全 文 ：高浓度CO2 对极大螺旋藻生长和光合作用的影响
夏建荣　高坤山
(汕头大学海洋生物实验室 ,汕头　515063;中国科学院水生生物研究所 ,武汉　430072)
摘要:以极大螺旋藻作为实验材料 , 研究了高 CO2 浓度对极大螺旋藻的生长和光合作用效
应 ,结果表明在高光强下(400μmol m-2s-1), 高浓度 CO2 对其生长和光合作用有明显的影
响 ,高浓度 CO2 培养下 ,螺旋藻的比生长速率是低浓度 CO2 培养的 1.2 倍;而在低光强下 , 高
浓度 CO2 对其生长和光合作用无明显影响。两种不同 CO2 浓度和光强下培养的极大螺旋
藻 ,在不同的生长时期 , 分别测定其 P-I 曲线 ,结果表明低光强下培养的极大螺旋藻 , 在 5d、
8d、11d ,两者的 Ik、α值均无显著差异 , Pmax在第 5d、11d 差异不显著 , 但在第 8d 有显著差异。
而在高光强培养条件下 ,第 8 、11d 通高浓度 CO2 培养的极大螺旋藻 , 其 Pmax 、α值明显大于通
低浓度 CO 2培养的极大螺旋藻 , 但两者在第 5d无明显差异。
关键词:极大螺旋藻;CO2;生长;光合作用
中图分类号:Q945　文献标识码:A　文章编号:1000-3207(2001)05-0474-07
藻类与高等植物一样 ,在细胞内利用核酮糖二磷酸羧化氧化酶固定 CO2 ,但其光合作
用的碳源并不限以 CO2 ,有些藻类具有利用 HCO-3 的能力 ,即通常借助细胞表面的碳酸
酐酶将 HCO-3 转化为 CO2 ,并加以固定[ 1] 。由于 CO2 是光合作用的底物 ,所以人们在藻
类培养过程中经常添加高浓度的 CO2 。小球藻培养液中添加高浓度 CO2 ,其生长明显加
快[ 2] ;在条斑紫菜 、江篱的培养过程中添加不同浓度的 CO2(350—1600μl·L-1),添加浓度
越高 ,紫菜 、江篱的生长越快[ 3、4] 。林惠民等研究发现盐泽螺旋藻在培养液中添加 2.5%
CO2 ,其世代时间明显缩短[ 5] 。但研究者又发现高浓度 CO2培养条件下 ,其光合生理特征
与通低浓度 CO2 相比 ,有明显的变化 ,主要表现在对 CO2 的亲和力下降 , pH 补偿点下降
和CO2补偿点升高[ 6] 。
螺旋藻作为一种高蛋白的保健食品已经越来越受到人们的欢迎 ,许多国家和地区纷
纷开展大规模的培养实验和商品性生产[ 7、8] 。在螺旋藻培养过程中 ,供给充足的碳源对
于维持其快速生长非常重要 。一般人工大量培养螺旋藻 ,以 NaHCO3 的方式供给碳
源[ 9 ,10] ,但以此方式供给碳源 ,培养成本偏高 ,而若在培养过程中适当添加高浓度 CO2 ,既
收稿日期:2000-03-17;修订日期:2001-04-02
基金项目:国家杰出青年基金资助项目(39625002);国家自然科学基金重点项目(39830060);中国科学院淡水生
态与生物技术重点实验室基金
作者简介:夏建荣(1968—),男,浙江海宁人;汕头大学海洋生物实验室助理研究员 ,中国科学院水生生物研究所
在职博士生;从事藻类生理生化方面的研究
第 25 卷 第 5 期
2 0 0 1 年 9 月
水 生 生 物 学 报
　 　 　 　 ACTA HYDROBIOLOGICA SIN ICA 　 　 　 　
Vol.25 , No.5
Sep ., 2 0 0 1　
可以大幅度降低成本 ,又使碳源利用率得到提高[ 11] 。但有关螺旋藻培养液中添加高浓度
CO2 后对极大螺旋藻的光合生理效应的影响还未见详细报道 ,本研究的目的是探讨添加
高浓度 CO2 对极大螺旋藻生长和光合特征的影响 ,因为在其它植物中低光强和高光强条
件下有所不同 ,所以设两种光强 ,以观察 CO2 的真实效应。
1　材料与方法
1.1　材料　极大螺旋藻(Spirulina max ima Setch.et Gardn)藻种由中国科学院典型培
养物保藏委员会淡水藻种库提供。0.5%CO2由汕头气体厂提供。
1.2　生物量测定　将培养至对数期的等量藻种(生物量密度 0.089mg·L-1),分别接入 2
个1000mL 培养瓶 , 置于 30℃的培养箱中 ,光暗周期 =12∶12 , 实验分两组:1)光强
100μmol m-2s-1 ,分别通低浓度 CO2(空气)和高浓度 CO2(含 0.5%CO2 的空气),流量为
0.3—0.4Lmin-1 。2)光强 400μmol m-2s-1 ,低浓度 CO2(空气)和高浓度 CO2(含 0.5%
CO2 的空气),流量为 0.3—0.4Lmin-1 。每隔 1d取 10mL 藻液 ,过滤 ,在 80℃的烤箱烤
24h ,测定干重(DW)(每组三个重复)。
比生长速率(μ)=(log 2DW t2-log 2DW t1)/ t 2-t 1
