全 文 ：海洋科学/2001年/第 25卷/第 11期32
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研究论文·
光生物反应器中光衰减特征与螺旋藻生长动力学研究 *
徐明芳 周远志 区德洪
(暨南大学生命科学技术学院生物工程系 广州 510632)
提要 分析了光照强度在光生物反应器中的分布特征 。结果表明 , 当光波长及光传播的路
径确定时 , 光生物反应器中光衰减特征主要受培养物生物量浓度的影响 , 由回归的模型对实
验数据的拟合可分析光衰减特征与培养物生物量浓度的相关性 , 为光生物反应器中平均光照
强度的确定奠定基础 。在光生物反应器中 , 当营养底物和环境温度不是螺旋藻生长限制因子
时 , 通过平均光照强度对螺旋藻比生长速率的影响分析 , 结果表明 , 在实验条件下 , 螺旋藻比
生长速率与平均光照强度的动力学模型可用 Aiba光生长抑制方程描述 , 光亲和系数 K s为
238.29μmol/(m2·s), 光抑制系数 Ki为 0.004 93 s·m2/μmol , 光生物反应器中螺旋藻生长的
饱和光照强度出现在 190 ～ 272μmol/(m2·s)的范围内 。
关键词 螺旋藻 ,光衰减 ,光生长动力学 ,光生物反应器
* 广东省自然科学基金资助项目 980022号。
收稿日期:2000-07-05 修回日期:2001-05-08
螺旋藻(蓝藻)是高光效光合自养微藻 。在微藻的
光合作用中 ,光能是通过电子传递及其偶联的光合磷
酸化作用转化成化学能携带在 NADPH和 ATP上 , 然
后再利用它们去同化二氧化碳。二氧化碳固定途径中
的许多酶 , 包括辅酶Ⅱ磷酸甘油醛脱氢酶 、果糖-1 , 6-
二磷酸酶 、核酮糖-1 , 5-二磷酸羧化酶 , 景天糖-1 , 7-
二磷酸酶 、磷酸核酮糖激酶 、丙酮酸磷酸双激酶 、苹果
酸脱氢酶等都受光的活化和调节 ,同时 ,固氮 、硝酸盐
及硫酸盐的还原 、蛋白质的合成及许多其他反应都依
赖于光合作用所提供的能量(腺三磷 ATP 、还原的铁
氧化还原蛋白及还原辅酶Ⅱ)[1 ] 。由此可见 ,光在植物
和藻的生长过程中是必不可少的 。在螺旋藻的培养过
程中 , 藻充分利用了培养基中的所有无机物 , 但其所
需的能量来源则取决于光合作用 。光合作用形成的高
能还原物质和高能量物质 , 不仅用于光合固碳 , 还用
于光合固氮 。因此光是藻和植物生长的必要条件 ,在
其生长和光合作用代谢中有着非常重要的作用 。本研
究以光作为限制性因素 ,分析研究光对螺旋藻生长的
影响 。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 藻种
钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)由深圳农科中心
螺旋藻养殖基地提供 。
1.1.2 合成培养液
为了控制螺旋藻最适生长 , 溶液的 pH值控制在
9.0 ～ 9.5之间 ,采用修正的 Zarrouk培养液 ,选用碳源
为 NaHCO 3-Na 2CO 3缓冲液 ,取代 Zarrouk培养液配方
中唯一碳源 NaHCO 3。
1.1.3 螺旋藻的一级培养及生物反应器培养
取 3 L容量的玻璃瓶若干个 , 按 1%的接种量接
种在 2 L修正 Zarrouk培养液(pH 9.0)中 ,温度 28 ℃,
光辐射强度 30 W/m2 ,经 0.22μm微孔过滤器净化的
空气 , 以 1.5 dm3/min气速连续通气搅拌 、光照培养
6 ～ 8 d后 , 制成浓藻液以便在不同光照条件下进行光
生物反应器扩大培养 。培养基中营养物充足 , 以克服
螺旋藻底物限制性生长 。
1.2 实验设备
光辐射板式光生物反应器(PBR)
光辐射板式光生物反应器 , 其结构如图 1所示 ,
长×宽×高为 250 mm×80 mm×410 mm。总体积 8 L ,
有效装液量 6 L。用 5 cm有机玻璃板卷封制成长方形
结构 , 厚度为 3.0 cm LED(Light Emitting Diodes)光电
辐射板(660 nm)固定于反应器内侧 ,作为内部光源发
射中心 。由于光传播的光径短 ,光电辐射板能有效地
减少光衰减 ,使均匀发射的光能有效透过发光表面直
接照射在浅层藻液上 , 促进光合作用 。同时采用等距
离排列光辐射板 ,由于两板间的藻液 ,两边同时受光 ,
通过 1.5 dm3/min气速连续通气搅拌 ,强化光合作用 ,
克服高密度培养过程中藻细胞间相互遮光效应(见图
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图 2 光强随光路径的变化值
Fig.2 Variation of light intensi ty with light path(I0=325
