藻的光合放氧速率。根据
Henley (1993)的方法，以方程：P=Pm×tanh (a×
I/Pm)+Rd 对实验数据进行非线性参数估计，并计
算各参数。其中，I 为光强；P 是光强为 I 时所
对应的光合速率；P m 为最大光合速率，即光饱
和的光合速率；a 是光合作用在光限制部分的初
始斜率，可以表示光合效率；Rd 为暗呼吸速率。
Ik=Pm/a，表示光饱和点；Ic=-Rd/a，表示光补
偿 点 。
不同培养条件下生长3 d 的藻经离心后，用
含30 mmol·L-1 1,3-双[(三羟甲基)甲基氨基]丙烷的
无碳缓冲反应液(pH 8.0)洗涤数次并重新悬浮。于
22℃和300 mmol·m-2·s-1光强条件下，测定各种无
机碳浓度([S])下藻细胞的光合作用速率(V)。实验
数据以米氏(Michaelis-Menten)动力学方程：
V=Vm×[S]/(K1/2 (DIC)+[S])进行非线性参数估计，
得出参数 V m 和 K 1/2。其中，V m 为无机碳饱和的
光合速率；K1/2为光合速率达到最大值一半时所需
的无机碳浓度。
结果与讨论
1 微拟球藻的生长
图 1 显示，提高 CO2 浓度和添加醋酸钠对微
拟球藻的生物量均有不同程度的促进作用。液相
CO2浓度由350 mL·L-1提高到2 800 mL·L-1时，经
过培养36 h后，光自养条件下的净增生物量由217
mg (DW)·L-1 增加至364 mg (DW)·L-1，提高68%；
添加2 mmol·L-1醋酸钠的混养条件下的净增生物量
由248 mg (DW)·L-1 增加至 351 mg (DW)·L-1，提
高 42%。低 CO2 浓度下，添加醋酸钠的净生物量
增加 1 4 %；相反，提高 C O 2 浓度下，添加醋酸
钠的净生物量减少约 4 % 。高密度培养条件下，
藻细胞的生长可能受碳源供应的限制，从而影响
细胞的生长。提高液相CO2 浓度(Hu和 Gao 2003)、
添加无机碳或有机碳(Hu和Gao 2003; Kang等2004;
Xu 等 2004)均可能促进藻细胞生物量增加。从本
文结果来看，提高 CO2 浓度对微拟球藻生长可能
是一种更为有效的方法。
图1 不同碳源条件下微拟球藻的生长
Fig.1 Growth of Nannochloropsis sp. in
different carbon sources
植物生理学通讯 第42卷 第4期，2006年8月 635
2 微拟球藻对有机碳和无机碳的吸收
图 2 显示，低浓度 CO2 下，对数生长期的微
拟球藻细胞培养液中，DIC 随着时间增加而略有
降低，而且在自养培养条件下的这种降低趋势比
混养培养条件下明显。表 1 显示，自养条件下藻
细胞对 DIC 的吸收速率比混养条件高 1 倍多。醋
酸抑制与光捕获和无机碳固定相关的叶绿体蛋白的
表达(Kindle 1987)，Heifetz等(2000)的研究也证实
醋酸的代谢对无机碳的利用有负面影响。因而，
藻细胞对无机碳的吸收在有醋酸的条件下受到了抑
制。高浓度 CO2 时，培养基中的 DIC 随着时间进
程而增加，吸收速率表现为负值，特别是在混养
条件下，培养基中的 DIC 显著升高(表 1)，说明
在高 CO2 条件下，培养基中的 DIC 已达到饱和状
态。这一点与藻细胞生长是相关的，尽管添加醋
酸钠可提供更多可利用形式的碳源，但高 CO2 浓
度下培养基中 DIC 处于过饱和状态，相反，藻细
胞对醋酸钠的吸收需消耗细胞额外的能量(Heifetz
等 2000)，因而，添加醋酸钠生物量略有下降。
另外，碳浓度过高可能会产生底物抑制。Wolf-
Gladrow和Riebesell (1997)曾提出，只有当CO2的
消耗速率超过扩散供应的速度时，CO2 的限制作
用才会出现。
从对数期藻细胞培养液中 DOC 变化时间进程
可以看出，自养条件下，由于藻细胞生长过程中
分泌或细胞死亡所产生的少量有机物导致的培养液
具有较低的 DOC 含量，其变化并不明显(图 2)。
在含有醋酸钠的培养液中，DOC 的含量随时间进
程而下降，特别是在高浓度 CO2 条件下，培养基
中的 DOC 含量显著降低(图 2)，其细胞对有机碳
的吸收速率比低CO2浓度下增加约2倍(表 1)。显
示提高液相 CO2 浓度可以显著促进藻细胞对醋酸
的消耗速率。高浓度 CO2 可以减少藻细胞无机碳
浓缩对代谢能的分流(Kaplan和Reinhold 1999)而较
多地用于有机碳的吸收。
3 藻细胞的光合特性
提高CO2 浓度对藻细胞以 chl a 为单位的Pm
和a均无显著影响(图3-a和表2)。添加醋酸钠的
藻细胞Pm和a分别从296.9~306.2 mmol (O2)·mg-1
(chl a)·h-1和2.3~2.8 [mmol (O2)·mg-1 (chl a)·h-1]·
[mmol·m-2·s-1]-1减少至121.0~134.3 mmol (O2)·mg-1
(chl a)·h-1和1.2~1.3 [mmol (O2)·mg-1 (chl a)·h-1]·
[mmol·m-2·s-1]-1。光自养条件下，Rd 差异不显著，
混养条件下的Rd 低于自养条件下的，特别是在高
浓度CO2 下，藻细胞的Rd 最低，仅为19.2 mmol
(O2)·mg-1 (chl a)·h-1。提高CO2浓度的藻细胞Ic升
高(表 2)。
低 CO2 条件下培养至对数生长期的微拟球藻
转入高 CO2 或混养条件下培养 3 d 后，测定藻细
胞对无机碳的亲和力的结果(图 3-b 和表 3)表明，
培养基中不同碳源的短期效应可引起藻细胞对无机
碳的半饱和常数发生较大变化。pH 8.0时，其范
围在72.7~162.9 mmol·L-1 之间，即K1/2 (CO2)为
0.70~1.58 mmol·L-1。混养或高浓度CO2下的藻细
胞对无机碳的半饱和常数均减小，即藻细胞对无
图2 不同碳源培养条件下微拟球藻培养液中
DIC 和 DOC 含量的变化
Fig.2 Changes in DIC and DOC contents in the media of
Nannochloropsis sp. cultivated in different carbon sources
表1 不同碳源培养下的微拟球藻对碳源的吸收速率
Table 1 Carbon uptake rates of Nannochloropsis sp.
