不同光照周期下LED光源對銅藻生長的影響

李 科，潘耀茹，吳嘉平，肖 溪

(浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316000)

不同光照周期下LED光源對銅藻生長的影響

李 科，潘耀茹，吳嘉平，肖 溪*

(浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316000)

利用白、紅、綠、藍4種LED作為光源，研究在24 h/0 h、18 h/6 h、12 h/12 h、6 h/18 h(L/D)這4組光照周期下銅藻生長對不同光質光源的響應。結果表明：各LED光源下，銅藻生物量累積峰值均出現在24 h/0 h(L/D)的光照周期中；在非連續光照下，藍光LED光源促進銅藻生長的效果最佳。本研究還測量并分析了銅藻的表面吸收光譜和4種LED光源的發射光譜，發現銅藻在藍光與紅光區各有一個吸收峰，且藍光區的波峰與紅光區的波峰差異顯著，藍光區的波譜寬且平緩，而紅光區的則窄且陡峭。因此，藍光LED光源可滿足銅藻生長所需光波，并可作為銅藻人工養殖的補充光源使用。

銅藻；大型海藻；LED；比生長率；光照周期

熒光燈、白熾燈、金屬鹵素燈等人造光源在藻類生長過程中曾被廣泛使用[1-2]。盡管這些光源可以釋放出藻類生長所需光波，但其所發射的連續光譜并不能被藻類光合作用完全吸收利用，且其產生的余熱可能對藻類的生理結構造成灼傷[3]。發光二極管(LED)作為目前新一代的節能冷光源，被認為是理想的照明系統光源，與傳統光源相比具有亮度高、能耗低、壽命長、體積小、無輻射、無污染、耐受惡劣環境條件等優勢[4-5]。LED純色光源的發射光譜波長可控且帶寬窄，與藻類光合器官所吸收的光譜匹配度高，通過合理優化可達到精準調控藻類形態發育與新陳代謝、提升產量的目的。光質對光合生物的響應調節機制因物種的不同而存在差異。例如在陸地植物中，孫慶麗等[6]發現紅光對水稻幼苗莖的生長伸長具有明顯的促進作用，李慧敏等[7]則發現藍紅復合光能夠有效促進秋葵(AbelmoschusesculentusL.)幼苗生長。在水生植物和藻類中，綠光下的黑藻(Hydrillaverticillata)莖伸長明顯[8]，海膜(Halymeniafloresii)亦在綠光處理組中生長率最高[9]。因此，在藻類培養過程中選擇適宜的光譜光源至關重要。

銅藻(Sargassumhorneri)主要分布于浙江沿海，且多數為一年生，是通過有性生殖繁衍的暖溫帶性大型海藻，隸屬于褐藻門(Phaeophyta)馬尾藻屬(Sargassum)[10-11]。銅藻在生態和經濟上具有很高的價值。其藻株高大、枝葉繁茂、生長迅速，在生長過程中提供了固碳釋氧、吸收營養鹽、調節生物多樣性等生態系統服務功能，同時作為原材料，在食品、飼料、肥料、醫藥和化工行業被廣泛使用。由于其成片漂浮于養殖海面，有“海中森林”之稱，被海洋生態學家列為建設海底藻場和實施海洋生態修復的重要物種之一[12]。近年來由于海洋污染嚴重，海洋生態環境惡化，加之海水水質渾濁、光照條件不足等，導致銅藻的生長環境面臨挑戰，如在南麂列島聯合國海洋生態自然保護區內銅藻呈現衰退，產量銳減[13]；因此，開展銅藻光照研究對銅藻資源的保護利用及海域生態環境的修復具有重要意義。

本實驗以銅藻為研究對象，以白、紅、綠、藍4種LED作為光源，研究銅藻在4種光源下隨光照時間改變的生長變化情況，并分別測量銅藻的表面吸收光譜與各光源的發射光譜，為人工養殖銅藻在光源和光照時間的選擇上提供指導。