1.3　P-I曲线的测定　将等量的藻种分别接入 2个 200mL 培养瓶 ,在以上 1.2的条件
下培养 ,分别在第 5d 、8d 、11d ,取一定量的藻液过滤 ,在藻泥中加入新鲜培养基 ,使藻液的
叶绿素浓度达到 2.5μgmL-1 。光合速率测定在反应槽中进行 ,水温 30℃,不同的光强下
(光照由碘钨灯提供 ,光强通过调节光源与反应槽的距离来控制),用氧电极测定光合放氧
量。按 MacKinney[ 12]方法测定叶绿素 a。
2　结果
2.1　高浓度 CO2对极大螺旋藻生长的影响
从图 1 、表1可知 ,低光强下 ,培养 12d后 ,通低浓度 CO2和高浓度CO2 培养的藻的生
物量密度分别为 2.18g(DW)L-1和 2.33g(DW)L-1 ,比生长速率分别为 0.294d-1和
0.319d-1 ,两者无明显差异(P>0.05)。而在高光强下 ,培养 12d后 ,两者的生物量密度
分别为 2.69g(DW)L-1 、4.32g(DW)L-1 , 后者是前者的 1.6 倍 , 比生长速率分别为
0.394d-1和 0.475d-1 ,两者有显著差异(P<0.05)。由此可见 ,高光强下 ,培养液中通入
高浓度的 CO2 ,对极大螺旋藻的生长有很大的促进作用 ,而低光强下 ,高浓度 CO2 培养对
极大螺旋藻生长的影响不大。
表 1　不同培养条件下极大螺旋藻比生长速率
Tab.1　Specific grow th rate of S .maxima in diff erent culture condit ions
Parameter
Light intensity
μ(specific growth rate)
(100μmol m-2s-1)
μ(specifi c grow th rate)
(400μmol m-2s-1)
0.035%CO 2 0.294±0.044 0.394±0.079
0.5%CO 2 0.319±0.048 0.475±0.075
T -tes t(n=3) P>0.05 P<0.05
4755 期　　　　　　夏建荣等:高浓度 CO2 对极大螺旋藻生长和光合作用的影响
图 1　低光与高光强条件下 , 高浓度 CO2 对极大螺旋藻生长的
影响(0.5%CO 2(○), 0.035%CO2(△))
Fig.1　Effect s of high CO2 concent rat ion on the grow th of S .maxima
under low and high ligh t
2.2　P-I曲线
2.2.1　低光强下培养的极大螺旋藻的 P-I曲线　　从图 2和表 2可以看出 ,极大螺旋
藻光合作用光饱和起始点约为 250μmol m-2s-1 ,在光强达到 1000μmol m-2s-1时未出现
光抑制现象。在光强 100μmol m-2s-1 ,两者的光合速率相似。不管是高浓度 CO2培养还
是低 CO2 浓度培养 , Pmax值在第 8d 达到最大 ,分别为 615.8 和 552.9μmolO2mgchla-1
h-1 。在同一天的取样测定中 ,高 CO2 浓度培养 ,其 Pmax值均略大于低浓度 CO2 培养的 ,
在第 8d两者差异明显(P <0.05),而α值和 Ik 值均无明显差异 。由此可见 ,在低光强培
养条件下 ,高浓度 CO2培养对α和 Ik值影响不大 。
表 2　低光强下生长的极大螺旋藻在不同培养时间的 P-I曲线的各项参数(Pmax:最大光合速率
(μmolO2mgchla-1h-1)α:光合作用效率(μmolO2mgchla-1h-1/ μmolm-2s-1)Ik:
光合作用饱和光强(μmolm-2s-1))
Tab.2　Photosynthet ic parameter of S.maxima grow n in low light condi tions(Pmax:Maximum photosynthetic rate ,
α:Init ial slope , Ik:Saturating irradiance level)
day 5 8 11
Parameters 0.5%CO 2 0.035%CO 2 0.5%CO2 0.035%CO 2 0.5%CO 2 0.035%CO2
Pmax(n=3) 540.5±9.3 524.7±7.3 615.8±6.8 552.9±3.9 581.0±9.0 542.0±6.8
α(n=3) 2.17±0.03 2.28±0.08 2.40±0.02 2.33±0.05 2.41±0.04 2.35±0.10
Ik(n=3) 253±6 235±11 264±2 245±4 246±6 248±13
2.2.2　高光强培养条件下极大螺旋藻的 P-I曲线　在高光强培养条件下 ,不同的生长