μmol/(m2· s), X=0.10 g/L)
图 3 光衰减(A t)与藻生物量浓度的变化关系
Fig.3 Variation of light attenuation with biomass concentratio
(I0:326μmol/(m2 · s))
图 1 光生物反应器
Fig.1 Photobioreactor
1)。
1.3 分析和测试方法
1.3.1 螺旋藻生物量测定 根据 Leduy 1979年
的改进法 , 在 560 nm处采用光谱吸收法 , 测定螺旋藻
悬浮液 经 15 kHz超声均质后均质液的光密度值 , 并
换算成藻细胞生物量 X 。
1.3.2 藻的比生长速率 μ测定
在 560 nm下测定藻悬浮均质液的光密度值 , 由
光密度值与藻生物量的换算关系 , 按 Vonsha K.1988
年的方法 ,计算藻的比生长速率 μ。
1.3.3 其他参数测定
光辐射强度 (I):采用具有 LI-190 SB传感器的
Li-COR 550型光辐射强度测定仪测 。
pH值:用 pH S-25型酸度计测定 。
2 结果与讨论
2.1 光衰减特性及平均光强度
2.1.1 在光生物反应器中光照强度随光传播路
径的变化关系
为了研究藻的光生长动力学特征 , 首先需要确定
光辐射强度在反应器中的光分布特征 。在本实验研究
中 , 根据反应器的结构及光电板设置(如图 1), 光辐
射强度随距离的变化如图 2所示 。当初始光辐射强度
为 325μmol/(m2·s),藻生物量浓度为 0.1 g/L时 ,从
图 2可知 , 采用单板光照时 , 当光从光照表面通过光
传播路径为 6 cm时 , 在另一端测的光辐射强度仅为
原发光表面光照强度的 39.9%。而采用双板光照时 ,
当 a , b两光电板板间距为 6 cm时 , 光照强度在 2 ～ 5
cm处趋向平稳 , 且由于双光板光辐射的叠加作用 , 不
仅提高了两板间光照强度 ,而且光在两板间的光分布
较均匀 。因此 , 当光电板两板间的间距设置为 6 cm ,
实验中以两板间中心点的光照强度作为平均光照度
强的测定基准 。由上述分析可知 ,在藻生物量浓度一
定时 , 充分混合的藻液培养体系中 , 由于藻体间的相
互遮光效应 , 光在藻液中传播存在着光衰减现象 , 距
离光照表面越远 , 光的衰减越厉害 , 表明在光生物反
应器中存在光的分布不均匀现象 。当反应器的光电板
结构和设置确定后 ,光衰减则主要取决于藻的生物量
浓度 。
2.1.2 藻生物量浓度与光衰减的特征
高度混合的藻液培养系统 ,光衰减与藻生物量浓
度的关系通常可用 Lambert-Beer′s定律来描述:
I(λ)=I 0(λ)·exp(-Ka(λ)·P ·C),公式经变
换后 ,光衰减表达为 At=Ln(I 0/I)=K a(λ)·P ·C 。
式中 P是光径 , C为藻的生物量浓度 , Ka(λ)为特定
波长下的特性衰减系数。在实验中 ,采用 LED光辐射
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t m a x
t m a x
图 4 实验数据与光衰减模型的拟合结果
Fig.4 The fitting result of light attenuation models and
experimental data
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板(单色波长 λ为 660 nm),当两板间的距离恒定为 6
cm时 , 藻生物量浓度与光衰减的变化关系如图 3所
示 。从图 3中看出 ,藻生物量浓度与光衰减的变化关
系并不完全符合 Lambert-Beer′s定律 。当藻生物量浓
度低于 1.5 g/L时 ,藻生物量浓度与光衰减的变化关
系符合 Lambert-Beer′s定律 , 呈线性相关 , 而当藻生物
量浓度高于 1.5 g/L时 , 藻生物量浓度与光衰减的变
化关系则偏离 Lambert-Beer′s定律 ,呈非线性相关 。这
表明 ,当藻生物量浓度较低时 ,藻体受光均匀 ,藻体间
的相互遮光现象几乎不存在 ,随着藻体浓度的不断提
高 , 光衰减量随藻生物量增加呈线性增加 。但当藻生
物量浓度达到一定值后 , 随着藻体浓度的进一步提
高 , 由于藻体间的相互遮光效应增大及藻体的吸光和
散射作用 , 使光的分布出现不均匀现象 , 光衰减逐渐
增强并趋向稳定 , 光衰减值不再增加 , 这与 Lam-
bert-Beer′s定律的结果是不相符合的 , 因此在高密度
藻的培养过程中 , Lambert-Beer′s定律并不能很好地定
量分析光衰减现象 。这是因为 Lambert-Beer′s定律的
