硫素營養水平對產油尖狀柵藻光合生理及生化組成的影響

王倩雅 張 瑩 李愛芬 張成武

(暨南大學水生生物研究中心, 廣州 510632)

硫素營養水平對產油尖狀柵藻光合生理及生化組成的影響

王倩雅 張 瑩 李愛芬 張成武

(暨南大學水生生物研究中心, 廣州 510632)

以產油尖狀柵藻(Scenedesmus acuminatus)為實驗材料, 在持續300 μmol photons/(m2·s)光照條件下, 選用3種不同初始Na2SO4濃度(2.0S、1.0S對照、0.25S)的改良BG-11培養基, 在Φ3.0 cm×60 cm光生物反應器中進行通氣培養, 研究分析硫素營養水平與尖狀柵藻產油過程光合生理和生化組成的關系。實驗結果表明, 初始硫素濃度對尖狀柵藻生長有顯著的影響(P<0.05), Na2SO4初始濃度為2.0S實驗組的生物量最高, 為7.47 g/L, 顯著高于1.0S組(6.43 g/L)和0.25S組(4.17 g/L)(P<0.05), 說明加富硫素營養可促進藻細胞的生長。尖狀柵藻細胞的葉綠素a、b以及總類胡蘿卜素含量變化均與培養基中初始硫素營養水平呈正相關。在培養初期低硫營養有利于藻細胞快速積累碳水化合物, 0.25S實驗組碳水化合物含量最高, 占干重的44.37%, 比1.0S和2.0S組分別高出14.43%和13.78%, 培養后期總碳水化合物和蛋白含量均發生不同程度的降低, 轉向大量累積油脂, 0.25S實驗組的總脂含量最高, 達55.15% DW, 顯著高于1.0S和2.0S組(P<0.05)。藻細胞的光合放氧速率、PSⅡ最大光能轉化效率(Fv/Fm)、實際光能轉換效率(Yield)以及相對電子傳遞效率(ETR)均與培養液的初始硫素濃度呈正相關, 在整個培養周期中呈先上升后下降的趨勢。77 K低溫熒光顯示, 尖狀柵藻在培養初期2個光系統之間存在光能調配現象。上述結果說明, 尖狀柵藻細胞的生長、油脂積累和光合生理狀況與硫素營養水平直接相關。

尖狀柵藻; 硫素營養; 油脂積累; 光合生理參數

微藻作為水生生態系統中的重要生產者, 分布廣泛, 種類繁多, 在食品、能源、環境等方面具有廣泛應用意義[1]。現階段產油微藻積累油脂制備生物柴油, 已成為開發新型清潔可替代化石能源的研究熱點。如何提高藻細胞單位油脂的產量, 已成為利用微藻規模化生產生物燃料及高附加值產品的重要前提。

微藻油脂的積累與光合作用密切相關, 光合過程中產生的NAD(P)H和固定的CO2是油脂合成的重要基礎[2]。硫素是微藻生長過程中不可或缺的重要元素, 廣泛存在于生物體的蛋白質、油脂、碳水化合物等一些代謝產物中[3], 介導葉綠素、谷胱甘肽、輔酶等合成[4], 同時作為含硫蛋白和類囊體膜上硫代異鼠李糖甘油二酯(SQDG)的重要組成元素[5,6], 對維持穩定的光合膜結構, 參與調控光合產能代謝途徑有重要的影響。

