發光二極管光質對念珠藻葛仙米生長及生理生化特性的影響

盧菁菁 李敦海

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發光二極管光質對念珠藻葛仙米生長及生理生化特性的影響

盧菁菁1, 2李敦海1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 中國科學院藻類生物學重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

利用發光二極管(LED)作為光源, 以冷百熒光燈光作為對照, 研究不同光質[紅光637 nm、綠光529 nm、藍光453 nm、白光(400—700) nm]對念珠藻葛仙米生長和生理生化特性的影響。結果表明: 在培養前期, 紅光促進藻藍蛋白合成, 而藻紅蛋白合成受抑制; 藍光和綠光則促進藻藍蛋白合成。在培養后期, 紅光處理有利于葉綠素和類胡蘿卜素積累, 其含量分別達到干重的1.33%和0.24%; 綠光、白光和冷白熒光培養物的相應色素的含量均約占1.0%和0.16%; 藍光培養物的相應色素含量分別僅為0.45%和0.11%。紅光培養物的氨基酸含量達干重的23.1%, 是對照的1.58倍。除藍光外其他光質對還原糖的含量影響無顯著差異。在培養過程中LED白光和冷白熒光培養物的平均相對生長速率分別約為其他色光培養物的1.3和1.5倍。

LED光源; 光質; 葛仙米; 生長

光養微生物可用于提煉天然提取物例如色素、維生素和多糖, 或作為食品補充劑, 并且其被認為是生產藥物和活性次級代謝產物的重要來源[1, 2]。清代趙學敏在《本草綱目拾遺》中記載, 葛仙米是一種有食用和藥用價值的念珠藻, 近年來由于生境遭到嚴重破壞, 使得野生葛仙米產量大大降低并有絕產的可能[3, 4]。

封閉式光生物反應器培養微藻具有培養密度高、收獲率高、條件易于控制并且不受地域環境限制和生產期長等優點。目前封閉式光生物反應器培養光合自養藻類存在的問題是能耗大、成本高, 而有效光源的選擇和研制則是多種類型光生物反應器研制成功的關鍵所在[5]。發光二極管(LED)具有體積小、能耗低、發出光單色性高、壽命長等特性, 因此本研究選用四種不同光質LED燈為光源進行培養研究。某些藍藻的光合系統通過調整其物質構成從而對不同光質有高度的適應性[6], 本文的主要目的在于探究光質對葛仙米主要物質組成的影響, 從而為能夠在生產中通過調節光質得到用于不同目的的葛仙米產物提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及培養條件

葛仙米(擬球狀念珠藻,Kützing)藻株由本實驗室于湖北省鶴峰縣走馬鎮農田采集并分離、純化和保存。用不含NaNO3的BG11[7]培養基通氣培養, 通氣量每分鐘約為培養物體積的1.25倍, 培養溫度為(26±1)℃。選擇最大功率為4W, 發射光譜為紅(主波長λd=637 nm)、綠(λd=529 nm)、藍(λd=453 nm)、白(400—700 nm)的LED燈珠, 每5個與電路板集成為亮度可調節的光電板。

用以上LED燈珠集成的光電板作為光源, 選取直徑1 mm以下的微群體和小群體在光照強度為 40 μmol/(m2·s), 并以冷白熒光為對照進行連續光照培養。在第0、第3、第6、第9、第12、第16天取樣測定生物量、葉綠素熒光強度、光合色素和還原糖含量等。

1.2 生長測定

將5 mL的移液器吸頭尖端減去一部分, 以擴大吸口用于取樣。取樣前將葛仙米培養物充分搖勻, 用剪口的5 mL吸頭迅速吸取一定體積的培養物, 離心去除培養基后, 將葛仙米置于烘箱中在60℃下烘干48h至恒重, 測定葛仙米的生物量(干重)。

1.3 葉綠素熒光測定

取樣方法同上。將不同處理的葛仙米培養物置于暗處適應10min, 用脈沖放大調制熒光儀Phyto-PAM (Heinz Walz GmbH, Germany)在室溫下測定葉綠素熒光強度[8, 9]。

