全 文 ：第 31卷　第 1期
2010年 3月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
JournalofInnerMongoliaAgriculturalUniversity
Vol.31　No.1
Mar.2010
秋季温室螺旋藻光合速率 、呼吸速率日动态＊
巩东辉 1, 2 , 　乔　辰 1
(1.　内蒙古农业大学农学院 ,呼和浩特　 010019;2.　内蒙古科技大学生物技术研究所 ,包头　014010)
摘要:　以鄂尔多斯高原碱湖的钝顶螺旋藻(S1)和 2个引进种(非洲乍得湖钝顶螺旋藻 S3 、墨西哥 SosaTexcoco湖的
极大螺旋藻 S4)为实验材料 , 对秋季温室螺旋藻光合速率 、呼吸速率日动态进行了测定。结果表明:在温室中秋季晴
天螺旋藻的光合速率日变化由于出现光抑制而呈严重型双峰曲线;多云和阴天螺旋藻的光合速率与光强成正相关 ,
呈单峰曲线;螺旋藻的呼吸速率随藻液温度的升降而升降。全天光合产物的总积累量 S1要略高于 S3 、S4。
关键词:　螺旋藻;　光合速率;　呼吸速率
中图分类号:　Q945.11　　　文献标识码:　A　　　文章编号:1009-3575(2010)01-0131-05
DAILYVARIATIONOFPHOTOSYNTHETICRATEANDRESPIRATORYRATEOFSpirulinaINGREENHOUSEINAUTUMN
GONGDong-hui1, 2 , 　QIAOChen1
(1.　ColegeofAgronomy, InnerMongoliaAgriculturalUniversity, Huhhot010019, China
2.　BiotechnologicalInstitute, USTInnerMongolia, Baotou014010, China;)
Abstract:　ThetestsofdailyvariationofphotosyntheticrateandrespiratoryrateofSpirulinaingreenhouseinautumnwereconducted
usedS.(A.)erdosensisandtwointroducedspecies(S.(A.)platensis, S.(A.)maxima)asexperimentalmaterial.Theresults
showedthatthedailyvariationofphotosyntheticratewasabimodalcurveundertheinhibitionofHPPFDinasunnydayingreenhouse
inautumn;thephotosyntheticratewaspositivecorrelationwithPPFDincloudydayandovercastday, thecurvewasaone-peakcurve
paten;therespiratoryratechangedfolowedthechangeoftemperature.ThetotalphotosyntheticproductofS
1
washigherthanthatofS
3andS4.Keywords:　Spirulina;　photosyntheticrate;　respiratoryrate
　　螺旋藻是可以进行光合作用的 1类原核生
物 [ 1] ,其蛋白质含量高 、营养均衡 ,且在抗肿瘤 、抗辐
射等方面表现出良好的功效[ 2] ,因而被认为是 1种
理想的保健食品 。在 20世纪 70年代初由 SosaTex-
coco公司兴建了世界上第 1座螺旋藻工厂 ,开始了
大规模的工厂化养殖 [ 3] 。目前国内外工厂生产所用
的藻种分别为来自于非洲乍得湖的顿顶螺旋藻和产
于墨西哥 SosaTexcoco湖的极大螺旋藻。以鄂尔多
斯高原碱湖发现的钝顶螺旋藻 S.erdosensis(注:是
目前国内发现具有产业化前景唯一的低温藻种)
[ 4]和两个引进的产业化种(S.piatensis、S.maxima)为
实验材料 ,系统比较其在温室养殖中四季光合速率
和呼吸速率的日变化 ,此研究对于丰富螺旋藻光合
生理研究以及鄂尔多斯高原碱湖钝顶螺旋藻温室产
业化养殖具有重要的理论和实践意义。本文对秋季
不同天气螺旋藻光合速率和呼吸速率的日变化进行
了测定 ,为螺旋藻秋季温室养殖提供一些理论依据 。
1　材料与方法
1.1　材料
实验所用藻种见表 1。
＊ 收稿日期:　2009-12-31基金项目::　国家自然科学基金项目(30460104);作者简介:　巩东辉(1976-),男 ,博士研究生 ,讲师 ,主要从事藻类生理 、生化及分子生物学研究.
