全 文 ：第 27卷第 11期
2008年 11月
水 产 科 学
FISHERIES　SCIENCE Vol.27 No.11Nov.2008
补充 CO2对光生物反应器培养
小球藻生长和光合作用的影响
张丽莉1 , 吴　垠 2 , 孙建明3 , 王国栋 1
(1.集美大学 水产学院 , 福建　厦门　361021;2.大连水产学院 ,农业部海洋水产增养殖学
与生物技术重点开放实验室 , 辽宁　大连　116023;3.大连汇新海洋科技发展有限公司 ,
辽宁　大连　116033 )
摘　要:试验结果表明 , 补充 1000 μl/LCO
2
, 可促进小球藻的生长 ,藻细胞密度和生物量显著高于对照
组(350μl/L)。补充 CO2能够延长指数生长期 ,并且指数生长期(培养 8 d)的最大光合速率 、光合作用
效率和光合作用饱和光照度均显著提高。但补充 CO
2
降低了小球藻蛋白含量 , 这可能与 Rubisco含量
下降有关。
关键词:小球藻;光生物反应器;CO
2
浓度;生长;光合作用
中图分类号:S963.14 文献标识码:A 文章编号:1003-1111(2008)11-0570-04
收稿日期: 2008 -02-25;　修回日期:2008-03 -20.
基金项目:辽宁省教育厅重点科研项目(202130893);大连市科技局复合型人才基金资助项目(2004166).
作者简介:张丽莉(1979-),女 ,助教 ,硕士 ,研究方向:微藻生理生态;E-mail:leelee79@ 163.com.通讯作者:王国栋(1977 -),男 ,
讲师 ,博士 ,研究方向:功能基因和贝类繁殖;E-mail:gdwang@jmu.edu.cn.
　　微藻能有效利用光能 、CO2和无机盐合成蛋白
质 、脂肪 、碳水化合物以及多种高附加值生物活性
物质。由于其生长繁殖快 ,易于培养 ,成为生产保
健食品 、食品添加剂 、饲料 、生物肥料 、化妆品及其
他天然产品重要原材料 [ 1] 。尤其是作为水产动物
鱼 、虾 、贝类育苗时的生物饵料 ,是影响幼苗成活率
和质量的关键因素之一 ,能否有计划稳定的供给直
接影响育苗的成败。此外 ,利用微藻为宿主生产基
因产物也日益受到关注。因此 ,微藻大规模培养技
术的研究一直是国内外许多学者和养殖工作者关
注的课题[ 1-2] 。
光生物反应器是一种高效 、稳定的微藻培养方
法 。它克服了微藻室外开放式培养存在的占地面
积大 、培养效率低 、生产不稳定 、容易污染等问题。
由于采用了封闭式培养系统 ,其光能转化效率高 、
条件易于控制 ,使微藻生产跨跃上新水平 。因此 ,
许多学者开始致力于微藻培养用光生物反应器的
研究 ,并已应用于生物工程和化工等领域[ 2-7] 。但
这种培养方式仍面临许多问题 ,如这种封闭培养器
容易造成溶解氧蓄积 ,高密度培养时 CO2供应不足
等 [ 5] 。笔者主要研究了在光生物反应器封闭式培
养中 ,补充 CO2对小球藻(Chlorelavulgaris)生长 、
氮磷吸收和光合作用特征的影响 ,为光生物反应器
高效培养微藻提供理论依据。
1　材料与方法
1.1　试验用藻种
小球藻由辽宁省海洋水产科学研究院提供。
小球藻接种至光反应器之前在 3000 ml的三角瓶中
用 Conwey培养液进行扩大培养 。
1.2　试验设备与培养方法
光生物反应器由大连汇新海洋科技发展有限
公司研制 ,整套设备包括培养器 、水处理器 、温控系
统 、CO2充气系统及人工光源等 。容积为 100 L,采
用自然光和人工光 (外置)连续照明 , 光照度为
1500 ～ 8000 lx,水温 16 ～ 20 ℃。
试验分为两组 ,分别为对照组和试验组。对照
