节能灯替代白炽灯为光源对光合细菌SXY-8菌株生长及活细胞吸收光谱的影响

曹林波，崔战利

（黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319）

节能灯替代白炽灯为光源对光合细菌SXY-8菌株生长及活细胞吸收光谱的影响

曹林波，崔战利

（黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319）

为了探讨节能灯替代白炽灯作光源培养光合细菌的可能性，在相同光强的节能灯和白炽灯下及不同光强的节能灯下对产5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA）的光合细菌SXY-8菌株的生长和活细胞吸收光谱进行了比较。试验表明同等光照强度下，SXY-8在白炽灯下比节能灯下提前8 h进入对数生长期，菌绿素含量明显高，而培养物浓度、活细胞的类胡萝卜素和菌绿素的吸收光谱两种光源下相同；SXY-8在8 W节能灯下生长速度显著（P＜0.05）高于14 W节能灯下，两种灯下的培养物终浓度无显著（P＜0.05）差异且较高。节能灯可替代白炽灯作光源培养产ALA的光合细菌SXY-8菌株。

光合细菌；节能灯（CFL）；白炽灯；光照强度；生长曲线；活细胞吸收光谱

光合细菌（photo synthetic bacteria，PSB）属于光能异养细菌，同时在不同条件下又具有多种生理活性物质和多种灵活的生理特性。光合细菌菌体含60%以上蛋白质，并富含多种维生素，其中VB12、叶酸、生物素的含量是酵母的几千倍，此外，还含有辅酶Q10、抗病毒物质及生长促进因子[1]，菌体在光照厌氧条件下还会形成菌绿素和类胡萝卜素等光合色素。光合细菌由于其特有的生理过程和组成成分，它在渔业、畜牧业、种植业、污染治理、生物产氢、色素合成、单细胞蛋白生产、清洁能源生产等行业有着较广泛的作用和良好应用前景[2]。目前国内培养光合细菌多采用白炽灯和钠灯作为光源，白炽灯可发出连

续的可见光和红外线，其光能转换效率较低，温度较高不易控制，钠灯发射光的波长非常窄。而节能灯（学名紧凑型三基色电子荧光灯，简称CFL）为线状光谱，其中紫光、蓝光、绿光能量最高，并混有少许黄光、橙光和紫外线[3]，节能，产热少，灯泡寿命长。此外，白炽灯正面临着全面停产和被LED灯取代的局面。故在对实验室保藏的5株光合细菌在节能灯下生长状况的研究基础上，以产5-氨基乙酰丙酸的SXY-8菌种为代表以相同光强白炽灯与节能灯作为光源，以及不同光照强度节能灯对光合细菌的生长以及活细胞吸收光谱的影响进行研究，为节能灯代替白炽灯降低产5-氨基乙酰丙酸光合细菌培养成本提供依据。

1 材料与方法

1.1 菌种

试验用光合细菌5个菌株SXY-8、YG、SD、NDT、HGZS，均由黑龙江八一农垦大学生命科技学院微生物教研室提供。

1.2 培养基

光合细菌的培养基配方（1 000 mL）：乙酸钠2 g、丙酸钠1 g、氯化铵1 g、磷酸氢二钾0.5 g、酵母膏0.3 g、微量元素母液10 mL。

微量元素母液配方（1 000 mL）：硫酸铁5 mg、五水硫酸铜0.05 mg、硼酸1 mg、四氯化锰0.05 mg、硫酸锌1 mg、六水硝酸钴0.5 mg。

1.3 可在节能灯下良好生长的光合细菌筛选

将在白炽灯为光源活化后得到生长良好的5株光合细菌菌种，重新接种于50 mL玻璃瓶中胶塞密封培养，接种量均为10%，每种菌株接种4瓶，置于820 Lux（8 W节能灯，为海德信色调节能灯泡，下同）下培养，控制温度为35±2℃。每天观测3～4次并记录。最终选取生长速度较快，菌液浓度最高的菌种为试验菌种。

1.4 等光强的节能灯和白炽灯对光合细菌生长和吸收光谱的影响

1.4.1 等光强的节能灯和白炽灯对光合细菌生长的影响

将3 mL灭菌培养基无菌操作加入经50 mg·L-1次氯酸钠杀菌和无菌水多次冲洗的751玻璃比色皿中[4]，并以10%接种量接入试验菌种，比色皿口用无菌自制橡胶塞封口并用固体石蜡密封，每个处理4次重复。分别放于8 W节能灯和60 W白炽灯下用Tondaj LX-1018型照度计选取光照强度1 000 Lux的位置，控制温度均为31±2℃，每隔约8 h在660 nm波长下测定OD值，并分别按1.6方法作生长曲线[5]。