1 材料與方法

1.1 實驗藻種

實驗所使用的銅藻(Sargassumhorneri)幼苗，由浙江海洋水產養殖研究所提供，2015年6月份取自浙江省溫州市洞頭區(27°51′42″N，121°11′06″E)。實驗前，銅藻幼苗暫養在盛有滅菌海水的玻璃水缸中，水溫16 ℃，海水鹽度33‰，連續曝氣。光照系統由傳統的熒光燈提供，光照強度100 μmol photons·m-2·s-1，光照周期12 h/12 h(L/D)。暫養過程持續4 d，每2 d更換1次海水，并篩選出大小均勻、生長健康的銅藻幼苗作為實驗用藻。

1.2 實驗海水

天然海水經多級過濾后煮沸滅菌、冷卻及加富，加富后海水中的起始磷酸鹽、硝酸鹽濃度分別達到15、150 μmol·L-1。

1.3 實驗光源

白、紅、綠、藍4種LED燈帶作為銅藻光照實驗中的光源，由2 m長的LED燈帶固定在高25 cm、直徑20 cm的PVC管內壁，并提供100 μmol photons·m-2·s-1的光照強度。LED燈帶所用的型號是12-LE-38465(中國歐普公司，上海)，功率4.5 W·m-1。LED光源的發射光譜由杭州創惠儀器有限公司CMS-2S型光譜分析儀測量。紅、綠、藍3種LED光源均具有較窄的發光光譜，且發射光譜波峰分別位于631.5、517、462 nm。白光LED光源的發射光譜的波峰則出現在藍光與綠光區，分別位于450和537 nm處，并且在藍光區的波峰強度明顯高于綠光區的波峰，但其波譜寬度卻比綠光區的窄。此外，白光LED光源分布在紅光區右側的光譜強度下降平緩且弱于在藍光和綠光區的光譜強度。紅光、綠光和藍光LED光源的光譜半寬度分別為33.5、15.1和21.9 nm。

1.4 實驗設計

從篩選出的大小均勻、生長健康的銅藻幼苗中選4株放置于裝有500 mL實驗海水的圓柱形塑料瓶中(高20 cm、直徑10 cm)。以3組這樣的裝置組成1組處理組放置在同一PVC管中，白、紅、綠、藍LED光源分別為4組處理組提供光照強度為100 μmol photons·m-2·s-1的光照。在整個實驗過程中，同時設置4組梯度的光照周期，分別是24 h/0 h、18 h/6 h、12 h/12 h、6 h/18 h(L/D)，光照時間由公牛牌GND-2型時間控制器自動控制。整個銅藻光照實驗在過濾的無菌自然海水中持續培養10 d，每2 d更換1次營養鹽加富的實驗海水。

1.5 數據測量

1.5.1 鮮質量和比生長速率

每2 d測量1次各組實驗銅藻的鮮質量，增長速率用比生長速率(SGR)公式計算[14]。

(1)

式(1)中：W0為銅藻的起始鮮質量，g；Wt為經過td的培養后藻體的鮮質量，g。

1.5.2 LED光源的發射光譜與銅藻的吸收光譜

銅藻吸收光譜的測量方法參照Enríquez等[15]的乳白玻璃法，通過在島津儀器有限公司UV-1800型紫外可見分光光度計中加自制乳白玻璃附件測得。銅藻表面吸收光譜數據計算公式如下[16]：

Ac=1-10-AO。

(2)

式(2)中，AO為銅藻表面吸光度，Ac為銅藻表面光利用效率。

1.6 數據處理

在本實驗中，所有處理組均進行單因素方差分析，對有顯著差異的處理進行T檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同光源、光照周期下銅藻的生長情況

銅藻在4種光照周期下的生長情況如圖1、圖2所示。經過10 d的光照實驗，銅藻在各LED光源下均有明顯增長，其中，在連續光照條件下(24 h/0 h，L/D)的生長情況最好，在生物量累積上明顯高于其他處理。