组通过滤空气 , CO2为 350 μl/L;试验组在通过滤空
气的基础上 ,每日于 12:00时补充含 CO2(1000 μl/
L)的空气 20 min。两组的充气量为 300 ml/min,均
设 3个平行。
1.3　测试指标
1.3.1　细胞数量及生物量测定
每日用血球计数板测量小球藻细胞个数 。生
物量以叶绿素表示 。测定叶绿素(Chl a)含量时将
藻液经 0.45 μm微孔滤膜过滤 , 95%丙酮萃取定容
至 10 ml, 751型分光光度计测定 。
1.3.2　测定光合作用对光照度的影响(P-I曲线)
DOI :10.16378/j.cnki .1003-1111.2008.11.010
　　将培养的藻液低速离心收获细胞 ,用新鲜的
Conwey培养液重悬 ,调整各组藻液为相似的细胞密
度 ,取 200 ml藻液至反应瓶 ,通过调整碘钨灯与反
应瓶的距离得到不同的光照度 ,温度为 20 °C,用氧
电极测定光合放养速率[ 5] 。
1.3.3　藻体蛋白含量的测量
依据俞是聃[ 8]的方法测定氮含量 。首先测量
藻液中氮的含量 ,然后将藻液离心测上清液氮含
量 ,两者之差为藻体的氮量 。藻体氮含量的 6.27
倍即为藻体内蛋白含量。
2　结果
2.1　补充 CO2对小球藻生长的影响
试验组和对照组小球藻的生长结果见图 1。小
球藻初始细胞密度为 2.79×106 ～ 2.34 ×106 /ml。 t
检验表明 ,在培养的前 4 d试验组和对照组小球藻
细胞密度无显著差异(P>0.05)。从第 5 d开始组
间出现生长差异 ,试验组藻细胞密度显著高于对照
组(P<0.05)。生物量的变化同细胞密度变化一
致 ,在前 4 d组间无差异(P>0.05),从第 5 d开始
试验组的生物量显著高于对照组(P<0.05)。
而且试验组培养小球藻具有较长对数生长期 ,
从第 3 d开始一直持续至第 14 d,共 12 d。而对照
组的对数生长期较短 ,从第 3 d开始至第 12 d结
束 ,只有 10 d。
图 1　补充 CO2对小球藻细胞密度(A)和生物量(B)的影响
2.2　藻细胞中蛋白含量
分别测量了试验组和对照组在对数生长早期
(5、8 d)和后期(12 d)小球藻的蛋白含量(图 2)。t
检验表明 ,第 5、8、12 d试验组小球藻每细胞蛋白含
量(4.10、4.14、1.72 ng)低于对照组小球藻每细胞
的蛋白含量(6.35、6.49、3.14 ng)(P>0.05)。
2.4　光照度对光合作用的影响
测定了试验组和对照组不同培养时间下小球
藻的 P-I曲线及相关参数的影响(图 3、表 1)。
图 2　不同浓度 CO2对藻细胞中蛋白含量的影响
表 1　补充 CO2对小球藻光合作用参数的影响
CO2浓度 培养天数 /d Pm α Ik
高浓度
2 138.1 ±32.1 0.014±0.0019 9783±844
5 153.9 ±20.2＊ 0.026±0.0021＊ 5800±572
8 466.5 ±33.5＊ 0.0029±0.0019＊ 16166 ±1072＊
12 48.5 ±5.3 0.008±0.0016 5694±567
低浓度
2 104.0 ±22.1 0.012±0.0023 8639±678
5 103.95 ±18.6 0.020±0.0016 5172±606
8 172.0 ±15.6 0.024±0.0014 7311±661
12 37.67 ±4.3 0.006±0.0016 6200±606
注:Pm为最大光合速率 [ μmol· (mg· h)-1] ;α为光合作用效率 [ μmol· (mg· h)-1· lx-1] ;Ik为光合作
用饱和光照度 [ lx] ;＊表示试验组显著高于对照组.
