全 文 ：第 22 卷　第 2 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2002年　4 月
Vol.22　No.2　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Apr., 　2002
绿色微囊藻的混合营养生长
马为民　钱志萍　孙　莉　王全喜
(上海师范大学生物系 ,上海　200234)
摘　要　研究绿色微囊藻(Microcystis viridis)在混合条件下的生长特性 ,以及葡萄糖 ,光照强度
和 pH对绿色微囊藻生长的影响 。结果表明:绿色微囊藻混合营养生长与光能自养生长相比 ,生
长速率明显提高 ,对数期延长 ,生物量显著提高;随着初始葡萄糖浓度在 0 ～ 18.0g/ l范围内增加 ,
同一光照条件下明显提高了藻细胞的生长速率 ,但在初始葡萄糖浓度 18.0 ～ 36.0g/ l范围内 ,同
一光照条件下葡萄糖浓度的高低对藻细胞的生长速率不再有更大的影响;在光照强度 24 ～ 112μE
·m-2·s-1范围内 ,初始葡萄糖浓度相同条件下藻细胞的生长速率及对葡萄糖的藻体得率都随光
照强度的增强而增大 ,但当光照强度在 112 ～ 200μE·m-2·s-1时 ,绿色微囊藻的生长速率增加幅
度较小 ,出现了光饱和现象;当 pH 处于 8.0 ～ 10.0间 ,明显促进了绿色微囊藻的生长 ,偏离该范
围越大 ,越抑制绿色微囊藻的生长 ,甚至导致死亡 。
关键词　绿色微囊藻;混合培养;葡萄糖;光强;pH
MIXOTROPHICCULTIVATION OF MICROCYSTIS VIRIDIS (A.Br.)Lemm.
MA Wei-min　Q IAN Zhi-ping　SUN Li　WANG Quan-xi＊
(Department of Biolog y , Shanghai Normal University , Shanghai 200234)
Abstract　The g row th characteristics and the effects of glucose , light and pH on the grow th of Mi-
crocyst is viridis(A.Br.)Lemm .under mixotrophic conditions have been investigated.The results
showed that by comparison , the mixot rophic grow th rate was much higher than the photoautot rophic
and the exponential phase elongated in the mixo trophic culture.Under same condi tion , it w as evident
that the mixot rophic culture of M icrocy stis vi ridis produced much biomass than that of the photoau-
tot rophic culture;Under same light intensity , w ith ini tial glucose concentrations in the range f rom 0
to 18.0g/ l , higher glucose concentrations favored cell grow th mo re markedly , whereas the concentra-
tions above 18g/ l presented only limited improvement on cell grow th;Under same initial glucose con-
centrations , the g row th rate and biomass/glucose yield increased w ith light intensity , ranging f rom
24 to 112μE·m-2·s-1;When light intensity w as higher than 112μE·m-2·s-1 , The range of the
grow th rate lower Microcy stis viridis appeared light saturation.When pH ranging f rom 8.0 to 10.0 ,
Microcystis viridis grow th w as promoted obviously ;but more deviating f rom that , more rest raining
Microcystis vi ridis g row th , even leading to death.