硫限制或缺乏對微藻生長代謝的影響主要體現在, 細胞生長速率減緩, 含硫氨基酸和蛋白含量降低; 葉綠素含量減少, 類囊體膜結構發生變化, 光合作用能力減弱; 細胞內代謝途徑重新調整, 能量更多流向易于儲存的油脂進行累積等方面[7,8]。費小雯等[9]報道Heynigia riparia CE14-2在硫素缺乏下細胞生長受阻, 各組分中蛋白、糖和葉綠素等含量均發生不同程度的降低, 胞內油脂出現累積, 光合效率受到影響。Koichi等[10]提出萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)硫素缺乏早期階段, 光合膜脂SQDG含量減少, 類囊體膜結構發生改變, 導致光系統功能和結構發生變化。Giordano等[11]也證實, 在硫限制條件下杜氏鹽藻(Dunaliella salina)光合效率的降低與Rubisco酶蛋白和葉綠素a/b結合蛋白大幅下降相關, 且胞內的碳、氮、硫等代謝途徑出現重新調整。Mizuno等[12]研究發現小球藻屬(Chlorellaceae spp.)在硫缺乏早期階段大量累積的淀粉顆粒隨后期油滴的變大逐漸減少, 碳和能量轉為以油脂的形式進行儲存。Takeshita等[13]也提出小球藻(Chlorella viscosa)與普通小球藻(Chlorella vulgaris)在硫缺乏下不僅促進胞內油脂積累, 而且還促進了碳鏈長度超過C20脂肪酸累積比例的增長。由此可知, 微藻的硫素營養水平影響著細胞油脂積累和生理狀態, 從硫素不同營養水平研究微藻的生長、生化組分動態變化和細胞光合生理狀態,對于全面了解微藻光合產油代謝具有理論意義。

尖狀柵藻(S.acuminatus)是近期分離純化出的一株淡水產油綠藻, 生長速度快, 油脂累積率高, 能有效的去除廢水中氮、磷等營養元素, 具有高度研究價值[14]。本文以尖狀柵藻(S.acuminatus)為研究材料, 分別探討硫加富和硫限制下藻細胞的生長,油脂的累積, 蛋白質、碳水化合物和色素等組份的含量及其變化規律, 以葉綠素熒光參數指示光系統的生理狀態, 旨在了解硫素營養對微藻光合生理和代謝的影響, 為進一步探究微藻油脂積累的光合營養生理機制提供基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

尖狀柵藻(S.acuminatus)采自暨南大學南湖,由暨南大學水生生物研究中心微藻生物技術與生物能源實驗室保藏。

以改良BG-11為基礎, 將培養基中MgSO4、ZnSO4和CuSO4分別由MgCl2、ZnCl2和CuCl2代替。實驗設置2.0S、1.0S、0.25S(將原改良BG-11含硫量(換算成Na2SO4為43.4 mg)設為對照組, 定為1.0S), 用Na2SO4調節硫素濃度, 1 L無硫BG-11培養基中分別添加86.8、43.4、10.85 mg的Na2SO4(即為2.0S、1.0S、0.25S)。將藻細胞培養至對數生長中期, 3000 r/min低速離心5min。初始接種密度OD750為0.6, 采用Φ3.0 cm×60 cm的柱狀光生物反應器培養, 每組設置3個平行, 培養溫度為(25±1)℃,光照強度約為300 μmol photons/(m2·s), 通入含1% CO2的壓縮空氣, 培養周期為18d。

1.2 實驗方法

生物量和細胞密度的測定每天取5 mL藻液用預烘干至恒重的0.45 μm微孔濾膜抽濾, 置于105℃烘箱烘至恒重后稱重, 計算單位體積藻液的干重(Dry weight, DW)。定時取藻液樣品, 利用血球計數板進行細胞密度的測定。

總脂含量的測定及產率的計算總脂測定方法改良自Khozin等[15], 取100 mg凍干藻粉加入2 mL10%二甲基亞砜-甲醇(v鯰v=1鯰9)溶液, 50℃水浴、冰浴分別抽提1.5h后, 離心收集上清液于干燥潔凈的玻璃小瓶中, 藻渣加入4 mL乙醚-正己烷溶液 (v鯰v=1鯰1), 再冰浴抽提1.5h, 同樣離心收集上清液至上述玻璃小瓶中, 重復上述步驟直至藻渣變白。收集所有抽提液, 加入4 mL蒸餾水靜置分相,移取有機相至另一小玻璃瓶, 氮氣吹干濃縮, 用乙醚洗滌并轉移至預先稱重的2 mL塑料離心管(管重記為M1)中, 用氮氣吹干至恒重(記為M2)。