571第 11期 张丽莉等:补充 CO2对光生物反应器培养小球藻生长和光合作用的影响
图 3　补充 CO2对小球藻光合作用—光反应(P-I曲线)的影响
(A:2 d;B:5 d;C:8 d;D:12 d)
　　t检验表明 ,在对数生长早期(5、8 d)试验组的
最大光合速率显著高于对照组(P<0.05),静止期
(2 d)和对数生长后期(12 d)组间无显著性差异(P
>0.05)。在对数生长早期(5、8 d),试验组的光合
作用效率显著高于对照组(P<0.05),静止期(2 d)
和对数生长后期 (12 d)组无显著性差异 (P>
0.05)。培养 8 d时试验组的光合作用饱和光照度
显著高于对照组(P<0.05),其他培养时期(2、5、
12 d)组间无差异(P>0.05)。
3　讨论
CO2浓度升高促进小球藻生物量提高 ,这与于
娟等[ 9] 的 CO2浓度加倍对小球藻 、亚心型扁藻
(Platymonassubcordiformis)的结果和吴垠等[ 5] CO2
浓度加倍对湛江叉鞭金藻(Dicrateriazhangjiange-
nis)、盐藻(Dunalielasp.)的结果一致 。本试验的
结果也表明 ,在培养的初期 , CO2浓度的变化对小球
藻的生长影响不显著 ,随着培养时间的延长 ,补充
CO2才对小球藻生物量的影响明显增大。这表明在
培养初期藻细胞生物量低 ,培养液中的 CO2浓度尚
未构成藻细胞生长的限制因子 。但是随着藻细胞
数量的增加 ,对 CO2需求加大。对照组的 CO2供给
已经满足不了微藻的生长 ,成为光生物反应器培养
微藻的限制因子 。这一点同样体现在对数生长期
的长短上 。随着小球藻生物量的增加 , 对照组中
CO2成为小球藻的生长的限制因子 ,致使对照组小
球藻对数生长期较早结束。而在试验组中没有
CO2供给的限制 ,小球藻的对数生长期持续的时间
比较长。
本试验中 CO2含量升高使得小球藻细胞蛋白
含量下降 ,这与于娟 、Mercado等 [ 9-10] 的结果一致。
蛋白含量的下降可能与 CO2含量升高使 Rubisco含
量的下降有关 [ 11] 。
研究结果还显示 ,与大气 CO2浓度条件下培养
相比 , CO2含量提高显著地提高了对数生长期的最
大光合速率 、光合作用效率和光合作用饱和光照
度 ,这与 CO2含量提高导致藻细胞有较高的生物量
是一致的。这一结果与 Shelp、Watanabe等[ 12-13]认
为小球藻能够有效利用外源 CO2而提高光合作用
的结论一致。说明补充外源 CO2可以提高小球藻
对于光能的利用和转化 ,提高光合效率 ,为光合碳
化提供充足的能量 ,进而导致小球藻营养成分的积
累 。CO2是植物光合作用的底物 ,又是光合作用的
主要限制因子之一 。CO2含量升高可在两个方面影
响小球藻的光合作用 ,一方面增加了 CO2对 Rubisco
结合位点的竞争从而提高羧化速度;另一方面通过
抑制光呼吸提高净光合效率[ 5, 14] 。此外 , 张其德
等 [ 15]认为这可能是因为 CO2加倍有利于藻光系统
I的光化学效率的提高 ,光系统 I的光化学效率的
提高有利于将捕获的光能以更高的效率转化为化
学能 ,为光合碳同化提供更充足的能量 。这可能是
CO2浓度加倍有利于光合效率提高的原因之一。
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EfectsofCO2 EnrichmentonGrowthandPhotosynthesis
ofGreenAlgaChlorelavulgaris
ZHANGLi-li1 , WUYin2 , SUNJian-ming3 , WANGGuo-dong1
(1.FisheriesCollege, JimeiUniversity, Xiamen361021, China;2.KeyLaboratoryofMaricultureand
Biotechnology, AgricultureMinistry, DalianFisheriesUniversity, Dalian116023, China;3.DalianHuixin
OceanScience＆TechnologyDevelopmentCo.Ltd, Dalian116033, China)
Abstract:TheefectsofCO2 enrichmentongrowthandphotosynthesisofgreenalgaChlorelavulgariswereinves-
tigatedinairliftphotobioreactors.TheresultsshowedthatceldensityandbiomassofChlorelavulgarissignifi-
cantlyincreasedwhenculturemediumwasbubbledwithenrichedCO2(1000 μl/L)comparedtolowCO2 concen-
tration(350 μl/L).CO2 enrichmentincreasedthelengthofexponentialgrowthphase.Moreover, themaximum
photosynthesisrate(Pm), theinitialslope(α)andsaturatingiradiancelevel(Ik)inexponentialgrowthphase
(8 d)increasedwithCO2 enrichment.However, theproteincontentdecreasedwithCO2 enrichment, whichwas
involvedinthedecreaseinRubisco.
Keywords:Chlorelavulgaris;photobioreactor;CO2 concentration;growth;photosynthesis
(责任编辑:晓　荷)
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