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可再生能源
Renewable Energy Resources
第 29 卷 第 5 期
2011 年 10 月
Vol.29 No.5
Oct. 2011
收稿日期： 2010-08-06。
基金项目： 中国矿业大学青年科研基金资助项目（OH091250）；常州大学博士启动基金（ZMF10020013）。
作者简介： 黄冠华（1981-），女，侗族，贵州遵义人，讲师，博士，主要从事微藻生物资源的开发利用。 E-mail：huangghclara@yahoo.com.cn
通气对光合自养培养下蛋白核小球藻生长和
有机碳成分含量的影响
黄冠华 1， 任庆功 2， 何 环 1， 匡亚莉 1， 冷云伟 1
（1.中国矿业大学 化工学院， 江苏 徐州 221116； 2.常州大学 化学化工学院， 江苏 常州 213164）
摘 要： 为了研究通气速率、气体的 CO2浓度、通气阶段对小球藻光合自养生长和小球藻有机碳成分含量的影
响，分别进行了未通气体、通入空气、通入纯 CO2（99.9%）条件下的小球藻光合自养培养试验。 试验发现，通入空
气速率为 1 L/min 时小球藻的生长速率最快；高浓度 CO2对小球藻生长有抑制作用；在接种初期进行通气试验
更有利于小球藻的生长。 不同通气条件下小球藻的有机成分含量无明显差异，在通空气和通纯 CO2条件下的小
球藻有机碳组分中，除总脂肪酸含量有所降低外，其余有机碳组分含量都有所升高。 由于通入空气有利于小球
藻的生长，所以通气条件有利于提高小球藻的固碳。
关键词： 小球藻； 通气； 有机碳成分分析； 固碳
中图分类号： TK6； Q949.21 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2011）05-0094-05
The effects of aeration on the growth and organic carbon
component contents under photoautotrophy condition
HUANG Guan-hua1， REN Qing-gong2， HE Huan1， KUANG Ya-li1， LENG Yun-wei1
（1.School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining and Technology，JiangSu 221116，
China；2. School of Petro Chemical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China）
Abstract： The experiment conditions of without aeration, air aeration （0.03% CO2 concentration），
pure CO2 aeration （99.9% CO2 concentration）in photoautotrophy cultivation were designed respec-
tively for the analysis that the effect of air aeration rate, CO2 concentration, aeration phases on
photoautotrophy growth and organic carbon component content of C. pyrenoidosa. It showed that
the air aeration rate of 1 L/min was optimal for cell growth; high CO2 concentration would inhibit
the cell growth; air aeration was beneficial to the growth of cell at the beginning of inoculation. It
was also found that there were no obvious variation of organic component content under different
aeration conditions, organic carbon component content except the total fatty acids content had little
increased under the conditions of air aeration and pure CO2 aeration. Above all, air aeration con-
dition was benefit for alga growth and CO2 fixation efficiency.