Key words　Microcyst is viridis;mixo trophic;glucose;lig ht intensity;pH
第一作者简介:马为民(1971-),男 ,硕士研究生 ,研究方向为藻类分子生物学与微藻生物技术。
＊为通讯作者。
　收稿日期:2001-12-26
　　微囊藻属(Microcystis)是最常见的水华藻类 ,
如何控制微囊藻的生长一直是湖泊富营养化研究中
的重要课题 。在许多富营养化的水体中 ,从春季直
至秋季 ,蓝藻常成为唯一的优势水华种群 ,其中以微
囊藻水华最为严重[ 1] ,为此 ,对微囊藻生理 、生化 、
生态等各方面的研究有着重要的意义。
蓝藻在进行光能异养生长时 ,能同化外源有机
物 ,包括碳水化合物 、氨基酸 、羧酸 、嘧啶 、核苷和核
苷酸[ 2～ 5] ,Pearce et al.(1969)报道[ 6] ,未发现一种
蓝藻不能同化外源有机物 ,只是它们对外源有机物
的利用程度不同而已 。有外源有机物存在 ,蓝藻在
光照下就不是进行严格的光能自养生长 ,而是进行
混合营养生长[ 5] 。兼性营养方式是蓝藻适应环境
的生理特征 。在前人的工作中 ,有着许多蓝藻混合
营养的研究 ,但却未见有关微囊藻混合培养研究的
报道 。本文着重研究了绿色微囊藻(Microcyst is
viridis(A.Br.)Lemm.)在混合条件下的生长特
性 ,以及葡萄糖 ,光照强度和 pH 值对绿色微囊藻生
长的影响 ,以期为蓝藻生物学的研究及蓝藻水华的
治理提供有益的信息 。
1　材料与方法
1.1　藻种和培养基
绿色微囊藻由中国科学院武汉水生生物研究所
提供 。实验采用 HGZ 培养基[ 7] ,在其中加入土壤浸
出液 ,并用 NaOH调 pH 至 8.0 ～ 8.5。混合营养培
养时加入葡萄糖作为外源有机碳源 。
1.2　培养条件和培养过程
实验是在自制的培养架上进行的 ,培养架上面
放置 70只自制的黑色纸板盒 ,绿色微囊藻就在黑色
纸板盒中进行培养。培养温度为 25℃,光照强度为
24 ～ 200μE·m-2·s-1 。200ml的锥形瓶中倒入 100
mlHGZ 培养液 ,然后接入 20 ml 纯化的藻液 , 在
25℃及 112μE·m-2·s-1光照条件下预培养 8 天 。
在含 80 mlHGZ 培养基的葡萄糖浓度分别为 0 , 6 ,
12 , 18 ,24 ,30 , 36g/ l的150 ml锥形瓶中分别接入 20
ml预培养藻液。在所有培养过程中采用 12小时光
照的静止培养 ,每天摇动 4次 ,光照强度分别为:22 ,
68 ,112 ,156 , 200μE·m-2·s-1 。所考察的每一种情
况都同时进行两组平行实验 ,共计 70瓶 。每天定时
从每一瓶中取样 5ml进行检测。
1.3　分析方法
藻细胞浓度通过用紫外光栅分光光度计(上海
第三分析仪器厂 752 型)检测藻液在 678 , 720 ,
750nm 处的吸收值得到 ,在 OD750=0.0 ～ 0.5 范围
内干重与 OD750呈线性关系。细胞叶绿素浓度(x)
用下式计算[ 8 ,9] :
　x =14.96(OD678 -OD750)-0.616(OD720 -
OD750)(mg/l)
葡萄糖浓度用上海生物制品所葡萄糖试剂盒测
定[ 10] 。pH用便携式酸度计(上海三信仪表厂 , pHB
-2型)测定 。光照强度数值用照度计(上海市嘉定
学联仪表厂 , JD-IA型)在 150 m l锥形瓶瓶底处测
定。
上述分析的最后结果为两组平行样品测定后的
平均值。
2　结果与分析
2.1　绿色微囊藻混合营养生长与光能自养生长的
比较
在光照强度为 24 ～ 112μE·m-2·s-1范围内 ,当
外源葡萄糖浓度低于(或等于)18.0g/ l时 ,外源葡萄
糖对绿色微囊藻的生长有显著的促进作用。如图 1
所示 , 当初始葡萄糖浓度为 18.0g/ l、光照强度为
112μE·m-2·s-1时培养 7d后混合培养的平均生长
速率为 OD7500.073/d ,而其对照光自养培养同期的
平均生长速率仅为 OD7500.036/d ,前者约是后者的
2倍 。由此可见 ,绿色微囊藻混合营养生长与光能
自养生长相比 ,生长速率明显提高 ,对数期延长 ,生
物量显著提高 。
图 1　绿色微囊藻混合培养生长与
光能自养生长的生长曲线
Fig.1 The g rowth curves of mixo trophic and
photoautotrophic cultivation of Microcystis viridis
2.2　葡萄糖浓度对绿色微囊藻混合营养生长的影
响
图 2为不同葡萄糖浓度对绿色微囊藻混合营养
生长的影响 ,由图 2 可见 ,在初始葡萄糖浓度 0 ～
18.0g/ l范围内 ,同一光照(112μE·m-2·s-1)条件下
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与光能自养相比(图 1所示), 混合营养
培养 OD750的增长速率更快 ,说明在该范围内
葡萄糖浓度明显提高了藻细胞的生长速率 ,但在初
始葡萄糖浓度 18.0 ～ 36.0g/ l范围内 ,同一光照
(112μE·m-2·s-1)条件下混合营养培养 OD750与光
自养培养 OD750增长速率相差不大 ,说明在该范围
内葡萄糖浓度对藻细胞的生长速率不再有更大的影
响。
图 2　葡萄糖浓度对绿色微囊藻混合营养生长的影响
Fig.2 Effects of gluco se concentrations on mixotrophic
cultivation of Microcystis v iridis
2.3　光照强度对绿色微囊藻混合营养生长的影响
图 3为绿色微囊藻在初始葡萄糖浓度相同(18.