總脂含量(凍干藻粉的百分比)=(M2–M1)·100%/凍干藻粉的重量。

單位體積總脂產率[g/(L·d)]=生物量(g/L)×總脂含量(%)/培養天數(d)

總碳水化合物含量的測定參照Dubios等[16]的硫酸-苯酚法, 取10 mg干燥脫脂藻渣, 加入5 mL 0.5 mol/L H2SO4, 于100℃恒溫水浴4h。3000 r/min離心5min, 將上清移至50 mL的容量瓶中, 用去離子水洗滌沉淀并離心轉移上清液至容量瓶(重復兩次), 定容至50 mL。取1 mL提取液, 補水至2 mL, 迅速加入6%苯酚及濃H2SO4搖勻, 冷卻后于490 nm下測定吸光值。以葡萄糖為標準物制作標準曲線, 利用標準方程計算總碳水化合物含量。

可溶性蛋白含量的測定用0.5 mol/L NaOH于80℃反復抽提脫脂藻渣, 直至抽提完全。提取液采用lowry法蛋白含量測定試劑盒(上海荔達生物科技有限公司)進行測定。

色素含量的測定每隔24h取藻液1 mL, 3000 r/min低速離心5min后棄上清, 加入10 mL的甲醇, 置于恒溫水浴(70℃)避光提取至沉淀變為灰白色, 相同條件離心后保留上清, 采用紫外可見光分光光度計測量其在波長470 nm (A470)、652 nm (A652)、665 nm (A665)、750 nm (A750)的吸光度, 葉綠素及類胡蘿卜素(mg/L)含量計算公式參考文獻[17]如下:

Chlorophyll a=16.72×(A665–A750)–9.16× (A652–A750)

Chlorophyll b=34.09×(A652–A750)– 15.28×(A665–A750)

Carotenoids=(1000×A470–1.63×Chl.a–104.96× Chl.b)/221

光合放氧速率和暗呼吸速率的測定采用Clark型液相氧電極(Hansatech Oxygraph, 英國)測定單位時間內微藻溶液中溶氧量的變化。取適量新鮮藻液用100 mmol/L的碳酸氫鈉(NaHCO3)溶液調至其OD750為0.5, 暗處理30min, 分成2份分別用于干重測定和放氧速率測定。測量之前, 首先對氧電極的飽和氧曲線和零氧曲線的進行校準, 然后對其靈敏度進行標定。測定時, 以LED光源300 μmol photons/(m2·s)的光強照射微藻, 進行光合反應, 測定10min內氧氣平均釋放速率, 即為光合放氧速率[μmol O2/(mg·DW·min)]; 關閉光源, 暗反應10min,測定藻液中氧氣消耗平均速率, 即為暗呼吸速率[μmol O2/(mg·DW·min)]。

葉綠素熒光參數和低溫熒光光譜測定參考梁英等[18]測定方法并對其進行改進, 測定儀器為XE-PAM脈沖調制式葉綠素熒光儀(Walz, 德國)。將樣品調為同一吸光度(A750=0.5)并暗處理30min,加入四面透光比色皿置于熒光儀中, 打開測量光[光合有效輻射約為8 μmol photons/(m2·s)], 對初始熒光F0進行測量。然后打開光化光[光合有效輻射為368 μmol photons/(m2·s)], 照射5min, 再打開飽和脈沖光激發, 測定藻細胞不同生長時期光系統Ⅱ(PSⅡ)的Yield、ETR、Fv/Fm等光合參數。

采用日立F-4500型熒光分光光度計測定藻細胞在77 K的熒光發射光譜, 激發波長為436 nm, 掃描范圍為640—750 nm, 掃描速度為240 nm/min, 狹縫寬度為2 nm。