时期(第 5 、 8 、 11d), 其光合作用 P-I曲线的各项参数如图 3 、表 3所示 ,在测定光强为
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图 2　低光强下生长的极大螺旋藻在不同培养时间的 P-I 曲线(0.5%CO2(○),
0.035%CO 2(△))
Fig.2　Light-depending photosynthetic oxygen evolution of Spiru lina maxima grown in low light conditions
图 3　高光强下生长的极大螺旋藻在不同培养时间的 P-I 曲线(0.5%CO2(○),
0.035%CO 2(△))
Fig.3　Light-depending photosynthet ic oxygen evolut ion of S .maxima grow n in high ligh t condit ions
表 3　高光强下生长的螺旋藻在不同培养时间的 P-I曲线的各项参数[ Pmax:最大光合速率
(μmolO2mgchla-1h-1)α:光合作用效率(μmolO2mgchla-1h-1/μmol m-2s-1)
Ik:光合作用饱和光强(μmol m-2s-1)]
T ab.3　Photosynthetic parameter of S.maxima grow n in high light conditions(Pmax:
Maximum photosynthet ic rate α:Initial slope , Ik:S aturating irradiance level)
Day 5 8 11
Parameter 0.5%CO 2 0.035%CO 2 0.5%CO2 0.035%CO 2 0.5%CO 2 0.035%CO2
Pmax(n=3) 662.4±5.3 619.1±4.2 746.5±18.0 568.8±5.7 790.1±10.5 472.6±10.5
α(n=3) 2.52±0.09 2.34±0.01 2.86±0.01 2.18±0.01 2.97±0.02 2.42±0.02
Ik(n=3) 275±9 274±4 263±8 255±4 269±5 241±4
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400μmolm-2s-1条件下 ,高浓度 CO2培养的明显高于低浓度 CO2 培养的。低浓度 CO2培
养的极大螺旋藻随时间的推移 ,Pmax值逐渐减小;而高浓度 CO2 培养下 ,其 Pmax值却逐渐
增加 ,在第 11d最大为 790.1μmolO2mgchla-1h-1 ,其中在高 8d 、11d ,低 、高CO2 浓度培养
的极大螺旋藻 ,两者的 Pmax 、α差异显著(P<0.05)。第 8d 、11d两者α值差异明显 ,而 Ik
值均无显著差异。由此可见 ,在高光强培养条件下 ,添加高浓度 CO2对 Pmax 、α值有较大
的影响 ,但对 Ik 值几乎没有影响 。
3　讨论
一般藻类培养基只含有少量的碳源 ,而培养极大螺旋藻所用的培养基为高 pH 值
(9.5左右)的 Zarrouk培养基 ,含有大量的无机碳源(0.2mol·L -1 HCO-3 ),其培养液中存
在CO2 、HCO-3 、CO2-3 3种主要的碳源形式相互转变的化学反应的动态平衡:
CO2+H2O H++HCO-3 (1)
HCO
-
3 H++CO2-3 (2)
当培养液中通入高浓度的 CO2 时 , CO2 浓度增大导致化学反应(1)向生成 H+和
HCO-3 的方向进行 ,H+和 HCO-3 浓度的改变 ,打破了化学反应(2)的平衡 ,达到新的动态
平衡 ,最终被培养液吸收的 CO2转变为其它形式的碳源 ,由于极大螺旋藻培养液的高 pH
值 ,所以它所转变成的无机碳源主要是 HCO-3 和 CO2-3 。
在低光强下 ,不同CO2浓度添加对极大螺旋藻的生长无明显影响 ,表明在低 、高 CO2
浓度培养条件下 ,培养液中无机碳浓度可能是饱和的 。尽管通高浓度 CO2 的培养液中无
机碳浓度高于通低 CO2 浓度 ,但在低光强下 ,培养液中碳的固定速率受到限制 。而在高
光强条件下 ,高 CO2 浓度培养 ,对极大螺旋藻的生长有明显的促进作用 ,表明在此培养条
件下 ,无机碳浓度可能已成为光合作用的限制因子 。充足的光能提供和较高的无机碳浓
度 ,有利于提高碳的固定速率 ,Gao 等在紫菜添加 CO2 的研究中发现 ,高浓度 CO2 培养的
紫菜 ,其光呼吸速率下降 。这种现象的出现被认为可能是培养液内 CO2 的分压增加和较
高的无机碳浓度 ,使细胞内CO2/O2 的比例提高 ,有利于 Rubisco酶起羧化酶作用 ,同时抑