0g/ l)条件下 ,光照强度 24 ～ 200μE·m-2·s-1范围内
的生长情况 ,由图 3可见 ,无论高光还是低光 ,藻细
胞的生长速率随光照强度的增强而增大 ,在光照强
度 24 ～ 112μE·m-2·s-1范围内 ,绿色微囊藻的生长
速率增加幅度较大;但当光照强度在 112 ～ 200μE·
m-2·s-1时 ,绿色微囊藻的生长速率增加幅度较小 ,
出现了光饱和现象。
图 3　光照强度对绿色微囊藻混合培养生长的影响
Fig.3 Effects of lig ht intensity on mixotrophic
cultivation of Microcystis v iridis
2.4　混合培养过程中绿色微囊藻细胞叶绿素浓度
的变化
比较绿色微囊藻在光照强度为 112μE·m-2·
s-1下细胞叶绿素浓度的变化情况(图 4)和与之对
应的 OD750(即细胞密度值)的变化情况(图 2)可见 ,
在整个培养过程中 ,细胞叶绿素浓度与细胞密度变
化大致存在相同的变化趋势。
图 4　混合培养过程中绿色微囊藻叶绿素浓度的变化
Fig.4 Change of chlorophyll concentration
during mixo trophic cultivation of Microcystis v iridis
2.5　光照强度对葡萄糖消耗的影响
图5和图6分别是光照强度为 200μE·m-2·s-1
和 24μE·m-2·s-1下混合营养培养过程中葡萄糖的
消耗情况 。在 200μE·m-2·s-1(高光)下 ,葡萄糖的
消耗量比在 22μE·m-2·s-1(低光)下更为迅速 。
图 5　低光照混合营养培养绿色微囊藻时葡萄糖消耗
Fig.5 G lucose consumption in mixotrophic
culture of Microcystis viridis at low light intensity
2.6　基质得率
基质即葡萄糖的生长得率 Y可用公式 Y=(Cm
-Co)/So来计算 ,其中 Co 、Cm 、So 分别表示混合培
养开始时的藻细胞浓度 、葡萄糖消耗完成时的藻细
胞浓度和初始葡萄糖浓度 。
如图 7所示 ,同一初始葡萄糖浓度培养物 ,其基
质得率在 112μE·m-2·s-1处为最大 ,与光照强度对
2432 期　　　　　　　　　　　　　　马为民等:绿色微囊藻的混合营养生长
图 6　高光照混合营养培养绿色微囊藻时葡萄糖消耗
Fig.6 G lucose consumption in mixotrophic
culture of Microcystis viridis at high light intensity
藻细胞的混合营养生长相似。另外 ,总的来说低初
始葡萄糖浓度下藻细胞的基质得率大于高葡萄糖浓
度下的基质得率 。这可能是由于高葡萄糖浓度下藻
细胞的内源呼吸更旺盛所致[ 11] 。
图 7　不同光照下不同初始葡萄糖浓度
对绿色微囊藻基质得率的影响
Fig.7 Effects of different light intensity and different
initial glucose concentration on the biomass/ substra te yield
2.7　混合培养中 pH 的变化
绿色微囊藻自养和混合营养培养过程 pH 在光
照为 24 ～ 200μE·m-2·s-1范围内比较接近 ,混合营
养培养过程在各种初始葡萄糖浓度条件下 pH 的变
化也很相似。图 8和图 9给出了光照强度为 200μE
·m-2·s-1及 24μE·m-2·s-1下自养培养和初始葡萄
糖浓度为 18.0g/l时混合营养培养 pH 的变化情况 。
光培养过程稍有升高(不超过 10.0),混合培养过程
pH随着细胞生长逐渐有所减小(不低于 7.0),并且
这种减小的趋势随葡萄糖浓度的增加变得略微明
显。
图 8　绿色微囊藻在光照强度为 200μE·m-2·s-1
下培养时的 pH 变化
Fig.8 Change o f pH in culture of
Microcystis v iridis at 200μE·m-2·s-1
图 9　绿色微囊藻在光照强度为 24μE·m-2·s-1
下培养时的 pH 变化
Fig.9 Change of pH in culture of
Microcystis v iridis at 24μE·m-2·s-1
2.8　pH 对绿色微囊藻生长的影响
pH是限制绿色微囊藻生长的一个重要因素 ,图
10和 11给出了 PH 为 4.0 、6.0 、8.0 、9.0 、10.0 、12.