數據處理采用Origin 8.6對數據進行分析處理, 并用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析及相關性分析, P<0.05表示差異顯著。

2 結果

2.1 不同硫濃度下尖狀柵藻的生長

由圖 1可知, 尖狀柵藻在培養初期階段經歷一個短暫的延滯期后進入指數期生長, 生物量從培養第3天開始隨Na2SO4初始濃度的不同而呈現差異。2.0S實驗組的生物量在培養前9天內迅速增加, 隨后緩慢進入平臺期, 至培養第18天, 生物量達到最大, 為7.47 g/L。顯著高于對照組(1.0S組) (P<0.05)。這說明加富硫素營養促進微藻生長, 有利藻細胞的生物量累積。0.25S實驗組在培養前3天細胞快速生長, 生長速度在第1至第2天略高于1.0S組, 但差異不顯著。隨著培養基中硫素被消耗殆盡, 0.25S組藻細胞生長從培養第3天開始受到嚴重限制, 生物量增加減緩, 至培養第18天, 生物量始終顯著低于對照組(1.0S組)(P<0.05), 為4.17 g/L, 且細胞密度也顯著低于對照組(P<0.05)。這說明在硫限制條件下尖狀柵藻的生長在培養初期受抑制, 藻細胞積累生物量的能力減弱。

圖 1 不同初始硫濃度下尖狀柵藻生物量(a)和細胞密度的變化(b)Fig.1 Changes of biomass and cell density of S.acuminatus at different initial Na2SO4concentrations during cultivation

2.2 不同硫濃度下光合色素含量的變化

如圖 2所示, 尖狀柵藻在不同Na2SO4濃度下的色素含量變化均呈現先顯著上升后緩慢下降的趨勢, 其含量與初始Na2SO4濃度的大小呈正相關, 初始Na2SO4濃度越高, 色素合成增長越快。在培養前4天, 色素含量迅速增加, 其中2.0S實驗組(富硫組)顯著高于其他2個實驗組(P<0.05)。這說明加富硫素營養有利于尖狀柵藻在初期階段快速合成大量的光合色素, 提高藻細胞捕獲光能的效率。在低硫條件下尖狀柵藻色素的合成受到顯著抑制, 整個培養周期中, 0.25S實驗組色素含量始終顯著低于對照組(1.0S組)和富硫組(2.0S實驗組)(P<0.05), 至培養第18天, 0.25S實驗組的葉綠素a、b以及類胡蘿卜素的含量分別僅占富硫組的7.92%、8.13%、15.25%。

2.3 不同硫濃度下主要生化組份的變化

在培養初期, 胞內總脂含量較低, 僅占干重的15.95%, 而可溶性蛋白和碳水化合物含量分別占干重38.21%和24.98%。在整個培養周期內, 3個濃度組的藻細胞物質組份總額穩定維持在78%—82% DW, 且均表現為油脂累積持續增加, 碳水化合物和可溶性蛋白含量減少的趨勢(圖 3)。

圖 2 不同初始硫濃度下尖狀柵藻色素含量的變化Fig.2 Changes of pigment content of S.acuminatus at different initial Na2SO4concentrations during cultivation a.Chlorophyll a; b.Chlorophyll b; c.Carotenoids; d.Carotenoids/Chlorophyll

由圖 3a、圖 3d可知, 0.25S、1.0S、2.0S實驗組的總脂含量在整個培養周期內均隨時相的推移不斷升高。0—3d油脂增長緩慢, 圖 3a中2.0S實驗組和對照組(1.0S組)在第3天出現略微的下降, 但很快又恢復增長。培養在3—9d總脂含量增長迅速,各濃度組在第9天單位體積油脂產率達到最大, 分別為0.1799、0.2419、0.2025 g/(L·d), 隨后出現降低, 導致9—18d總脂含量增長變緩, 至培養第18天,油脂累積量均達到最大, 其中0.25S實驗組的油脂含量均顯著高于對照組(1.0S)和2.0S實驗組(P< 0.05), 分別占干重的55.15%、42.95%、42.85%, 說明低硫條件有利于微藻油脂的累積。