表 1　实验材料一览表
Tab.1 TheMaterialsusedintheexperiment
样品代号 物种 产地 来源
S
1
钝顶螺旋藻
Spirulina(Arthrospira)platensis 毛乌素沙地碱湖 内蒙古农业大学
S3 钝顶螺旋藻S.(A.)platensis 非洲乍得湖 南京大学生物科学与技术系
S4 极大螺旋藻S.(A.)maxima 墨西哥 SosaTexcoco湖 南京大学生物科学与技术系
　注:下文对应样品代号以此表为准
1.2　实验方法
1.2.1　螺旋藻的培养　采用 Zarouk培养液[ 5] ,其
中氮源用尿素代替原配方中的硝酸钠。在自然光照
条件下通空气培养至对数生长期 ,光暗周期 12h:12
h。(注:温室为南北朝向 ,窗口朝南 ,砖混结构 。)
1.2.2　螺旋藻净光合速率日变化的测定　在秋季
的晴天 、多云和阴天天气条件下 ,取对数生长期的鲜
藻 0.1g,从早 6:00时到晚 18:00时 ,自然照光 0.5h,
采用 Winkler氏法测定水中的溶解氧 ,计算螺旋藻的
净光合速率(具体方法参张志良 [ 6]略有改动), 1h测
定 1次 ,每个样品 3次重复 。
2　结果与分析
2.1　秋季晴天螺旋藻光合速率和呼吸速率的日动
态
从图 1可以看出 , S1、S3和 S4的光合速率日变
化呈双峰曲线 , 9:00 (光强 306.0μmol/m2· s、藻液
温度 17.5℃)时均达到第 1个高峰 ,分别为 75.12
mgO2 /gDW· h、 67.04 mgO2 /gDW· h和 69.03
mgO2 /gDW·h,高低排列顺序为 S1 >S4 >S3;之后光
强急剧上升 ,在较长一段时间即 10:00 ～ 14:00,光强
维持在 1 170μmol/m2· s～ 1 392μmol/m2· s之间 ,
S1 、S3和 S4的光合作用均受到严重的抑制 ,光合速
率分别降为 8.17mgO2 /gDW· h～ 9.76 mgO2 /gDW
· h、 5.46mgO2 /gDW· h～ 7.50 mgO2 /gDW· h和
2.12mgO2 /gDW· h～ 3.14 mgO2 /gDW· h范围 ,其
中 S1在此段时间内光合速率的总和分别比 S3和 S4
平均高出 45.0%和 280.0%;14:00时后的光强逐渐
减弱 ,光抑制程度也随之减小 ,螺旋藻光合速率又逐
渐上升 , 15:00时(光强为 450 μmol/m2· s、藻液温
度 17.9℃)时出现了第 2个高峰 ,此时 S1 、S3和 S4
光合速率分别为 37.80mgO2 /gDW· h、27.67 mgO2 /
gDW·h和 29.40 mgO2 /gDW·h;超过 15:00以后 ,
螺旋藻的光合速率随光强的减弱而降低 , 18:00时光
强降为 19.6μmol/m2·s(藻液温度 17.3℃), 3个样
品的光合速率均为零 。 3个样品的光合日时段在
7:00 ～ 17:00。
—○—S
1
—★—S
3
—△—S
4
— ×—光强
图 1　秋季晴天螺旋藻净光合速率日变化
Fig.1 Dailyvariationofnetphotosyntheticrateof
Spirulinainasunnydayinautumn
—○—S1—★—S3—△—S4—━—藻液温度
图 2 　秋季晴天螺旋藻呼吸速率日变化
Fig.2Dailyvariationofrespiratoryrateof
Spirulinainasunnydayinautumn
132 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　2010年
　　从图 2可以看出 , 6:00时 , S1、S3和 S4的呼吸速
率分别为 8.31 mgO2 /gDW·h、10.60mgO2 /gDW· h
和 13.58 mgO2 /gDW· h;12:00时均达到最大值 ,分
别为 8.82 mgO2 /gDW· h、11.04 mgO2 /gDW· h和
14.02 mgO2 /gDW· h, 比 6:00时增加了 6.1%、
4.2%和 3.2%,其中 S1的增加最大 。在 6:00 ～ 18:
00时段 , 3个样品呼吸速率高低排列始终是 S4 >S3
>S1。
2.2　秋季多云天气螺旋藻光合速率和呼吸速率的
日动态
—○—S1—★—S3—△—S4— ×—光强
图 3　秋季多云天气螺旋藻净光合速率日变化
Fig.3 Dailyvariationofnetphotosyntheticrateof
Spirulinainacloudydayinautumn
—○—S1—★—S3—△—S4—━—藻液温度
图 4　秋季多云天气螺旋藻呼吸速率日变化
Fig.4Dailyvariationofrespiratoryrateof
Spirulinainacloudydayinautumn
—○—S1—★—S3—△—S4— ×—光强
图 5　秋季阴天螺旋藻净光合速率日变化
Fig.5 Dailyvariationofnetphotosyntheticrateof
Spirulinainaovercastdayinautumn
—○—S1—★—S3—△—S4—━—藻液温度
图 6　秋季阴天螺旋藻呼吸速率日变化
Fig.6 Dailyvariationofrespiratoryrateof
Spirulinainaovercastdayinautumn
　　从图 3可以看出 , 6:00 ～ 7:00、光强 3μmol/m2
· s～ 18μmol/m2· s和藻液温度约为 16℃时 , 3个样
品的光合速率均为零;从 8:00开始随着光强的增
大 ,光合速率增加;12:00时光强达到最大 190μmol/
m2·s,藻液温度 16.8℃时 , S1、S3和 S4的光合速率
也达到顶峰 , 分别为 57.22 mgO2 /gDW· h、50.12
mgO2 /gDW· h和 52.15 mgO2 /gDW·h;之后随着光
强急剧下降 ,光合速率也下降;17:00时 ,光强和光合
速率都为零 。 3个样品的光合速率日变化均呈典型
的单峰曲线 ,与光强日变化规律相一致。 3个样品的
光合日时段为 8:00 ～ 16:00 ,比晴天的一早一晚各缩
短 1 h。多云天气时 , 3个样品光合产物的日积累量
约为晴天 84% ～ 114%,其中 S4的百分比最高 , S1的
最低。
从图 4可以看出 ,秋季多云天气时 , S1 、S3和 S4
的呼吸速率日变化分别在 7.92 mgO2 /gDW· h～
8.45mgO2 /gDW· h、 10.47 mgO2 /gDW· h～ 10.96
mgO2 /gDW· h和 13.55 mgO2 /gDW· h～ 13.62
mgO2 /gDW· h之间 ,与晴天的相比均略低一些 ,这
与藻液温度略低一点是一致的。
133第 1期　　　　　　　　　　　　　巩东辉等:　秋季温室螺旋藻光合速率 、呼吸速率日动态
2.3　秋季阴天螺旋藻光合速率和呼吸速率的日动
态
从图 5可以看出 , 3个样品的光合速率日变化呈
单峰曲线 ,且随着光强的升降而升降 。 6:00时 ,螺旋
藻的光合速率均为零;7:00时光强为 27 μmol/m2·
s, S1 的光合速率为零 , 而 S3 和 S4 分别为 1.25
mgO2 /gDW· h和 1.32 mgO2 /gDW· h;从 8:00开
始 ,随着光强的增加 ,光合速率也升高;11:00时 , S1、
S3和 S4 的光合速率均达到峰值 , 分别为 30.45
mgO2 /gDW· h、 28.50 mgO2 /gDW· h和 27.57
mgO2 /gDW· h,分别为秋季晴天最高值的 40.5%、
42.5%和 39.9%;之后随着光强的下降 ,光合速率也
下降 , 16:00时降为零。由于光强弱和光照时间短 ,
造成阴天的光照不足 ,这是 3个样品光合速率低的
主要生态因子。阴天时 , 3个样品光合产物的日积累
量为晴天 46% ～ 61%,其中 S4的百分比最高 , S1的
最低。
从图 6可以看出 ,秋季阴天时 3个样品的呼吸
速率日变化呈钟形曲线 , 14:00时达到最高 ,且与藻
液温度的日变化相一致。 S1 、S3和 S4的呼吸速率日
变化范围分别在 7.82mgO2 /gDW· h～ 8.60 mgO2 /
gDW·h、10.41mgO2 /gDW·h～ 10.84 mgO2 /gDW·