0下自养培养和初始葡萄糖浓度为 18.0g/ l时混合
营养培养对绿色微囊藻生长的影响 。当 pH 处于 8.
010.0时 ,自养培养和混合培养都明显促进了绿色
微囊藻的生长 ,偏离该范围越大 ,越抑制绿色微囊藻
的生长 ,甚至导致死亡。
3　讨论
绿色微囊藻是一种原核光合生物 ,细胞中 TCA
循环是不完全的[ 12] ,虽然混合培养中葡萄糖也可能
部分被作为能源使用 ,但光能仍是细胞的主要能源 。
光照不仅能影响光合碳固定的速率 、外源葡萄糖变
成自身的碳架物质 ,也能影响藻细胞的呼吸强度 、能
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图 10　PH 值对绿色微囊藻自养培养的影响
Fig.10 Effects of pH on pho toauto trophic cultivation
of Microcystis v iridis
图 11　pH 对绿色微囊藻混合培养的影响
Fig.11 Effects of pH on mixotrophic cultivation
of Microcystis v iridis
荷水平 。另外 ,光对细胞某些产物如类胡萝卜素等
的形成具有诱导作用[ 13 , 14] 。因此 ,光的充分供给是
细胞良好生长的必要条件 。
实验结果表明:无论高光还是低光 ,藻细胞的生
长速率及对葡萄糖的藻体得率都随光照强度的增强
而增大 ,在光照强度 24 ～ 112μE·m-2·s-1范围内 ,
绿色微囊藻的生长速率增加幅度较大;但当光照强
度在 112 ～ 200μE·m-2·s-1时 ,绿色微囊藻的生长
速率增加幅度较小 ,出现了光饱和现象;究其原因 ,
这种现象可能与绿色微囊藻呼吸电子传递链和光合
电子传递链都位于类囊体膜上且共用质醌 PQ 与细
胞色素 b/ f作为电子传递体这个特点有关。
在绿色微囊藻的混合培养中 ,少量外源葡萄糖
的存在 ,明显提高了藻细胞的生长速率 ,但当大量外
源葡萄糖存在时 ,对藻细胞的生长速率不再有更大
的影响。这可能是外源葡萄糖的存在弥补了气体碳
源CO2 供应不充足 ,并可能使细胞在碳源利用中节
省所消耗的 ATP 和 NADPH 。外源葡萄糖对细胞
混合营养生长的促进作用在鱼腥藻 1017株[ 5] 、小球
藻 Chlorella sps.[ 15 , 16] 等藻类研究中已得到证实 。
当大量外源葡萄糖存在时 ,可能改变了藻细胞的渗
透压 ,影响了藻细胞的正常形态 ,这使得对藻细胞的
生长速率不再有更大的影响 , 甚至起抑制作用。
虽然低光下对葡萄糖的消耗不如高光下迅速 ,
但是 ,低光下葡萄糖的消耗仍然是明显存在的(见图
5),只是消耗量较小而已。培养过程中水的蒸发可
能对葡萄糖检测有影响 。另外 ,葡萄糖浓度对葡萄
糖消耗速率也是有影响的 ,这是因为葡萄糖进入细
胞不是一个容易的过程[ 17] ,在一定的能量帮助下 ,
较高的外源葡萄糖浓度应有利于葡萄糖被吸收。
光培养过程中 pH 稍有升高 ,这可能是绿色微
囊藻在光自养过程中产生了某些碱性代谢副产物所
致 ,而混合培养过程 pH 随着细胞生长逐渐有所减
小 ,并且这种减小的趋势随葡萄糖浓度的增加变得
略微明显 。这可能在混合培养过程中与葡萄糖代谢
副产物的某些小分子有机酸有关。另外 ,pH 是影响
绿色微囊藻生长的一个重要条件 ,过酸过碱都不利
于绿色微囊藻的正常生长 ,甚至导致死亡。
从前述实验结果和讨论可以看到只要有外源有
机物存在 ,绿色微囊藻在光下就不是进行严格的光
能自养生长 ,而是进行混合营养生长。混合营养生
长又与光 、外源有机物 、酸碱度等等因素有关 ,并且
这些因素之间又表现出明显的交联作用 。
参　考　文　献
1.He Zhenrong , et al.Seven microcystins from Microcystis w a-
ter bloom in Lake Dalai , China.J Envir.Sci., 1997 , 9(1):
113～ 119
2.Smith A J , London J , Stanier R Y.Biochemical basis of ob-
ligate auto trophy in blue - g reen algae and thiobaeilli.J
Bact., 1967 , 94:972 ～ 983
3.Smith A J.Synthesis of metabolic intermediates.In:The
Biology of Blue-Green Algae.Oxford:Blackwell , 1973 , 1
～ 38
4.金传荫 , 宋立荣 ,黎尚豪.鱼腥藻 HB1017 株化能异养生