正确使用 , 必须基于 3点假设(1)光在培养液中的传
播方向性不变;(2)辐射单色光;(3)忽略固体颗粒的
光散射现象 。然而在高密度藻的培养过程中 ,不可避
免存在着藻体间的相互遮光效应 、藻丝体的选择性吸
收和光散射现象 ,因而导致光在藻液中的光衰减性与
藻生物量浓度的非线性相关性。
2.1.3 光衰减模型
对于不同藻生物量浓度 , 在实验条件下 , 当采用
一定的 LED光辐射板 , 其单色光波长为 660 nm及
光传播路径为 6 cm时 , 以光电板中心点光照强度
(Ia vg/ Im)为测定基准时 , 在初始光辐射强度为 435
μmol/(m2·s)时 ,光衰减与藻生物量之间的关系采用曲
线模型(图 3)对实验数据进行回归分析 。通过模型检
验 [ 2] , 以相关指数 R2作为衡量拟合曲线效果好坏的
指标 , R2越大 (趋近于 1)则表明曲线拟合的效果越
好 ;用剩余标准差 S e 作为衡量曲线回归的精密度
(表明实验点围绕回归线的离散程度), Se 越小则表
明精密度越高 。
曲线模型(1)式中 A 为最大光衰减值 ,K at(g/
L)为光衰减系数 , At 、C意义同前 。通过 1/A t∽1/C
双倒数变换 , 曲线模型(2)变换为线性方程式(4),用
一元化线性回归法处理实验数据 ,求得到模型参数求
A 为 6.653 1 ,K at为 1.218 7 g/L ,并得到光衰减与
藻生物量间的经验关联模型(5)。
通过模型计算值(实线)与实验结果(数据点)的
拟合效果作图也证明如此 , 结果如图 4所示 。当藻生
物量浓度低于 1.5 g/L , 光衰减规律符合 Lambert-
Beer′s定律 , 呈线性相关;当藻生物量浓度大于 1.5
g/L , 光衰减规律与 Lambert- Beer′s定律则产生明显
的偏差 , 尤其是在高浓度范围内 , 由于藻体间的相互
遮光效应 , 此时透过藻液层平均光强已趋向零 , 光衰
减则趋向最大值 , 并基本维持平衡 。但根据 Lam-
bert-Beer′s定律计算值却随浓度的增加而不断增高 ,
这于实验结果是不吻合的 。这表明在高密度藻的培养
过程中 , 由于藻体间的相互遮光和光散射作用 , Lam-
bert-Beer′s定律对光衰减的解释将产生偏差 , 不利于
正确认识光生物反应器中的光衰减和光分布规律
性 。而采用曲线方程所示的经验模型(2),其计算值与
实验数据点基本相吻合 , 而且通过此经验模型(2)的
结果 , 可知当初始光照强度已知时 , 便能直接估算出
光生物反应器中的平均光强 ,这将有助于进行藻在光
生物反应器中的生长动力学研究 。
2.2 螺旋藻在光生物反应器中的光生长动力学研究
2.2.1 光照强度(I avg)对螺旋藻生长的影响
螺旋藻生长对光辐射强度十分敏感 ,在光生物反
应器中 ,当营养底物和环境温度不是螺旋藻生长限制
因子时 ,光辐射强度对螺旋藻生长及对螺旋藻比生长
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图 5 光照强度 Iavg对螺旋藻生长的影响
Fig.5 Effect of light intensity on growth of Spirulina
图 6 光照强度 Iavg对螺旋藻比生长速率的影响
Fig.6 Effect of light intensity on special growth rate of
Spirulina
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速率的影响如图 5及图 6所示。
在实验条件下 , 由图中看到 , 藻的生物量浓度
(X)及比生长速率(μ)在一定光强度范围内 ,随着光照强
度的增加而增加。当光照强度从 54μmol/(m2·s)增
加到 272μmol/(m2·s), 经过 18 d的培养 , 藻的最终
生物量浓度从 0.8 g/L增加到 2.3 g/L ,藻的比生长速
率从 0.18 d -1增加 0.35 d -1 (当藻的初始生物量 X 0
为 0.1 g/L时),这表明在光照强度尚未达到饱和光照
强度(光合作用程度达到最高时的光照强度)之前 ,光照
强度决定其生长速率;而当光照强度超过一定值时 ,
如图 5所示 ,若光照强度为 435 μmol/(m2·s)时 ,藻
的最终生物量浓度仅为 1.41 g/L , 藻的比生长速率为
0.30 d -1 , 藻的最终生物量浓度和藻的比生长速率这
两者都在高光照强度条件下 , 呈下降趋势 , 表明此时
藻的生长受到光的影响和控制 。
植物的饱和光照强度是指植物光合作用程度达
到最大值时的光辐射强度 , 不同的藻种和不同的接种
浓度 ,各有其不同的饱和光照强度 。在相同的光照实
验条件下 ,当螺旋藻的初始生物量 X 0为 0.1 g/L时 ,