cultivated in different carbon sources
培养条件
吸收速率/ mg·L-1·mg-1 (chl a)·h-1
DIC DOC
350 mL·L-1 CO2 1.10 0.11
2 800 mL·L-1 CO2 -0.49 -0.03
350 mL·L-1 CO2+ 醋酸钠 0.52 0.42
2 800 mL·L-1 CO2+醋酸钠 -1.40 1.18
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表2 不同碳源下微拟球藻光合作用对光强响应曲线参数
Table 2 Parameters of photosynthetic-light response (P-I) curves of Nannochloropsis sp. cultivated in different carbon sources
碳源(CO2浓度/
光合作用参数
mL·L-1) Pm/mmol (O2)· a/[mmol (O2)·mg-1 (chl a)· Rd/mmol (O2)· Ik/mmol·m-2·s-1 Ic/mmol·m-2·s-1 mg-1 (chl a)·h-1 h-1]·[mmol·m-2·s-1]-1 mg-1 (chl a)·h-1
光自养 350 306.2±8.1 2.8±0.2 -46.1±7.2 108.0± 8.4 16.3±1.0
2 800 296.9±8.1 2.3±0.2 -45.3±6.8 132.8±12.4 20.3±2.5
混合营养 350 134.3±5.4 1.2±0.1 -19.2±4.7 117.3±10.2 16.8±1.0
2 800 121.0±5.5 1.3±0.2 -36.4±4.9 94.9±11.5 28.5±2.4
N = 3 。
表3 不同碳源下微拟球藻光合作用对
DIC的亲和力曲线参数
Table 3 Parameters of the responses of photosynthesis to
DIC of Nannochloropsis sp. cultivated in
different carbon sources
碳源(CO2 浓度 /
光合作用参数
mL·L-1) Vm/mmol (O2)· K1/2 (DIC)/ K1/2 (CO2)/
mg-1 (chl a)·h-1 mmol·L-1 mmol·L-1
光自养 350 598.1±60.9 162.9±35.3 1.58±0.04
2 800 317.6±43.6 110.0±29.8 1.06±0.03
混合营养 350 222.5±12.2 97.7±12.3 0.95±0.03
2 800 143.3±10.0 72.7±15.8 0.70±0.03
N = 3 。
机碳表观亲和力升高。光自养条件下微拟球藻的
V m 显著高于混养条件。
Heifetz等(2000)报道，随着培养基中醋酸浓
度的增加，混养生长的莱茵衣藻(Chlamydomonas
reinhardtii)细胞光合放氧速率和无机碳固定显著降
低。我们的结果也显示，混养生长的微拟球藻细
胞光合作用速率显著低于光自养条件。由此可见，
在真核微藻中醋酸的代谢对细胞光合无机碳固定有
负面影响。与此相反，外源有机碳可促使蓝藻细
胞光合系统的能量转化加强(王永红等2000)，因
而混养生长的聚球藻7002 (Synechococcus sp. PCC
7002, Kang等2004)和集胞藻6803 (Synechocystis sp.
PCC 6803, 王永红等2000)的最大净光合放氧速率
或光系统Ⅱ活性显著高于光自养条件下的。
总之，微拟球藻具有利用醋酸钠进行混合营
图3 不同碳源下微拟球藻光合作用的光强响应曲线和DIC亲和力曲线
Fig.3 Photosynthetic O2 evolution of Nannochloropsis sp. as a function of photo flux density and
DIC in the media with different carbon sources
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养生长的能力，这种绿藻细胞对醋酸钠的吸收是
一个明显的耗能过程，提高液相 CO2 浓度可以减
少细胞对无机碳浓缩的能量消耗(邱保胜和高坤山
2001)，因而才会有更多的能量用于有机碳的吸
收，最终促进细胞吸收有机碳的速率。由于能量
的分流或对光系统的抑制，混养条件下，藻细胞
的光合活性明显降低。尽管提高 CO2 浓度对藻细
胞光系统活性没有显著影响，但从低 CO2 浓度下
培养的微拟球藻细胞转入高浓度 CO 2 下培养后，
细胞对无机碳的亲和力即明显升高，这样藻细胞
利用无机碳的能耗即进一步降低。据此认为，在
微拟球藻混合营养培养过程中，适当提高液相
C O 2 浓度可明显促进藻细胞利用有机碳的效率，
并可能增加藻细胞的 EPA 含量 。
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