在24 h/0 h(L/D)的光照周期下，前6 d銅藻在各光源下的生長基本保持線性增長，而在第6天后生長則逐漸變緩。如圖1-A所示，銅藻在綠光LED光源下的生長情況明顯優于其他光源，生長速率也顯著高于其他光源。同時，其生長也是最先開始變緩，而銅藻在其余3種光源下的生長變緩則是從第8天開始。銅藻在紅光LED 24 h的持續照射下，其藻體生長情況表現最差。在培養前2 d，白光與綠光LED下的銅藻生長情況基本保持在同一水平，藍光下的銅藻生長情況則與紅光LED保持在同一水平；然而，從第2天開始白光LED光源下的銅藻鮮質量逐漸低于綠光，而在藍光下的銅藻鮮質量則開始逐漸高于紅光。總的來說，銅藻在4種LED光源24 h持續光照下的生長情況依次是綠光LED>白光LED>藍光LED>紅光LED。

在18 h/6 h(L/D)的光照周期下，前4 d，銅藻在紅、綠和藍3種LED光源下的生長差異并不明顯，基本保持同一線性增長。在白光下，從第2天開始，銅藻的增長明顯快于其他光源下的增長。而藍光下的銅藻生長從第4天開始明顯變快，增長速率高于其他光源。整個光照實驗過程中，銅藻在紅光和綠光下每天的生長速率基本保持在同一水平，但是銅藻在綠光下的生長從第8天開始有所變緩。

A，24 h/0 h；B，18 h/6 h；C，12 h/12 h；D，6 h/18 h圖1 隨光照時間變化銅藻在4種LED光源下的生長變化Fig.1 Dynamic of Sargassum horneri fresh weight with illumination time changes under 4 LED light sources

在12 h/12 h(L/D)的光照周期下，藍光LED光源下的銅藻生長情況優于其余光源。紅光LED光源與綠光LED光源下的銅藻生長情況基本處于同一水平，但生長情況均優于白光LED下的銅藻。

在6 h/18 h(L/D)的光照周期下，藍光對銅藻生長表現出明顯的促進作用，生長情況優于其余光源。紅光、綠光與白光LED光源下的銅藻生長情況差異不顯著，但從第8天開始，綠光與白光下的銅藻有葉片脫落，出現負增長。

2.2 銅藻表面吸收光譜與實驗光源光譜比較

銅藻的表面吸收光譜如圖3所示，為方便建立聯系，紅光、綠光和藍光LED光源的光譜半寬度也一同標記在圖3上。可以看出，銅藻吸收光譜有2個主要吸收峰，分別是位于442 nm處的藍光吸收峰和671 nm處的紅光吸收峰。藍光吸收峰是一個平臺狀的吸收峰，藍光區包含在這一范圍內，而銅藻在紅光吸收峰兩側的吸收光譜要窄且下降明顯。此外，銅藻吸收光譜的波谷則位于綠光與紅光區域之間的599 nm處。

A，白光LED；B，紅光LED；C，綠光LED；D，藍光LEDA，White LED; B， Red LED; C， Green LED; D， Blue LED圖2 隨光照時間變化銅藻在4種LED光源下的生長情況Fig.2 Dynamics of Sargassum horneri growth rate with photoperiods changes under 4 LED light sources

A，藍光LED光譜半寬度；B，綠光LED光譜半寬度；C，紅光LED光譜半寬度A， Spectral half width of blue LED; B， Spectral half width of green LED; C， Spectral half width of red LED圖3 銅藻的表面吸收光譜與LED光源的光譜半寬度Fig.3 Surface absorption spectrum of Sargassum horneri and spectral half width of LED lightings

通過比較實驗光源光譜與銅藻表面吸收光譜可以發現：藍光、綠光LED光源的波峰與白光LED光源左側的藍光區波峰均位于銅藻表面吸收光譜較高的區域；紅光LED光源的波峰與白光LED光源右側的綠光區波峰則位于銅藻表面吸收光譜波谷區域。