制光呼吸 ,导致了光合作用效率的提高[ 4] 。
Kaplan发现钝顶螺旋藻在培养液中CO2枯竭的情况下 ,具有利用HCO-3 的能力[ 13] ,
其它蓝藻利用 HCO-3 也有很多的报道[ 14—16] 。但当藻类在高 CO2(0.5—5%)培养条件
下 ,其光合生理特征发生明显的变化 ,其对无机碳的亲和力明显下降 、CO2 补偿点升高 ,
HCO-3 的利用受到抑制[ 6] 。而本实验结果表明 ,低光强下在不同生长时期(5d 、8d 、11d)
的Pmax ,高 CO2浓度培养略大于低CO2 浓度培养;高光强下 ,高 CO2 浓度培养的极大螺旋
藻其 Pmax 、α明显高于低 CO2培养的 ,表明高浓度 CO2 培养使其对 HCO-3 的利用未受到
抑制(在封闭系统中测定光合速率时 ,其无机碳源主要是 HCO-3 ),这与 Coleman和 Raven
的在其它藻类研究中的报道是不一致的[ 17 、18] ,在他们的实验过程中 ,高浓度 CO2 通入 ,
使培养液的 pH一般在 6.5左右 ,培养液中含有较多的 CO2 ,而极大螺旋藻本身生长的培
养基含高浓度的无机碳和高的 pH 值 ,尽管通入高浓度 CO2 ,我们发现其在培养至第 5d
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时 ,pH 值约为 8.5 ,在培养液中 CO2浓度很低 ,由于适应不同 CO2 浓度的培养环境 ,所以
两者出现了相反的结果。同时在不同光强下 ,高浓度 CO2 的通入 ,使培养过程中培养液
中无机碳浓度和无机碳的组成形式不同 ,而极大螺旋藻适应了这种无机碳和光强的环境 ,
表现出高光强培养与低光强培养不同的光合生理特征 ,这也可能是高光强下 ,高浓度 CO2
培养的螺旋藻 ,其 Pmax 、α具有较大差异 ,而在低光强下 ,高浓度 CO2 培养的螺旋藻的
Pmax 、α值差异不明显的主要原因 。
总之 ,在极大螺旋藻的培养过程中 ,添加高浓度 CO2 的同时 ,若能适当提高光强 ,将
有利于提高螺旋藻产量。
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4795 期　　　　　　夏建荣等:高浓度 CO2 对极大螺旋藻生长和光合作用的影响
EFFECTSOF HIGH CO2 CONCENTRATIONON GROWTH AND
PHOTOSYNTHESIS OF SPIRULINA MAXIMA
XIA Jian-rong and GAO Kun-shan
(Key Laboratory of Marine Biology of Guangdong Province , Shan tou Un iversity , Shantou 515063;
Inst itute of Hydrobiology , The Chinese Academy of Sciences , Wuhan 430072)
Abstract:Grow th and pho tosynthesis of Spirulina maxima grow n in dif ferent CO2 concen-
trations and light intensi ties had been studied.In low light intensity , no significant differ-
ences were observed in specific g row th rate when the algae were cultured in dif ferent CO2
concentration , and so were the Pmax , αand Ik.But in high light intensity , the algae grew
faster in high CO2 concentration compared to low CO2 concentration , the specific grow th rate
being 0.394d-1 ,0.475d-1 , respectively.No significant dif ferences were observed in Pmax , α
and Ik in the fifth day .However , significant differences in Pmax , αwere found in the eighth
and eleventh day.
Key words:Spirulina maxima;CO2 concentrat ion;Grow th;Pho tosynthesis
480 水　　生　　生　　物　　学　　报　　　　　　　　　　　25 卷