h和 13.50mgO2 /gDW· h～ 13.65 mgO2 /gDW· h之
间 ,与晴天的相比略低 。
2.4　秋季不同天气下 , 3个样品光合速率与光强 、藻
液温度的相关性
采用 SPSS软件对秋季不同天气下的 3个样品
光合速率日动态与光强 、藻液温度日动态进行了相
关性分析(表 2)。在秋季不同天气下 ,无午睡的
光合速率日动态呈单峰型中(多云和阴天),光强与
光合速率均呈极显著的相关性(P<0.01);而产生
“午睡”的光合速率日变化双峰型中 ,在非 “午睡”时
段内 ,光强与光合速率呈极显著 (P<0.01)的正相
关;在 “午睡”时段内 ,光强与光合速率之间均呈极显
著(P<0.01)的负相关 。秋季任何天气下藻液温度
与光合速率的日动态之间均无相关性(P>0.05)说
明 ,秋季晴天在室内培养螺旋藻时 ,光强是影响光合
速率的主要因子 。
表 2 　秋季不同天气下 , 3个样品光合速率与光强 、藻液温度的相关性
Tab.2 Therelavityofphotosyntheticrate, temperatureandPPFDofthreesamplesinautumn
季节 不同天气 　　　S1　　　 　　　S3　　　 　　　S4　　　光强 藻液温度 光强 藻液温度 光强 藻液温度
秋 晴天 0.920＊＊ , -0.983＊＊ -0.037 0.986＊＊, -0.962＊＊ -0.003 0.975＊＊ , -0.974＊＊ -0.110
多云 0.956＊＊ 0.414 0.940＊＊ 0.457 0.929＊＊ 0.467
阴天 0.959＊＊ -0.059 0.958＊＊ -0.021 0.943＊＊ -0.086
　　注:采用 SPSS软件处理 ,每格中只有 1个数字的 , n=13;每格中有 2个数字的 , n=7, 第 1个数字为非 “午睡”期间的正相
关系数 , 第 2个数字为 “午睡”期间的负相关系数;＊:P<0.05, ＊＊:P<0.01
2.5　藻液温度动态与呼吸速率动态的关系
采用 SPSS软件对秋季不同天气下的 3个样品
呼吸速率动态与藻液温度动态进行了相关性分析。
除了多云天气 , S3的呼吸速率与藻液温度不相关外 ,
其余的都与藻液温度之间均存在着显著(P<0.05)
或极显著(P<0.01)的相关性 ,且极显著的所占比
例明显高于显著的。
表 3 　秋季不同天气下 3个样品的呼吸速率日变化与藻液温度的相关性
Tab.3 Therelavityofrespiratoryrateandtemperatureofthreesamplesinautumn
季节 不同天气 S1 S3 S4
秋 晴天 0.896＊＊ 0.791＊ 0.924＊＊
多云 0.958＊＊ 0.746 0.858＊
阴天 0.967＊＊ 0.985＊＊ 0.984＊＊
　　注:采用 SPSS软件处理 , n=7, ＊:P<0.05, ＊＊:P<0.01
134 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　2010年
2.6　呼吸速率和光合速率的关系
以晴天为例 ,对秋季 3个样品的呼吸速率和真
光合速率进行了比较(表 4)。其呼吸速率(RR)和
真光合速率(Pt)比值(RR:Pt)为 33.0% ～ 53.1%;
从样品来看 , 在秋季 RR:Pt均是 S1 的最低 , 为
33.0%;S3次之 ,为 45.6%;S4最高 ,为 53.1%。
表 4　秋季晴天时 3个样品的真光合速率
和呼吸速率的平均值
Tab.4Themeanvaleofturephotosyntheticrate
andrespiratoryrateofthreesamples
inasunnydayinautumn
样品 S1 S3 S4
Pt/(mgO
2
/gDW· h) 25.73 23.55 26.00
RR/(mgO2 /gDW· h) 8.50 10.75 13.81
RR:Pt/ % 33.0 45.6 53.1
　　注:Pt代表真光合速率;RR代表呼吸速率
3　讨论
3.1　螺旋藻呼吸速率与藻液温度日动态
以上分析说明 ,螺旋藻呼吸速率的季节和日动