3 討論

銅藻在整個生長過程中對光照條件有著很高的需求。研究發現，銅藻幼苗適合在長光照條件下生長，但在連續光照條件下其生長并不具有顯著優勢[17-18]。這可能是由于在前述研究中所用光照光源為傳統熒光燈，且實驗中提供的光照強度偏低，長時間使用傳統熒光燈產生的熱量可能改變培養環境，從而不利于銅藻生長。本研究發現，4種光源下銅藻均在連續光照下出現最大生長速率(圖2)，但值得注意的是，在連續光照條件下，后期銅藻生長變緩(圖1-A)，說明長期持續光照對銅藻生長也不利。相關研究表明，適當的光周期(即光暗交替作用)下，藻類才能在較長時間內維持正常生長[19]。

本研究通過比較白光、紅光、綠光和藍光4種LED光源對銅藻生長的影響發現，4組光照周期中白光均能使銅藻保持較高的比生長速率，且這一效果隨光照時間增加而增強。研究表明，白光作為多種光源的組合結果，在持續光照條件下釋放連續光譜，有利于植物C、N代謝[20-22]。除在連續光照條件下外，銅藻在藍光LED下的比生長率均高于其他3種LED光源，與MATSUI等[23]發現經濾光片得到的藍光對銅藻的生長促進作用明顯的結果相一致。

藻類對光源光譜的吸收效率在一定程度上可反映該光源對藻類生長的促進作用程度[24]。本研究發現，紅光LED相較于其他3種LED光源，對銅藻生長的促進作用不明顯。從圖3銅藻的表面吸收光譜圖中可以發現，其在紅光區的吸收峰窄而陡，在671 nm附近的吸收也是迅速減少，并且紅光LED光源的發射光譜波峰位于631.5 nm，半寬度發射光譜位于624～639 nm之間，這一區域正位于銅藻表面吸收光譜的波谷區域。從光合作用機理來看，褐藻門大型海藻體內不含葉綠素b，因此無法有效利用紅光[25]，這與本研究結論一致。銅藻的表面吸收光譜顯示其在藍、綠光區均有較高的吸收率，可能是因為褐藻體門大型海藻含有豐富的巖藻黃素，可以利用藍綠光。另外，本實驗中藍光和綠光LED光源的光譜半寬度位于銅藻表面吸收光譜的較高區域(大于0.8)，這有助于解釋本研究條件下藍綠光促進銅藻生長的現象。白光作為多種光源的組合，在藍、綠光區均有1個吸收峰，但在固定的光照強度下，白光LED光源分散到各光區的光量子量比純色光源(紅、綠、藍光LED)要少，因此其在不同光周期下并未表現出更好的促生作用。

總體來看，本研究表明，在持續光照下，綠光與白光更有利于銅藻生長，在非持續光照下，藍光LED則更適合銅藻幼苗的生長。在實際應用過程中，藍光LED是銅藻室內培育或是海區養殖較為理想的補光光源選擇。在大型海藻的人工養殖中，今后可利用海藻表面吸收光譜與特定光譜光源之間的匹配性，進一步優化選擇適宜的光源及光照周期。

謝辭：感謝浙江海洋水產養殖研究所洞頭基地王鐵桿高級工程師的指導；感謝張一寧研究員、張鵬研究員及楊鼎俊工程師在藻種及實驗器材方面提供的幫助；感謝浙江大學林芳碩士在實驗過程中的幫助。

[1] SCHULZE P S， BARREIRA L A， PEREIRA H G， et al. Light emitting diodes (LEDs) applied to microalgal production[J].TrendsinBiotechnology， 2014， 32(8):422-430.[2] UGWU C U， AOYAGI H， UCHIYAMA H. Photobioreactors for mass cultivation of algae[J].BioresourceTechnology， 2008， 99(10):4021-4028.

[3] KIM J K， MAO Y， KRAEMER G， et al. Growth and pigment content ofGracilariatikvahiaeMcLachlan under fluorescent and LED lighting[J].Aquaculture， 2015， 436(1):52-57.

