发光二极管光质对念珠藻葛仙米生长及生理生化特性的影响

卢菁菁 李敦海



发光二极管光质对念珠藻葛仙米生长及生理生化特性的影响

卢菁菁1, 2李敦海1

(1. 中国科学院水生生物研究所, 中国科学院藻类生物学重点实验室, 武汉 430072; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

利用发光二极管(LED)作为光源, 以冷百荧光灯光作为对照, 研究不同光质[红光637 nm、绿光529 nm、蓝光453 nm、白光(400—700) nm]对念珠藻葛仙米生长和生理生化特性的影响。结果表明: 在培养前期, 红光促进藻蓝蛋白合成, 而藻红蛋白合成受抑制; 蓝光和绿光则促进藻蓝蛋白合成。在培养后期, 红光处理有利于叶绿素和类胡萝卜素积累, 其含量分别达到干重的1.33%和0.24%; 绿光、白光和冷白荧光培养物的相应色素的含量均约占1.0%和0.16%; 蓝光培养物的相应色素含量分别仅为0.45%和0.11%。红光培养物的氨基酸含量达干重的23.1%, 是对照的1.58倍。除蓝光外其他光质对还原糖的含量影响无显著差异。在培养过程中LED白光和冷白荧光培养物的平均相对生长速率分别约为其他色光培养物的1.3和1.5倍。

LED光源; 光质; 葛仙米; 生长

光养微生物可用于提炼天然提取物例如色素、维生素和多糖, 或作为食品补充剂, 并且其被认为是生产药物和活性次级代谢产物的重要来源[1, 2]。清代赵学敏在《本草纲目拾遗》中记载, 葛仙米是一种有食用和药用价值的念珠藻, 近年来由于生境遭到严重破坏, 使得野生葛仙米产量大大降低并有绝产的可能[3, 4]。

封闭式光生物反应器培养微藻具有培养密度高、收获率高、条件易于控制并且不受地域环境限制和生产期长等优点。目前封闭式光生物反应器培养光合自养藻类存在的问题是能耗大、成本高, 而有效光源的选择和研制则是多种类型光生物反应器研制成功的关键所在[5]。发光二极管(LED)具有体积小、能耗低、发出光单色性高、寿命长等特性, 因此本研究选用四种不同光质LED灯为光源进行培养研究。某些蓝藻的光合系统通过调整其物质构成从而对不同光质有高度的适应性[6], 本文的主要目的在于探究光质对葛仙米主要物质组成的影响, 从而为能够在生产中通过调节光质得到用于不同目的的葛仙米产物提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料及培养条件

葛仙米(拟球状念珠藻,Kützing)藻株由本实验室于湖北省鹤峰县走马镇农田采集并分离、纯化和保存。用不含NaNO3的BG11[7]培养基通气培养, 通气量每分钟约为培养物体积的1.25倍, 培养温度为(26±1)℃。选择最大功率为4W, 发射光谱为红(主波长λd=637 nm)、绿(λd=529 nm)、蓝(λd=453 nm)、白(400—700 nm)的LED灯珠, 每5个与电路板集成为亮度可调节的光电板。

用以上LED灯珠集成的光电板作为光源, 选取直径1 mm以下的微群体和小群体在光照强度为 40 μmol/(m2·s), 并以冷白荧光为对照进行连续光照培养。在第0、第3、第6、第9、第12、第16天取样测定生物量、叶绿素荧光强度、光合色素和还原糖含量等。

1.2 生长测定

将5 mL的移液器吸头尖端减去一部分, 以扩大吸口用于取样。取样前将葛仙米培养物充分摇匀, 用剪口的5 mL吸头迅速吸取一定体积的培养物, 离心去除培养基后, 将葛仙米置于烘箱中在60℃下烘干48h至恒重, 测定葛仙米的生物量(干重)。

1.3 叶绿素荧光测定

取样方法同上。将不同处理的葛仙米培养物置于暗处适应10min, 用脉冲放大调制荧光仪Phyto-PAM (Heinz Walz GmbH, Germany)在室温下测定叶绿素荧光强度[8, 9]。

1.4 还原糖含量测定

取样方法同上, 去除培养基后加适量蒸馏水水浴30min提取还原糖溶液, 用蒽酮硫酸法测定还原糖含量[10]。

1.5 藻胆蛋白含量测定

取不同光质处理的样品, 加入0.05 mol/L, pH 7.8的磷酸缓冲液, 避光冰浴超声破碎细胞并反复冻融, 用紫外可见分光光度计测定提取液562、615、652 nm处吸光值[11]。