由圖 3b可知, 0.25S、1.0S、2.0S實驗組的碳水化合物含量在整個培養周期內均呈現先快速上升后緩慢下降的趨勢, 均在培養第3天達到最大, 其中0.25S實驗組碳水化合物含量最高, 占干重44.37%,顯著高于其他2組(P<0.05), 然對照組和2.0S實驗組間差異不顯著, 分別占干重32.57%、33.07%。這說明在低硫條件下尖狀柵藻在培養初期高效促進碳水化合物合成。由圖 3c可知, 可溶性蛋白含量的變化在培養周期內隨初始Na2SO4濃度的減少呈現梯度降低的趨勢。0.25S在培養第3天急劇降低了26.63% DW, 至培養周期結束降至5.57% DW, 顯著低于對照組(P<0.05)。這說明在低硫素條件下, 尖狀柵藻在培養初期蛋白合成嚴重受限, 藻細胞通過分解蛋白質中一些含硫多肽或氨基酸來維持生長,所以蛋白含量顯著降低。

2.4 不同硫濃度下藻細胞光合參數的變化

從圖 4a、b中可以看出, 隨培養時間的延長3個實驗組的光合速率均呈現先上升后下降的趨勢。各濃度組在培養第1天均出現急劇升高的現象,其中以2.0S組的光合速率最大, 為111.48 μmol O2/ (mg DW·min), 分別高出對照組和低硫組(0.25S) 16.06和82.34 μmol O2/(mg DW·min)。在培養的2—10d內迅速降至最低, 對照組和低硫組(0.25S)的光合速率趨近于零, 而2.0S組以一個較低的速率維持正常的光合作用, 在培養周期內, 低硫組(0.25S)和對照組的光合速率始終低于2.0S實驗組。暗呼吸速率變化趨勢與光合速率變化相似, 前期迅速升高, 在培養第1天達到最大, 隨后降至最低,趨于平緩, 以穩定的暗呼吸速率維持藻細胞生命代謝活動。

圖 3 不同初始硫濃度下尖狀柵藻主要生化組分的時相變化及總脂產率Fig.3 Changes of major biochemical components of S.acuminatus during cultivation and lipid productivity at different initial Na2SO4concentrations

葉綠素熒光參數作為衡量細胞光合生理狀況的一個標準, 被廣泛應用于微藻研究中[19]。從圖4c可知, 各濃度組藻細胞的最大光能轉換效率Fv/Fm在培養第1天升高, 達到最大, 隨后均呈現迅速降低的趨勢, 在培養的第2至第8天, 不同初始Na2SO4濃度組之間Fv/Fm值差異顯著(P<0.05), 2.0S實驗組的Fv/Fm值大于對照組和0.25S組(低硫組)。隨培養時間的延長, 對照組和2.0S實驗組的Fv/Fm持續降低, 而低硫組(0.25S)的值從培養第8天開始上升。Yield表示光系統Ⅱ(PSⅡ)實際量子產量, 它反映PSⅡ反應中心在光照下的實際光能轉化效率, 從圖 5d可見, 尖狀柵藻Yield在不同初始Na2SO4濃度下的變化均呈現先上升后下降、最后趨于穩定。在培養第1天, Yield值迅速上升, 達到最大值后便顯著降低, 2.0S組和對照組在培養第6至第8天趨于平穩, 而0.25S組由于培養初期硫素耗盡,其Yield在第3天降至最低后便達到穩定。培養前6d內, 0.25S組的Yield值相對較小。而第6天后, 低硫組的Yield值出現略微升高, 在培養后期逐漸大于對照組和2.0S組。ETR作為PSⅡ反應中心的電子流通量指標, 表示其電子的傳遞速率, 從圖 5e可知, 不同初始Na2SO4濃度下尖狀柵藻的電子傳遞速率ETR的變化趨勢與Yield基本一致, 培養初期快速升高, 隨后迅速下降, 最后逐漸穩定的趨勢。3個硫濃度組尖狀柵藻葉綠素熒光參數的時相變化表明, 藻細胞PSⅡ活性隨著培養時間的延長逐漸降低, 其原因可能是硫素的不斷消耗導致PSⅡ反應中心間接或直接受損。