长的研究.水生生物学报 , 1995 , 19(1):13～ 20
5.金传荫 ,宋立荣 , 黎尚豪.鱼腥藻 1017 株的混合营养生
长.水生生物学报 , 1996 , 20(2):134 ～ 137
6.Pearce J , Carr N G.The incorporation and metabolism of
glucose by Anabaena variabilis.J Gen.Microbiol., 1969 ,
54:451 ～ 462
7.Song L R and Liu Y D.Freshwater Algae Culture Co llection
of the Institute of Hydrobiolog y.1999 , Second Edition
8.喻国策 , 辛晓峰 , 蔡昭铃 , 等.鱼腥藻 Anabaena sp.
PCC7120的混合营养生长.化工冶金 , 2000 , 21(1):52
2452 期　　　　　　　　　　　　　　马为民等:绿色微囊藻的混合营养生长
～ 57
9.Williams J G K.Construction of Specific Mutations in Pho-
to system Ⅱ Photosynthetic Reaction Center by Genetic Engi-
neering Methods in Synechocy stis 6803 .Packer L , Glazer A
N.Methods in Enzymology , Vol 167 , Cyanobacteria.San
Diego:Academic Press , 1988 , 766 ～ 788
10.王永红 , 李元广 , 施定基 , 等.集胞藻 6803 的混合培养
———光照强度和葡萄糖的影响.生物工程学报 , 2000 , 16
(2):193～ 197
11.Martinez F , Orus M I.Interactions between Glocose and
Inorganic Carbon Me tabolism in Chlo rella vulgaris Strain
UAM 101.Plant Phy siol , 1991 , 95:1150～ 1155
12.Pearce J , Leach C K , Carr N G.The Incomple te T ricar-
boxy lic Acid Cycle in the Blue-g reen A lga Anabaena vari-
abilis.J Gen.Microbiol., 1969 , 55:371～ 378
13.Ben-Amo tz A , Katz A , Avron M.Accumulation o f β-
caro tene in Halotolerant Algae:Purification and Characteri-
zation of β-caro tene-rich G lobules from Dunaliella bardawil
(Chlorophyceae).J Phycol., 1982 , 18:529～ 537
14.Lee Y K , Soh C W.Accumulation of Astax anthin in
Haematococcus Lacustris (Chlorophy ta).J Phycol., 1991 ,
27:575 ～ 577
15.Lalucat J , Imperial J , Pares R.Utilization of Light for the
Assimilation of O rganic Matter in Chlo rella sp.VJ79.
Bio technol.Bioeng., 1984 , 26:677 ～ 681
16.Mar tinez F , Orus M I.Interactions between G lucose and
Inorganic Carbon Me tabolism in Chlorella vulgaris Strain
UAM 101.Plant Phy siol., 1991 , 95:1150 ～ 1155
17.Droop M R.Hetero trophy of Carbon .Stewar t W D P.
Algal Phy siolog y and Biochemistry.Berkeley and Los Ange-
les:University of California Press , 1974 , 530 ～ 559
246 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　22 卷