由图 6中可知 , 当光照强度超过光饱和点以前 , μ-I avg
曲线呈陡峭上升趋势 , 螺旋藻的比生长速率(μ)随着
I avg的增大显著增加 , 表明螺旋藻生长对光照强度具
有很高的亲合性 , 此时 , 螺旋藻的生长主要受光照强
度的控制 。从图 6中可知 , 螺旋藻生长的饱和光照强
度在 190 ～ 272μmol/(m2·s)出现 ,此时 ,螺旋藻的比
生长速率趋于恒定值;当光照强度超过光饱和点以
后 , 螺旋藻生长则受到光照强度抑制 , 最终生物量浓
度及μ-Ia vg曲线都呈现下降趋势 , 随着光辐射强度的
进一步增加 , 下降的幅度逐渐增大 , 即存在高光强的
光抑制现象 。对光合器官的碳代谢和氧代谢的研究表
明 [6 ] , 藻类在饱和光照强度以上的光抑制现象的本质
是光氧化 。这种现象的产生可能是高光照强度影响光
合色素系统中反应中心 , 出现反应中心 PS Ⅱ中的 D1
蛋白质的降解 , 使光系统Ⅱ的活性丧失 [3 ] , 同时也抑
制核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶的活性 , 使其在高光
下发生光适应性调节 , 从催化光合碳还原 (PCR即卡
尔文循环)偏向催化光呼吸碳氧化(PCO 即光呼吸)
过程 , 使藻细胞所固定碳素的一部分(大约在 25%～
50%)被光呼吸消耗 , 导致藻的生物量和比生长速率
下降 [4 ] 。
2.2.2 螺旋藻的光生长动力学
以上实验表明 ,在培养条件(温度 30 ℃、pH 9.0 、
X 0为 0.1 g/L)条件确定后及非生长限制营养成分过
量的情况下 ,螺旋藻的比生长速率及光合放氧和光合
产物形成主要与其生长限制性因素———光照强度密
切相关 [5 ] 。为了描述螺旋藻生长过程及提供优化控制
模型 , 必须对螺旋藻的光生长动力学进行研究 。选择
具有普遍意义的Monod(6)及 Aiba 1982年的方程(7)
对螺旋藻的比生长速率与其生长限制性基质 ———光
照强度之间的关系进行分析 ,以便得到螺旋藻的光生
长动力学模型 。Monod(6)及 Aiba(7)方程分别表达如
下:
式中 μmax为最大比生长速率 (d -1);I avg 为平均
光照强度(μmol/(m2 ·s));K s 、K I为光亲合系数
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(μmol/(m2·s));K i为光抑制系数(s ·m2/μmol)。动力
学模型选定后 , 采用动力学方程式与实验数据进行拟
合 , 确定模型中动力学参数 , 以表征螺旋藻培养过程
中的特征性 。
分批培养得到的数据(μi , I avg i)对Monod方程 ,采
用方程变化为线性函数的方法估算模型参数 , 将
Monod方程(6)变形得(8)式 ,通过双倒数 1/μ及 1/I avg
变换为线性关系 , 可用一元化线性回归法处理实验数
据 , 得到模型参数 μmax为 0.418 d -1 、K s为 10.87 g/L
及回归方程(9)。
采用 Aiba(7)方程描述的螺旋藻光抑制生长动力
学模型 , 这是无法线性化的非线性模型 , 为此直接进
行非线性回归 , 采用最优步长因子与改进牛顿最小二乘
法进行非线性模型参数的估算[ 2] , 拟合出模型参数特
性值 μmax 为 1.136 d -1 ,K s为 238.29μmol/(m2·s),
K i为 0.004 93(s·m2)/μmol及拟合方程(10)如下:
分析Monod方程和 Aiba方程拟合的模型 ,结果表
明 , 采用 Aiba光抑制动力学模型表征螺旋藻的生长
动力学 ,具有较大的 R2值及很小的剩余标准差 Se ,实
验结果和模型计算值拟合效果较好 , 并与Monod方程
拟合的结果有显著的差异性 , 尤其在高光照强度范围
内偏差较大 。模型计算值 (Monod , Aida)与实验点
(Exp.data , )的拟合结果如图 7所示 。从 Aiba方程拟合
的模型分析可知 , 在实验条件下 , 当光照强度低于饱
和光强度以前 , 光亲合系数 K s越大 , 表明螺旋藻的
生长对光照强度的亲合性越高 , 此时螺旋藻处于光促
生长加速阶段 。螺旋藻的比生长速率主要取决光照强
度的大小 , 光照强度越大 , 螺旋藻的比生长速率越
高 。随着光照强度的进一步增高 , 当光强度接近光饱
和点时 , 螺旋藻的比生长速率升高减慢并趋于稳定 ,
此时 , 其光照强度是螺旋藻生长的最适光强 , 而饱和
光强度的大小主要受 K s的影响 。当光照强度大于饱
和光强度 , 螺旋藻的比生长速率呈缓慢下降趋势 , 比
生长速率下降的快慢程度则取决于 Ki的大小 , 此时