Key words： Chlorella pyrenoidosa； aeration； organic carbon components analysis； CO2 fixation
0 引言
小球藻生长速度快、固碳能力强 [1]~[3]，其体内
有机总碳占 62%~72%[4]， 由于固碳形式主要是淀
粉、可溶性碳水化合物、油脂和蛋白质等能量物
质 [5]，所以小球藻是一类具有开发潜力的生物能
源材料。 大多数小球藻能以光合自养[6]和异养[7]的
方式来进行生长， 其生长和有机碳成分的合成受
到多方因素的影响：在自养生长模式培养下，通气
DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2011.05.017
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黄冠华，等 通气对光合自养培养下蛋白核小球藻生长和有机碳成分含量的影响
量和气体中的 CO2含量[8]~[10]对小球藻生物量有一
定的影响，如：Chiu S Y 研究发现，在光生物反应
器中培养小球藻 Chlorella sp.时，通入不同浓度
（2%~15%）的CO2气体对小球藻的生长和 CO2 去
除效率（16%~58%）有不同的影响，其中，在 2%浓
度下的CO2气体有最高的去除效率 [8]。 Yang C 研
究发现，在光合自养生长情况下，小球藻对 CO2的
固定形式主要是多糖类物质， 而在一些环境因素
如温度、光照、盐度、pH 和营养胁迫条件，如碳
氮比对小球藻的有机碳成分含量有很大的影
响[5]，[11]～[15]。
本文主要研究了不同通气条件下小球藻
Chlorella pyrenoidosa 在光合自养条件下的生长
情况及其有机碳各组分的百分含量， 进而比较了
不同培养条件下的固碳能力。 为以后大规模自养
培养小球藻的经济可行性提供初步的参考。
1 材料与方法
1.1 试验原料与菌种
小球藻 FACH B-9 Chlorella pyrenoidosa：中
国科学院水生生物研究所淡水藻种库。
1.2 主要仪器设备
试验主要仪器设备：全温摇瓶柜 HYG-A（江
苏太仓市实验设备厂）、 超净工作台 VS-1300-V
（苏州安泰空气技术有限公司）、 上皿电子天平
FA2014（上海精密科学仪器有限公司）、智能人工
气候箱 RXZ（宁波江南仪器厂）、立式压力蒸汽灭
菌锅 LDZX-30FA（上海申安医疗器械厂）、紫外可
见分光光度计 T6 新世纪 （北京普析通用仪器有
限公司）、真空干燥箱 DEF-6052（上海欣蕊自动
化设备厂）、精密酸度计 PHS-3CA（上海大普仪器
有限公司）、pH 电极 E-201-C-9 （上海罗素科
技）、照度计 TES1330A（广州骏凯电子科技有限
公司）、台式高速离心机（美国贝克曼公司）。
1.3 方法
1.3.1 培养基
小球 藻 的 活 化 ： 将 小 球 藻 FACH B -9
Chlorella pyrenoidosa 种子液转接于 watanabe 培
养基 [16]〔KNO3 1.50 g/L，KH2PO4 1.25 g/L，MgSO4·
7H2O 1.25 g/L，FeSO4·7H2O 20 mg/L，A5 微量元素
液 1 mg/L （H3BO3 2.86 g/L，MnCl2·4H2O 1.81 g/L，
ZnSO4·7H2O 0.22 g/L，CuSO4·5H2O 0.08 g/L，
Na2MoO4 0.021 g/L）〕中 活 化 7 d，活 化 条 件 ：
4 000~5 000 Lux，20 ℃，120 r/min。
1.3.2 小球藻的通气试验
小球藻自养培养：将种子液（按 2 mL/150 ml）
平行接入 3 个装有 150 mL watanabe 优化培养基
的摇瓶中，分别通入一定流量的无菌空气（0.03%
CO2） 和 纯 CO2 气 体 （99.9% CO2）， 并 在 光 照
4 000 Lux，22.3℃，120 r/min 条件下生长。
1.3.3培养基中残氮的测定
将收获的 1 mL 藻液在 13 000 r/min 下离心 3
min 后，吸取上清液，于测试管中采用如下分析方
法进行测定。并通过回归方程进行残氮量的计算。
培养基中的残氮浓度用浓硫酸-水杨酸法 [17]进行
测定， 培养基中硝酸钾的残留质量浓度 x 与 410
nm 处的样品吸光度的关系为 D （410）= 98.78x，r=
0.997 6。
1.3.4小球藻有机碳成分含量的分析
1.3.4.1 采用酸水解法测定小球藻细胞中的脂肪酸
样品处理：将培养的蛋白核小球藻液离心，弃
其上清液，用去离子水清洗 3次，烘干至恒重。 精
密称取 3份约 0.02 g 藻粉， 分别置于 50 mL 大试
管内，加 10 mL水，混匀后再加 10 mL盐酸。 将试
管放入 70～80 ℃水浴中， 每隔 5～10 min 搅拌一
次，至样品消化完全为止。 取出试管，加入10 mL
乙醇，混合。 冷却后将混合物移于 100 mL具塞量