1.6 叶绿素a和类胡萝卜素含量测定

取一定体积样品, 去除培养基后用95%乙醇于4℃下过夜提取, 测定665、649、470 nm处的吸光值[12]。

1.7 氨基酸成分分析

培养结束后将藻体收集, 分别测定不同处理培养物的氨基酸含量[13]。

1.8 数据分析

数据差异性分析采用单因素方差分析(分析软件PASW Statistics 18), 数据均为3个重复均值±标准偏差。

2 结果

2.1 光质对葛仙米生长的影响

在LED白光和冷白荧光培养下葛仙米生长情况基本相似, 它们的生长速率均较其他单色光下的培养物高[红光0.095 g/(L×d)、绿光0.10 g/(L×d)、蓝光0.096 g(L×d)], 约分别为其他单色光培养物的1.3和1.5倍, 冷白荧光下葛仙米的生长速率要高于LED白光下培养物的生长速率(图1)。

2.2 光质对葛仙米叶绿素荧光的影响

蓝光对葛仙米光系统Ⅱ最大光化学效率(F/F)影响较大(图2), 在培养开始后显著高于其他光下的培养物, 在第6天达到最高0.61。其他光质下葛仙米的F/F初期表现出对光源的适应性, 第6天后保持在一定范围内相对稳定波动。以上结果说明, 葛仙米在不同光质下经过一段时间的适应调整可恢复生长状态。

图1 光质对葛仙米生物量的影响

图2 光质对葛仙米叶绿素荧光的影响

2.3 光质对葛仙米色素含量的影响

藻胆蛋白含量在葛仙米生长过程中呈现出下降-上升-下降的波动(图3)。在培养过程中红光对藻胆素含量影响最显著(<0.05)。在绿光和蓝光下培养物的藻红蛋白含量最高时达到干重的1.5%, 而在红光下藻体的藻蓝蛋白最高达到1.2%。并且在红光下的藻体藻红蛋白含量始终低于绿光培养藻体的藻红蛋白, 在第6天差异最大时是红光的2.5倍。而在第16天培养末期时, 在蓝光下藻体几乎不含藻蓝蛋白, 在红光下藻体的藻红蛋白含量也极低。

在不同光质下培养物的叶绿素和类胡萝卜素含量在群体直径增加的过程中先下降后缓慢上升, 培养初期小群体具有较高的叶绿素和类胡萝卜素含量, 分别占干重的1.8%和0.3%。最终两者在红光下的含量(1.3%、0.24%)显著高于蓝光(0.45%、0.11%),其他色光的叶绿素和类胡萝卜素含量分别在1%和0.17%左右。

图3 光质对葛仙米光合色素的影响

2.4 光质对葛仙米还原糖的影响

在红、绿、白和荧光灯培养下, 还原糖占干物质总量比率在培养初期在10%左右, 第6天开始出现下降, 第12天达到最小值后红、白、荧光灯的还原糖含量增加, 最后比例4.3%—7.6%(图 4)。在蓝光下的还原糖比例始终处于减少趋势, 在第16天达到最低。红、绿、白、荧光灯光质对培养藻体还原糖含量影响无显著性差异(＞0.05)。

图4 光质对葛仙米还原糖的影响

2.5 光质对营养成分影响

测定了不同光质下葛仙米培养物最终收获物的氨基酸含量(表1)。结果表明, 葛仙米的水解产物测出至少16种氨基酸(色氨酸在酸水解过程中被破坏), 其中必需氨基酸7种。红光对氨基酸的合成有一定促进作用, 氨基酸总量达干重的23.1%, 而冷白荧光培养物的约为14.6%。与红光和冷白荧光的培养相比, 绿光和蓝光不利于培养物氨基酸的合成, 在LED白光培养下葛仙米氨基酸含量与冷白荧光下培养物的相近。