1.4 還原糖含量測定

取樣方法同上, 去除培養基后加適量蒸餾水水浴30min提取還原糖溶液, 用蒽酮硫酸法測定還原糖含量[10]。

1.5 藻膽蛋白含量測定

取不同光質處理的樣品, 加入0.05 mol/L, pH 7.8的磷酸緩沖液, 避光冰浴超聲破碎細胞并反復凍融, 用紫外可見分光光度計測定提取液562、615、652 nm處吸光值[11]。

1.6 葉綠素a和類胡蘿卜素含量測定

取一定體積樣品, 去除培養基后用95%乙醇于4℃下過夜提取, 測定665、649、470 nm處的吸光值[12]。

1.7 氨基酸成分分析

培養結束后將藻體收集, 分別測定不同處理培養物的氨基酸含量[13]。

1.8 數據分析

數據差異性分析采用單因素方差分析(分析軟件PASW Statistics 18), 數據均為3個重復均值±標準偏差。

2 結果

2.1 光質對葛仙米生長的影響

在LED白光和冷白熒光培養下葛仙米生長情況基本相似, 它們的生長速率均較其他單色光下的培養物高[紅光0.095 g/(L×d)、綠光0.10 g/(L×d)、藍光0.096 g(L×d)], 約分別為其他單色光培養物的1.3和1.5倍, 冷白熒光下葛仙米的生長速率要高于LED白光下培養物的生長速率(圖1)。

2.2 光質對葛仙米葉綠素熒光的影響

藍光對葛仙米光系統Ⅱ最大光化學效率(F/F)影響較大(圖2), 在培養開始后顯著高于其他光下的培養物, 在第6天達到最高0.61。其他光質下葛仙米的F/F初期表現出對光源的適應性, 第6天后保持在一定范圍內相對穩定波動。以上結果說明, 葛仙米在不同光質下經過一段時間的適應調整可恢復生長狀態。

圖1 光質對葛仙米生物量的影響

圖2 光質對葛仙米葉綠素熒光的影響

2.3 光質對葛仙米色素含量的影響

藻膽蛋白含量在葛仙米生長過程中呈現出下降-上升-下降的波動(圖3)。在培養過程中紅光對藻膽素含量影響最顯著(<0.05)。在綠光和藍光下培養物的藻紅蛋白含量最高時達到干重的1.5%, 而在紅光下藻體的藻藍蛋白最高達到1.2%。并且在紅光下的藻體藻紅蛋白含量始終低于綠光培養藻體的藻紅蛋白, 在第6天差異最大時是紅光的2.5倍。而在第16天培養末期時, 在藍光下藻體幾乎不含藻藍蛋白, 在紅光下藻體的藻紅蛋白含量也極低。

在不同光質下培養物的葉綠素和類胡蘿卜素含量在群體直徑增加的過程中先下降后緩慢上升, 培養初期小群體具有較高的葉綠素和類胡蘿卜素含量, 分別占干重的1.8%和0.3%。最終兩者在紅光下的含量(1.3%、0.24%)顯著高于藍光(0.45%、0.11%),其他色光的葉綠素和類胡蘿卜素含量分別在1%和0.17%左右。

圖3 光質對葛仙米光合色素的影響

2.4 光質對葛仙米還原糖的影響

在紅、綠、白和熒光燈培養下, 還原糖占干物質總量比率在培養初期在10%左右, 第6天開始出現下降, 第12天達到最小值后紅、白、熒光燈的還原糖含量增加, 最后比例4.3%—7.6%(圖 4)。在藍光下的還原糖比例始終處于減少趨勢, 在第16天達到最低。紅、綠、白、熒光燈光質對培養藻體還原糖含量影響無顯著性差異(＞0.05)。