2.5 不同硫濃度下77 K低溫熒光光譜特征變化

尖狀柵藻在不同初始Na2SO4濃度下77 K低溫熒光發射光譜在685和714 nm處有2個發射峰, 分別來自PSⅡ外周天線和PSⅠ蛋白復合物。從圖 5a、b可知, 隨著培養時間的延長, 各熒光發射峰的相對高度均發生變化, 其中2.0S實驗組和對照組在第3天均出現F714峰值大于F685峰值的現象。培養至第9天, 兩組熒光峰值的變化出現分歧, 2.0S實驗組持續維持F714高于F685的狀態, 而對照組的F685峰值迅速升高, 出現大于F714的現象, 比2.0S組早一步進入F685高于F714的狀態。圖 5c中0.25S實驗組在整個培養周期內F685峰值均大于F714峰值, 相對熒光強度隨培養時間延長呈先增后降的趨勢, F714處熒光峰最后逐漸消失。

圖 4 不同初始硫濃度下尖狀柵藻光合參數的動態變化Fig.4 Changes of photosynthetic parameters of S.acuminatus during cultivation at different initial Na2SO4concentrations

圖 5d為77K低溫熒光發射峰F714與F685比值變化, 更直觀反映了尖狀柵藻在3個硫濃度下77 K熒光發射光譜峰隨著時間推移的變化情況。2.0S組和對照組的F714/F685變化在培養周期內呈現先升后降的趨勢, 在培養第3天達到最大值, 與初始狀態相比, 分別升高了1.241、0.384, 隨后出現降低, 2.0S組一直維持較高的F714/F685狀態。而0.25S組F714/F685變化呈持續下降, 在第6天降至最低后保持平穩。

3 討論

硫素作為光合生物生長發育過程中繼氮、磷、鉀后第四位必需的中量營養元素, 其營養水平直接影響光合生物的生長狀態和油脂產量, 對于低等的單細胞藻類, 生長代謝過程受硫素營養的影響更為顯著。然目前以氮素或磷素等作為營養限制因子進行微藻產油機制研究的報道較多[20—22]。本實驗通過設置3個不同初始Na2SO4濃度來研究尖狀柵藻的產油生長代謝, 結果顯示, 藻細胞在2.0S實驗組下生物量累積高, 生長速度快, 細胞密度顯著高于對照組和0.25S實驗組(P<0.05), 說明加富的硫素營養促進尖狀柵藻細胞的快速生長和繁殖。而低硫組(0.25S組)在培養1—2d內出現生物量與細胞分裂速度略高于對照組和2.0S實驗組的現象, 可能是尖狀柵藻在培養初期便進入硫素脅迫狀態, 為應對硫素營養供應不足, 藻細胞產生了一個高效吸收利用SO的應激反應[23], 導致短期內細胞迅速生長。

圖 5 不同初始Na2SO4濃度下尖狀柵藻77 K低溫熒光發射光譜和F714與F685比值變化Fig.5 Changes of flouresecence emission spectra and the ratio of F714 to F685 at 77 K of S.Acuminatus during cultivation at different initial Na2SO4concentrations