[4] BOURGET C M. An introduction to light-emitting diodes[J].HortScience， 2008， 43(7):1944-1946.

[5] CHANG M H， DAS D， VARDE P V， et al. Light emitting diodes reliability review[J].MicroelectronicsReliability， 2012， 52(5):762-782.

[6] 孫慶麗， 陳志， 徐剛， 等. 不同光質對水稻幼苗生長的影響[J]. 浙江農業學報， 2010， 22(3):321-325. SUN Q L， CHEN Z， XU G， et al. Effect of different light qualities on seedling growth in rice[J].ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2010， 22(3): 321-325. (in Chinese with English abstract)

[7] 李慧敏， 陸曉民， 趙詩浩. 不同LED光質對秋葵幼苗生長、生理特性和氣孔特征的影響[J]. 浙江農業學報， 2016， 28(6):966-972. LI M H， LU X M， ZHAO S H. Effects of different light qualities on growth， physiological and stomatal characteristic of okra (AbelmoschusesculentusL.) seedlings[J].ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016， 28(6): 966-972. (in Chinese with English abstract)

[8] VAN T K， HALLER W T， BOWES G， et al. Effect of light quality in growth and chlorophyll composition inHydrilla[J].JournalofAquaticPlantManagement， 1977， 15: 29-31.

NEZ-ORTEGA J L， SNOEIJS P， ROBLEDO D， et al. Growth and pigment composition in the red algaHalymeniafloresii， cultured under different light qualities[J].JournalofAppliedPhycology， 2008， 20(3):253-260.

[10] 孫建璋， 莊定根， 王鐵干， 等. 南麂列島銅藻的研究[J]. 漁業信息與戰略， 2009， 24(5):19-21. SUN J Z， ZHUANG D G， WANG T G， et al. Study onSargassumherneri(Tam) Ag around Nanji Islands[J].ModernFisheriesInformation， 2009， 24(5): 19-21. (in Chinese with English abstract)

[11] 曾呈奎. 中國海藻志: 第三卷 褐藻門[M]. 北京， 科學出版社， 2000.

[12] 畢遠新， 章守宇， 吳祖立. 枸杞島銅藻種群分布的季節變化[J]. 生態學雜志， 2013， 32(5):1255-1259. BI Y X， ZHANG S Y， WU Z L. Seasonal variations ofSargassumhorneridistribution around Gouqi Island of East China[J].ChineseJournalofEcology， 2013， 32(5): 1255-1259. (in Chinese with English abstract)

[13] 包楠歐， 史定剛， 關萬春，等. CO2及光強對南麂列島銅藻生長的影響[J]. 浙江農業學報， 2014， 26(3):649-655. BAO N O， SHI D G， GUAN W C， et al. Effect of CO2concentration and irradiance on the growth ofSargassumhorneri(Phaeophyceae) in Nanji Archipelago[J].ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2014， 26(3): 649-655. (in Chinese with English abstract)

[14] XI X， THIBAUT D B， OLSEN Y S， et al. Sensitivity and acclimation of three canopy-forming seaweeds to uvb radiation and warming[J].PloSOne， 2015， 10(12):e0143031.

S， DUARTE C M. Light absorption by marine macrophytes[J].Oecologia， 1994， 98(2):121-129.[16] CLAYTON R K. Light and living matter[J].OpticaActa， 1978， 25 (4) : 357-358.

[17] HAN G C， LEE K H， YOO H I， et al. Physiological differences in the growth ofSargassumhorneri， between the germling and adult stages[J].JournalofAppliedPhycology， 2008， 20(5):729-735.