圖4 光質對葛仙米還原糖的影響

2.5 光質對營養成分影響

測定了不同光質下葛仙米培養物最終收獲物的氨基酸含量(表1)。結果表明, 葛仙米的水解產物測出至少16種氨基酸(色氨酸在酸水解過程中被破壞), 其中必需氨基酸7種。紅光對氨基酸的合成有一定促進作用, 氨基酸總量達干重的23.1%, 而冷白熒光培養物的約為14.6%。與紅光和冷白熒光的培養相比, 綠光和藍光不利于培養物氨基酸的合成, 在LED白光培養下葛仙米氨基酸含量與冷白熒光下培養物的相近。

3 討論

藍藻所含光合色素種類多樣, 大多數藍藻能通過調節光合色素含量以達到適應環境中提供的有限光能的目的, 對光有廣譜的吸收, 為其生命活動提供了能量基礎[6, 14]。用不同光質培養葛仙米, 光合色素含量首當其沖受到影響。掃描光譜顯示[11], 藻膽蛋白的吸收峰主要在652、615、562 nm, 藻藍蛋白主要吸收615 nm的光, 即紅光, 而藻紅蛋白吸收562 nm的綠光, 因此, 紅光促進藻藍蛋白合成, 而綠光則促進藻紅蛋白合成, 這種互補色適應現象與藍藻的眉藻sp. PCC7601和點形念珠藻PCC73102類似[15, 16]。通過互補色適應, 葛仙米能更好地適應環境光源的變化。

表1 光質對葛仙米氨基酸含量的影響

不同的光質造成了葛仙米光合色素含量產生較大差異, 這種差異進而影響了葛仙米的生長。本文中培養的念珠藻葛仙米在不同光質下生物量都隨著培養時間增加, 說明葛仙米通過調節光合色素含量, 對各個色光有一定程度的吸收利用。現今LED白光有兩種發光原理, 第一種不需經過熒光粉的轉換, 利用三基色原理將紅、綠、藍光LED混合成白光, 分開控制發光強度, 達成全彩的變色效果[17]; 第二種是藍光芯片加黃色熒光粉來獲得白光, 比較成熟且已商業化, 這種白光工業成本較低[18]。白光和冷白熒光培養物之間的生物量存在差異, 相比熒光燈來說, 可能是其光譜不夠連續并且呈帶狀較窄, 色彩不全造成。

葛仙米的這種對不同光源的適應性表現, 也可以通過葉綠素熒光參數得以反映。在40 μmol/(m2·s)的光照強度下, LED綠光、白光和冷白熒光下的F/F并沒有表現出顯著性差別(＞0.05)。值得注意的是在單色藍光下的F/F從培養開始到結束都顯著高于其他色光, 而無論是在生物量、多糖、氨基酸和色素上, 其含量都不占明顯優勢, 葛仙米在藍光下是否存在未被發掘合成物質的潛能, 仍需要進一步的研究。

與冷白熒光下的培養物相比, 雖然LED白光下葛仙米的生長速率稍低, 但LED燈的節能性、耐久和穩定性都高于冷白熒光燈管, 應用于生產中可節約成本; 紅綠單色光有助于光合色素物質積累, 作為工業原料有更高的提取價值; 若作為食品培養, 用紅光培養的葛仙米藻體氨基酸含量是傳統熒光燈培養物的2倍, 營養價值更高。綜上所述, 不同光質對葛仙米的生長產生的影響不同, 本文為葛仙米培養光源選擇獲得目標產物, 也為用于葛仙米培養的LED光生物反應器光源的選擇提供參考。

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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 characte-ristics 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

中國科學院院地合作項目“葛仙米人工養殖產業化研究”(Y126011401)資助

盧菁菁(1987—), 女, 廣西南寧人; 碩士研究生; 研究方向為藻類環境生物學。E-mail: islujingjing@163.com

李敦海(1971—), 研究員; 主要從事藻類環境生物學研究。E-mail: lidh@ihb.ac.cn

Q142

A

1000-3207(2014)02-0257-05

10.7541/2014.38