3 讨论

蓝藻所含光合色素种类多样, 大多数蓝藻能通过调节光合色素含量以达到适应环境中提供的有限光能的目的, 对光有广谱的吸收, 为其生命活动提供了能量基础[6, 14]。用不同光质培养葛仙米, 光合色素含量首当其冲受到影响。扫描光谱显示[11], 藻胆蛋白的吸收峰主要在652、615、562 nm, 藻蓝蛋白主要吸收615 nm的光, 即红光, 而藻红蛋白吸收562 nm的绿光, 因此, 红光促进藻蓝蛋白合成, 而绿光则促进藻红蛋白合成, 这种互补色适应现象与蓝藻的眉藻sp. PCC7601和点形念珠藻PCC73102类似[15, 16]。通过互补色适应, 葛仙米能更好地适应环境光源的变化。

表1 光质对葛仙米氨基酸含量的影响

不同的光质造成了葛仙米光合色素含量产生较大差异, 这种差异进而影响了葛仙米的生长。本文中培养的念珠藻葛仙米在不同光质下生物量都随着培养时间增加, 说明葛仙米通过调节光合色素含量, 对各个色光有一定程度的吸收利用。现今LED白光有两种发光原理, 第一种不需经过荧光粉的转换, 利用三基色原理将红、绿、蓝光LED混合成白光, 分开控制发光强度, 达成全彩的变色效果[17]; 第二种是蓝光芯片加黄色荧光粉来获得白光, 比较成熟且已商业化, 这种白光工业成本较低[18]。白光和冷白荧光培养物之间的生物量存在差异, 相比荧光灯来说, 可能是其光谱不够连续并且呈带状较窄, 色彩不全造成。

葛仙米的这种对不同光源的适应性表现, 也可以通过叶绿素荧光参数得以反映。在40 μmol/(m2·s)的光照强度下, LED绿光、白光和冷白荧光下的F/F并没有表现出显著性差别(＞0.05)。值得注意的是在单色蓝光下的F/F从培养开始到结束都显著高于其他色光, 而无论是在生物量、多糖、氨基酸和色素上, 其含量都不占明显优势, 葛仙米在蓝光下是否存在未被发掘合成物质的潜能, 仍需要进一步的研究。

与冷白荧光下的培养物相比, 虽然LED白光下葛仙米的生长速率稍低, 但LED灯的节能性、耐久和稳定性都高于冷白荧光灯管, 应用于生产中可节约成本; 红绿单色光有助于光合色素物质积累, 作为工业原料有更高的提取价值; 若作为食品培养, 用红光培养的葛仙米藻体氨基酸含量是传统荧光灯培养物的2倍, 营养价值更高。综上所述, 不同光质对葛仙米的生长产生的影响不同, 本文为葛仙米培养光源选择获得目标产物, 也为用于葛仙米培养的LED光生物反应器光源的选择提供参考。

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Effect of light-Emitting Diode light quality on the growth and physiological and biochemical characteristics of

LU Jing-Jing1, 2and LI Dun-Hai1

(1. Key Laboratory of Algal Biology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The influence of different Light-Emitting Diode (LED) wavelengths (red 637 nm, green 529 nm, blue 453 nm and white light, set cool white fluorescence as control) on the growth and the physiological and biochemical characte­ristics ofKützingwere studied. Results showed that in the initial growth stage, red light promoted the synthesis of phycocyanin and inhibited the phycoerythrin, and the former was also increased by blue and green lights. In the late growth stage, the contents of chlorophyll a and carotenoids in the colonies which cultured under red light accounted for 1.33% and 0.24% of the dry weight, while they were about 1.0% and 0.16% respectively in green, white, or cool white fluorescence cultures, and 0.45% and 0.11% respectively in blue light culture. The content of total amino acids in red light culture was 23.1% in dry weight, which was 1.58 times of the control group. There was no significant difference between the contents of reducing sugars in the cultures under different light wavelengths except blue light. The mean specific growth rates of the white light culture and the cool white fluorescence cultures were about 1.3 and 1.5 times of those in other monochromatic light cultures, respectively.

Light-Emitting Diode; Light quality;Kützing; Growth

2013-01-04;

2013-10-05

中国科学院院地合作项目“葛仙米人工养殖产业化研究”(Y126011401)资助

卢菁菁(1987—), 女, 广西南宁人; 硕士研究生; 研究方向为藻类环境生物学。E-mail: islujingjing@163.com

李敦海(1971—), 研究员; 主要从事藻类环境生物学研究。E-mail: lidh@ihb.ac.cn

Q142

A

1000-3207(2014)02-0257-05

10.7541/2014.38