[18] 張鵬， 王鐵桿， 謝起浪， 等. 培養條件對銅藻幼苗生長發育的影響[J]. 上海海洋大學學報， 2014， 23(2):200-207. ZHANG P， WANG T G， XIE Q L， et al. Effects of environment factors on growth ofSargassumhorneriseedlings under indoor conditions[J].JournalofShanghaiUniversity， 2014， 23(2): 200-207. (in Chinese with English abstract)

[19] SFORZA E， SIMIONATO D， GIACOMETTI G M， et al. Adjusted light and dark cycles can optimize photosynthetic efficiency in algae growing in photobioreactors[J].PloSOne， 2012， 7(6):e38975.

[20] TSEKOS I， NIELL F X， AGUILERA J， et al. Ultrastructure of the vegetative gametophytic cells ofPorphyraleucosticta(Rhodophyta) grown in red， blue and green light[J].PhycologicalResearch， 2002， 50(4):251-264.

[21] KORBEE N， FIGUEROA F L， AGUILERA J. Effect of light quality on the accumulation of photosynthetic pigments， proteins and mycosporine-like amino acids in the red algaPorphyraleucosticta(Bangiales， Rhodophyta)[J].JournalofPhotochemistry&PhotobiologyB:Biology， 2005， 80(2):71-78.

[22] FIGUEROA F L， AGUILERA J， NIELL F X. Red and blue light regulation of growth and photosynthetic metabolism inPorphyraumbilicalis(Bangiales， Rhodophyta) [J].EuropeanJournalofPhycology， 1995， 30(1): 11-18.

[23] MATSUI T， OHGAI M， MURASE N. Studies on seaweeds’ relation to properties of light-ii. the effects of light quality and quantity on germling and thallus growth inSargassumhorneriandS.patens[J].BulletinoftheJapaneseSocietyofScientificFisheries， 1994， 60(6): 727-733.

[24] 毛安君， 王晶， 林學政， 等. 光譜對小球藻和等鞭金藻生長的影響[J]. 光譜學與光譜分析， 2008， 28(5):991-994. MAO A J， WANG J， LIN X Z， et al. Effect of spectra on growth of chlorella and isochrysis[J].SpectroscopyandSpectralAnalysis， 2008， 28(5): 991-994. (in Chinese with English abstract)

[25] 周百成， 鄭舜琴， 曾呈奎. 幾種綠藻、褐藻和紅藻的吸收光譜的比較研究[J]. 植物學報， 1974， 16(2): 146-155. ZHOU B C， ZHENG S Q， ZENG C K. Comparative studies on the absorption spectra of some green， brown and red algae[J].ActaBotanicaSinica， 1974， 16(2): 146-155. (in Chinese with English abstract)

(責任編輯 高 峻)

Effect of LED lightings on growth ofSargassumhorneriunder different photoperiods

LI Ke， PAN Yaoru， WU Jiaping， XIAO Xi*

(OceanCollege，ZhejiangUniversity，Zhoushan316000，China)

In this study， 4 kinds of LED (white， red， green and blue) were tested as light sources forSargassumhornericultivation under 4 photoperiods (24 h/0 h, 18 h/6 h, 12 h/12 h, 6 h/18 h, L/D). It was shown that for all LED light sources， maximum biomass accumulation ofS.horneriwere achieved under the photoperiod of 24 h/0 h(L/D). The surface absorption spectrum ofS.horneriand the emission spectrum of 4 LED light sources were also analyzed. The surface absorption spectrum ofS.hornerishowed a wide peak in blue emission region and a sharp peak in red emission region， respectively. Therefore， blue-LED light could satisfy the growth ofS.horneriand would be an ideal supplementary light forS.hornericultivation.

Sargassumhorneri; macroalgae; LED; specific growth rate; photoperiod

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.04.17

2016-12-14

國際科技合作與交流專項(2015DFA01410)

李科(1992—)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究污染環境治理與生態保護。E-mail: leeke0304@zju.edu.cn

*通信作者，肖溪， E-mail: prana@zju.edu.cn

S967.9

A

1004-1524(2017)04-0631-06

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(4): 631-636

李科，潘耀茹，吳嘉平，等. 不同光照周期下LED光源對銅藻生長的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(4)： 631-636.