微藻在營養鹽缺乏、高光強等環境脅迫下, 通過改變藻細胞物質組成成分, 來調整自身代謝途徑維持正常生命活動, 主要表現為蛋白質和碳水化合物含量降低, 油脂大量積累[24,25], 這與本研究結果一致。3個濃度組尖狀柵藻的碳水化合物含量隨光合速率升高不斷增加, 在培養前3天達到最大, 后期隨硫素大量消耗, 藻細胞光合放氧速率和Fv/Fm降低, 碳水化合物合成開始減少。而可溶性蛋白含量在整個培養周期內呈持續降低趨勢, 競爭的碳源和能量由最初流向碳水化合物轉向油脂合成, 且隨油脂含量的大量增加顯著降低, 其中低硫水平(0.25S實驗組)下降最為顯著(圖 3)。這與微芒藻（Micractinium pusillum）Y-002在缺硫條件下出現蛋白含量大量減少的報道一致[24], 藻細胞可能通過降解一些非必需蛋白來獲取硫素維持生存。低硫組(0.25S)在培養前3天獲得最大碳水化合物的累積量的原因: 一方面尖狀柵藻細胞核和細胞分裂受抑制, 細胞分裂次數減少, 用于合成細胞分裂間期階段的RNA、蛋白質等生物大分和DNA復制的能量與碳源, 轉向淀粉的合成[26,27]; 另一方面缺硫后分裂的子細胞生物大分子合成雖受阻, 但仍能以正常細胞的光合效率進行光合作用合成大量淀粉, 導致碳水化合物含量迅速增加[8]。而2.0S實驗組與対照組在培養初期由于硫素充足, 細胞生長和分裂旺盛,導致蛋白的合成和碳水化合物大量競爭碳源。油脂作為應對營養脅迫和環境壓力的一種長期儲能方式[28,29], 累積含量在整個培養周期內呈現持續增長, 其中0.25S實驗組下尖狀柵藻油脂累積量最高,占干重的55.15%, 說明硫素營養限制或缺乏有利于藻細胞油脂積累。這與辜博等[24]報道一致。然就第18天單位體積油脂產率而言, 0.25S實驗組顯著低于對照組和2.0S實驗組(P<0.05), 表明低硫條件雖有利于尖狀柵藻油脂積累, 但最終不利于藻細胞生長。

微藻為應對高光、營養脅迫環境, 除通過改變胞內物質組分外, 還產生了內部調整光能吸收機制[30,31], 來保護光合器官。主要體現在: (1)降低葉綠素a和b的含量, 減少光系統對光能的過度捕獲而造成的光破壞, 同時提高類胡蘿卜素的合成, 減弱胞內氧化活性因子對藻細胞的損傷[32]; (2)均衡調配光能和能量耗散的比例[33,34]。F714/F685的變化與PSⅡ主要外周天線LHCⅡ與PSⅡ核心復合物解離程度相關, 2.0S組和對照組在培養初期F714/F685升高可能是藻細胞為保護PSⅡ避免被高光照射損傷一種短期調控方式, 通過部分LHCⅡ的可逆解離來重新分配激發能, 調節PSⅠ和PSⅡ能量耗散的比例, 維持正常的光合作用。0.25S實驗組F714與F685比值持續走低, 表明尖狀柵藻在培養初期PSⅡ活性受硫素脅迫和高光的影響, 藻細胞吸收、傳遞光能的能力減弱, 能量在PSⅡ處以熒光形式大量耗散。葉綠素熒光參數作為光合生物光系統生理狀態的重要指證, 反應細胞對光能捕獲的能力與效率。尖狀柵藻在不同初始Na2SO4濃度下的Fv/Fm、ETR、Yield值的變化均呈先升后降的趨勢。研究報道, 在硫素限制下, 蛋白含量驟減, 參與和介導D1蛋白合成周轉的含硫氨基酸出現供應不足[35—38], 導致光系統Ⅱ(PSⅡ)反應中心受損, PSⅡ活性降低。Westerman等[39]發現PSⅡ在硫和鎂同時缺乏下嚴重損傷, 最大量子產率(Fv/Fm)和D1蛋白含量出現顯著降低。在氮、磷和硫素嚴重供應不足下同樣會導致光合生物PSⅡ實際量子產量(Yield)與最大量子產率(Fv/Fm)顯著降低, QA還原狀態升高[40]。同時光合電子的傳遞會因鐵-硫蛋白和鐵氧還蛋白(Fd)合成減少而受到影響, 電子傳遞效率ETR降低[5]。但在培養后期, 低硫組(0.25S)葉綠素熒光參數出現略微升高, 可能是衰亡細胞為后續生長的尖狀柵藻提供硫源, 促進生長, 亦有可能藻細胞啟動其他能量代補償途徑提高光合代謝, 促進電子傳遞, 促進胞內油脂持續累積。同時, 硫素營養與氮素同化相互影響, 微藻在不同硫素水平條件下其細胞內部營養代謝是如何調控？是否驅動能量代補償途徑等問題尚需進一步研究。