态与藻液温度的季节和日动态关系十分密切 ,即随
着藻液温度的升降引起呼吸速率增减。由于温度直
接影响呼吸酶的活性 ,从而间接影响到呼吸作用。
在一定温度范围内 ,呼吸速率随着温度的升高而增
加 ,达到最大值后 ,继续增大温度 ,呼吸速率反而下
降 。作者的研究是在温室条件下进行 ,藻液温度的
变化范围是 15.3℃ ～ 23.7℃,均低于 3个样品呼吸
作用的最适温度 40℃,故呼吸速率与藻液温度呈正
相关是不难理解的。
3.2　螺旋藻呼吸作用与光合作用的比率
关于螺旋藻呼吸作用与光合作用的比率(RR:
Pt),有人报道在 20℃是 1%, 45℃是 4.6% (Van
Liere和 Mur1979)[ 7] ,该值与户外养殖螺旋藻所得
RR:Pt要低得多(Vonshak1997)[ 8] 。从作者研究的
结果来看 ,在秋季中 3个螺旋藻样品的 RR:Pt在
33.0% ～ 53.1%的范围内 , 该比值比 VanLiere和
Mur(1979)的高得多 ,这可能与测定的方法有一定
的关系 。
3.3　温室结构与光强和温度变化
作者实验用温室为坐北朝南的砖混结构 ,南向
开窗 ,与塑料大棚温室相比其进入温室的光照时常
要短 ,由于光照引起的藻液温度变化幅度也较小。
在实际的塑料大棚养殖螺旋藻过程中 ,由于强光胁
迫导致的光抑制程度和时长都要大于本实验结果。
4　结论
从实验结果及统计分析看出:
4.1　光强比藻液温度与光合速率的相关性要密切
得多 , 说明在温室条件下 ,对螺旋藻光合速率的影
响 ,光强要比藻液温度大得多。
4.2　在 “午睡 ”情况下 ,中午时段的强光与螺旋藻光
合速率之间呈极显著负相关 ,而藻液温度与光合速
率之间无相关性。说明 , “午睡 ”与藻液温度关系不
大 ,而与中午时段的强光胁迫有直接的关系。
4.3　藻液温度对螺旋藻呼吸速率的影响大于对光
合速率的影响。
4.4　S1属于高抗强光辐射 、低呼吸速率的螺旋藻优
良品系 。
参　考　文　献:
[ 1] 　HuHJ, etal.ChineseFreshWaterAlgae.Shanghai:
ShanghaiScienceandTechnologyPress, 1979
[ 2] 　徐惠 , 于志洁 , 苏富强 , 等.螺旋藻多糖对 60Co射线
照射小鼠的免疫学作用 〔J〕.辐射研究与辐射工艺学
报 , 1997, 15(3):186-188
[ 3] 　胡鸿均.螺旋藻生物学及生物技术原理〔M〕.北京:
科学出版社 , 2003
[ 4] 　乔辰 , 李博生 , 曾昭琪.2001.鄂尔多斯沙区碱湖与
螺旋藻资源〔J〕.干旱区资源与环境 , 15(4):86-91
[ 5] 　 ZarroukC.Contributionà Iétuded′unecyanophycée.
Influencedediversesfacteursphysiquesetchimiquessur
lacroissanceetphotosynthesisdeSpirulinamaxima
(SetchetGardner)Geitler.Ph.D.Thesis, Universityof
Paris, France, 1966, 74
[ 6] 　张志良.植物生理学实验指导(第二版)〔M〕.北京:
高等出版社 , 2000, 118-122
[ 7] 　 VanLiereL., MurL.GrowthkineticsofOscilatoria
agardhigomotincontinuousculturelimitedinitsgrowth
bythelightenergy.J.Gen.Microbiol.1979:115, 153
[ 8] 　 VonshakA.OutdoormassproductionofSpirulina:the
basicconcept.In:VonshakA.Spirulinaplatensis(Ar-
throspira)physiology, cell-biologyandbiotechnology.
Taylor＆FrancisLtd, London.1997:79-97
135第 1期　　　　　　　　　　　　　巩东辉等:　秋季温室螺旋藻光合速率 、呼吸速率日动态