筒中，以 25 mL乙醚分次清洗试管，一并倒入量筒
中。待乙醚全部倒入量筒后，加塞振摇 1 min，小心
开塞，放出气体，再塞好，静置 12 min，小心开塞，
并用石油醚-乙醚等量混合液冲洗塞及筒口附着
的脂肪酸。 静置 10～20 min，待上部液体清晰，吸
出上清液于已恒量的锥形瓶内，再加 5 mL乙醚于
具塞量筒内，振摇，静置后，仍将上层乙醚吸出，放
入原锥形瓶内。 将锥形瓶置水浴上蒸干， 于 95～
105℃烘箱中干燥 2 h，取出放干燥器内冷却 0.5 h
后称量， 计算蛋白核小球藻中总脂肪酸含量的平
均值。
1.3.4.2 小球藻油脂含量测定方法
采用 Ben-Amota 和 Tornabene 方法测定小球
藻油脂含量[18]。
1.3.4.3采用苯酚-硫酸法测定小球藻可溶性多糖
可溶性多糖的提取：称取约 0.02 g 的干藻粉，
加入 1 mL 95%乙醇，用振荡器震荡，离心，提取上
清液放入 25 mL容量瓶中，定容至刻度。
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图 1 通气速率对 C. pyrenoidosa 生长的影响
Fig.1Theeffect of air aeration rate on the growth ofC.pyrenoidosa
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
时间/d
0
0.5
1
1.5
2
2.5
吸
光
值
/A
bs
0 L/min 0.5 L/min
1 L/min 1.5 L/min
图 2 不同 CO2通气浓度对 C. pyrenoidosa 生长的影响
Fig.2 Effects of different concentrations of CO2 aeration on
the growth of C. pyrenoidosa
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
时间/d
0
0.2
1
0.4
2
吸
光
值
/A
bs
通纯 CO2
气体
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
通空气 未通气体
表 1 培养基成分的单因次变化
Table 1 the mono-factor changes of components in medium
KNO3 KHPO4 MgSO4·7H2O FeSO4·7H2O
g/L mmol/L mg/L mg/L
0.8 5.0 500 20 5.0
1.25 10.0 1 000 40 6.0
2.0 15.0 1 500 60 7.0
3.0 20.0 2 000 80 8.0
4.0 30.0 2 500 100 9.0
pH 值
可溶性多糖的测定 [19]：吸取 0.5 mL 样品液于
试管中，加蒸馏水 1.5 mL，同制作标准曲线的步
骤，按顺序分别加入苯酚、浓硫酸溶液，显色并测
定光密度。 由已测标准线方程求出可溶性多糖的
量。
1.3.4.4小球藻淀粉含量的测定
将提取可溶性糖以后的小球藻残渣，移入 50
mL 容量瓶中，加 20 mL 热蒸馏水，放入沸水中煮
沸 15 min， 再用 9.2 mol ／ L 高氯酸 2 mL 提取 15
min，冷却后，混匀，以 2 500 r ／min 离心 10 min，取
其上清液注入 50 mL容量瓶中，并用蒸馏水定容。
吸取 0.5 mL 样品液于试管中， 加蒸馏水 1.5
mL，按测定可溶性多糖含量的方法，分别加入苯
酚、浓硫酸溶液，显色并测定光密度。 由标准线性
方程求出淀粉的含量。淀粉水解时，在单糖残基上
加了 1 分子水， 因而计算时所得的糖量乘以 0.9
才为扣除加入水后的实际淀粉含量。
1.3.4.5小球藻蛋白质含量的测定[20]
称取藻粉 0.3 g左右，加少量石英砂和 2.0 mL
30%NaOH 溶液，研磨 2 min。 再加 3 mL 60%碱性
乙醇溶液，研磨 5 min。 然后用 60%碱性乙醇溶液
将研磨好的样品无损地洗入 25 mL 容量瓶中，定
容， 摇匀后静置片刻。 取部分浸提液离心 10 min
（3 500 r/min）。 吸取 1 mL上清液于 25 mL容量瓶
中，用 60%碱性乙醇溶液稀释并定容，摇匀后即
可比色。
2 结果与分析
2.1 小球藻的光合自养培养体系
2.1.1 光合自养培养基 watanabe 宏观组分和 pH
值的单因素优化
为了粗略的优化培养基宏观组分和 pH 值，
试验过程按表 1顺序逐次进行单因次变化， 每变
动一个组分，其他组分与 wanatabe[16]的培养基组
分相同，在 120 r/min 的摇床中，22.3 ℃的培养条
件下观察藻细胞的生长情况， 得到优化培养基宏
观组分含量分别为 KNO3 2 g/L，KH2PO4 10 mmol/
L，MgSO4 1.5 g/L，FeSO4 20 mg/L。