螺旋藻处于光抑制性生长阶段 , 这与实验结果是相吻
合的 。通过螺旋藻光生长动力学模型的研究表明 , 当
培养参数和条件(光照强度)调节和改变时 ,为实现螺
旋藻在光生物反应器中优化培养及计算机自动控制
奠定理论基础 。
图 7 光照强度与螺旋藻比生长速率实验数据
与模型值拟合
Fig.7 The fitting resul t of models andexperimental data between
light intensity on special growth rate of Spirulina
参考文献
1 中国植物生理学会编辑。光合作用研究进展(第 3集)。
北京:科学出版社 , 1984。 1～ 7
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Marine Sciences/Vol.25, No.11/2001 37
STUDIES ON LIGHT ATTENUATION AND DYNAMICS OF
Spirulina platensis′s GROWTH IN THE PHOTOBIOREAC-
TOR(PBR)
XU Ming-fang ZHOU Yuan-zhi OU De-hong
(Department of Bioengineering , J inan University , Guangzhou ,510632)
Received:July , 5, 2000
Key Words:Light attenuation , Growth dynamics , Photobioreac tor , Spirulina
Abstract
Light attenuation in the PBR is the basis for the research of Spirulian platensis′s growth dynamics.This paper analyzed
the property of light intensity distribution in the PBR , the results show that the light attenuation were affected mainly by the
biomass concentration in the PBR when the light wavelength and transferring path are given , the correlation between light
attenuation and algal biomass concentration will be obtained by fitting the experiment dates and model value by use of
regression analysis method and the average light intensity in the PBR will be estimated from this correlative model.Ana-
lyzing the effect of the average light intensity on the specific growth rate of S.platensis ,we found that growth dynamics of
the average light intensity and S.platensis′s specific growth rate can be expressed by the Aiba model which considered the
effect of light inhibition.The results indicated that Algal specific growth rate decreased when the average light intensity are
above the saturation light intensity at the range of 190-272μmol/(m2·s).The model parameters of the light affine coef-
ficient(Ks)of 238.29μmol/(m2·s)and light inhibition coefficient(K i)of 0.004 93(s·m2)/μmol were estimated by
means of non-Linear regression least-square method . (本文编辑:张培新)
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