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EFFECTS OF SULFUR CONCENTRATION ON THE PHOTOSYNTHETIC PHYSIOLOGY AND BIOCHEMICAL COMPOSITION OF SCENEDESMUS ACUMINATUS

WANG Qian-Ya, ZHANG Ying, LI Ai-Fen and ZHANG Cheng-Wu
(Institute of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China)

Scenedesmus acuminatus microalgae are capable of accumulating lipids when exposed to different sulfur concentrations and are therefore considered promising organisms for biodiesel production.Using column photobioreactors, the relevance of different sulfur concentration (2.0S, 1.0S, and 0.25S) on the growth and photosynthetic physiology of the algae was investigated.The initial sulfur concentration had a significant effect on the growth of S.acuminatus (P<0.05).A maximum biomass of 7.47 g/L was obtained in the 2.0S group, which was significantly higher than that of the 1.0S and 0.25S groups (6.43 g/L and 4.17 g/L, respectively; P<0.05), indicating that the addition of sulfur-rich nutrients could promote algae growth.The changes in chlorophyll and band total carotenoid content in S.acuminatus positively correlated with the initial sulfur level in the medium.At the beginning of cultivation, rapid accumulation of carbohydrates occurred under low sulfur conditions; the 0.25S group achieved the highest carbohydrate content accounting for 44.37% of the dry weight, which was 14.43% and 13.78% higher than that of the 1.0S and 2.0S groups, respectively.With a decreased carbohydrate and protein content, lipid content increased significantly in the later stages of cultivation.The 0.25S group acquired the maximum lipid content (55.15% of the dry weight), which was significantly higher than that of the other two groups (P<0.05).Meanwhile, the photosynthetic oxygen evolution rate, maximum light energy conversion efficiency of PSⅡ (Fv/Fm), actual light energy conversion efficiency (yield), and the relative electron transfer efficiency (ETR) positively correlated with the initial sulfur concentration in the culture medium; the whole culture period showed a tendency to increase first and then significantly decrease.The results of fluorescence emission spectroscopy at 77 K showed that there was light energy allocation between the two photosynthetic systems at the cultivation prophase.In conclusion, growth, lipid accumulation, and photosynthetic physiology of S.acuminatus were apparently influenced by the sulfur concentration.

Scenedesmus acuminatus; Sulfur Concentration; Lipid accumulation; Photosynthetic physiological parameter

Q948.8

A

1000-3207(2017)04-0904-10

10.7541/2017.113

2016-10-13;

2017-02-18

國家自然科學基金(41176105); 中央高校基本科研業務費專項資金(21614101)資助 [National Natural Science Foundation of China (41176105); Fundamental Research Funds for the Central Universities (21614101)]

王倩雅(1991—), 女, 湖南常德人; 碩士研究生; 研究方向為微藻生理生化與生物技術。E-mail: wangqianya1234@163.com

李愛芬, E-mail: tiger@jnu.edu.cn