2.1.2通气量对小球藻生长的影响
培养体系选择 2.1.1 中得到的培养基成分和
条件，并分别接入种子液（接种量 2 ml/150 ml）后
立即通入 0，0.5，1，1.5 L/min 的无菌空气（0.03%
CO2），得到如图 1 所示的生长曲线，在通气量为
1 L/min 条件下小球藻的生长最适宜。 而未通气
培养条件下小球藻的生长均低于通气培养条件
下的生长，说明了通入适量浓度的 CO2气体有利
于小球藻的生长，并在一定的通气速率下生长最
适宜。
2.1.3CO2浓度对小球藻生长的影响
如图 2 所示，通入 1 L/min 纯 CO2（99.9%）气
体的小球藻生长比通入 1 L/min 空气（0.03% CO2）
和未通入空气时小球藻的生长曲线都较慢， 在未
通入空气的对数生长期的小球藻培养体系中通入
纯 CO2气体反而使细胞数大量锐减。 这进一步说
明高浓度的 CO2 气体对小球藻生长有明显的抑
制作用 [8]，而适量低浓度的 CO2 气体有利于小球
藻的生长。
·97·
2.1.4空气通气对不同生长阶段小球藻生长的影响
空气通气对不同生长阶段小球藻的生长有显
著影响。 从图 3中可以看出，小球藻在生长初期通
入无菌空气（两天后）于 18 d 后达到生长最大值，
而未通气的小球藻生长均低于不同时期通入无菌
空气的小球藻生长； 未通空气的小球藻生长和在
对数生长期阶段通气的小球藻生长无明显区别，
说明在对数生长期通入空气对小球藻的生长已无
明显的影响。 所以，通入空气（低浓度 CO2）在小球
藻生长初期时对小球藻的生长具有一定的促进作
用。 在温度为 22.3℃和 26℃培养条件下，两天后
进行通气的小球藻生长随温度的变化要大些，而 4
d以后通气的小球藻的生长变化不明显。从图 4中
可以得出， 小球藻在通气状态下的硝酸钾消耗明
显加快。 两天后通入空气的小球藻对硝酸钾的消
耗最快，未通空气的小球藻消耗最慢。 说明培养基
中硝酸钾的消耗和小球藻的生长呈正相关性。
2.1.5光合自养条件下小球藻成分分析
从图 5 中可以得出，未通入空气、通入空气、
通入纯 CO2 气体时蛋白核小球藻的总脂肪酸含
量分别为 10.99%，10.45%，10.17%，油脂含量分别
34.79%，35.09%，35.78%， 可溶性多糖含量分别
9.86%，10.08%，10.11%， 淀粉含量分别 11.88%，
12.36% ，12.43% ， 蛋白质含量分别为 30.70% ，
31.55%，31.10%。 可以看出，在通入空气和通入纯
CO2条件下小球藻的可溶性糖、淀粉、油脂、蛋白
质等有机物的含量有相应的增加， 脂肪酸等化合
物的含量略有减少，因此，通气与未通气条件下的
有机碳组分无明显差异， 由于小球藻有机碳组分
含量大致相同，通气加快了生物质的快速增长，所
以通入空气的小球藻固碳能力大于未通气小球藻
的固碳效率。
3 结论
（1）通入空气的流速对小球藻自养培养生长
有一定的影响，当通入空气（0.03%CO2）的流速为
1 L/min时， 小球藻 C. pyrenoidosa光合自养培养
下的生长最快，而纯 CO2气体对小球藻的光合自
养有抑制作用。
（2）在小球藻生长初期（两天后）通入 1 L/min
空气最有利于小球藻的生长， 而在小球藻生长后
期通入空气对小球藻的生长影响逐渐减小。 说明
在小球藻培养过程中通入适量浓度的 CO2 气体
有利于小球藻的生长。
（3）小球藻光合自养条件对小球藻有机化合
物成分含量无明显区别， 由于通入空气有利于小
图 3 空气通气对不同生长阶段小球藻生长的影响
Fig.3 The effect of air aeration on the growth of C.
pyrenoidosa under different growth phases
图 4 在不同生长阶段下通气对小球藻硝酸钾消耗的影响
Fig.4 The effect of aeration on the potassium nitrate
consumption of C. pyrenoidosa under different growth phases
图 5 不同培养模式下小球藻有机碳成分含量
Fig.5 Organic carbon component contents of C. pyrenoidosa
by different cultivation modes
黄冠华，等 通气对光合自养培养下蛋白核小球藻生长和有机碳成分含量的影响
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可再生能源 2011，29（5）
球藻的生长， 所以通气条件有利于提高小球藻的
固碳能力。
由此可见，通气速率和气体中 CO2含量对小
球藻光合自养的固碳有一定的影响， 进一步确定
通气中最适宜小球藻生长的 CO2 含量和提高固
碳效率，对工业化处理废气和减少 CO2排放有长
远的意义。
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