1.4.2 等光强的节能灯和白炽灯对光合细菌吸收光谱的影响

将试验菌种接种于50 mL玻璃瓶中培养，培养基量为50 mL，接种量为10%，接种5瓶。分别置于8 W节能灯和60 W白炽灯下用照度计测量光照强度1 000 Lux的位置培养，控制温度均为31±2℃。与试验1.4.1同时放于同一温箱中培养，同时根据试验中试验菌种的生长曲线，在延滞期、对数期和平衡阶段分别取出1瓶，混匀，分别按1.7方法测定活细胞吸光光谱。

1.5 不同光强的节能灯对光合细菌生长的影响

将试验菌种接种于751玻璃比色皿中培养，培养基量为3 mL，接种量为17%，分别置于8 W（820 Lux）、11 W（1 280 Lux）、14 W（1 500 Lux）节能灯下培养，每个处理4次重复，控制温度为35±2℃，每隔约8 h在660 nm波长下测定OD值，并分别按1.6方法作生长曲线。

1.6 光合细菌生长曲线的测定

每隔约8 h取出培养光合细菌的比色皿，于漩涡混合器将光合细菌悬液振荡混匀，用VIS-723G型分光光度计测量波长为660 nm的吸光值（OD值），空白对照为未接菌种的无菌培养基。将不同培养时间下测定的OD660nm值输入Excel表格，将生长较一致的同一时间的3次的检测值取平均值，以OD660nm值为纵坐标，以测定时间为横坐标，绘制光合细菌生长曲线[6]。并利用Excel的数据分析功能对试验1.4.1数据进行F检测和t检验，对试验1.5数据进行方差分析。

1.7 光合细菌活细胞吸收光谱测定方法

分别取20 mL菌液放入50 mL离心管中，4 000 r·min-1、17℃离心10 min，弃去上清液将菌体用无菌水悬浮洗涤并离心，重复3次。然后用20 mL 60%蔗糖溶液将光合细菌细胞悬浮成均匀菌悬液。以60%蔗糖溶液为空白对照，用北京普析TU-1 800紫外分光光度计在200～1 100 nm波长范围内每2 nm

测定光合细菌的活细胞吸光值（OD值），将不同波长下测定吸光值输入Excel表格，以吸光值为纵坐标，以波长为横坐标，用作图功能作出光合细菌的活细胞吸收光谱。

2 结果与分析

2.1 等光强的节能灯和白炽灯下SXY-8的生长曲线及吸收光谱

在节能灯光照下培养的5株光合细菌中，SXY-8菌液OD660nm最高，第7 d达0.895。故选择SXY-8作为试验菌种。本菌种经本实验室初步鉴定为可产新型植物生长调节剂的5-氨基乙酰丙酸的沼泽红假单胞菌。

2.1.1 等光强的节能灯和白炽灯下SXY-8生长曲线

SXY-8在白炽灯下培养时，0～32 h为适应（延滞期）期、32～120 h为对数期，120 h后进入稳定期；SXY-8在节能灯下培养时，0～40 h为适应期、40～120 h为对数期、120 h后进入稳定期（见图1）。可见，SXY-8除在白炽灯下进入对数期比节能灯早8 h外，进入生长曲线其它各时期的时间在两种培养条件下均相近。经F测验和t检验，SXY-8在白炽灯下在培养16～40 h间培养物浓度比节能灯下显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）高，其它培养时间两者培养物浓度无显著差异，培养物最终浓度也无显著差异（P＜0.05）。

图1 等光强的节能灯和白炽灯下SXY-8的生长曲线Fig.1Growth curve of SXY-8 at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

2.1.2 等光强的节能灯和白炽灯下SXY-8的吸收光谱

根据2.1.1试验结果，选取培养40 h时为延滞期代表、培养96 h时为对数期代表、培养200 h时为稳定期代表，分别在这三个时期进行SXY-8菌株活细胞的吸收光谱测量（见图2、图3、图4）。

图2 等光强的节能灯和白炽灯培养40 h菌株SXY-8活细胞吸收光谱Fig.2Absorption spectra of SXY-8 living cells of the cultured 40 h at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

图3 等光强的节能灯和白炽灯培养96 h菌株SXY-8活细胞吸收光谱Fig.3Absorption spectra of SXY-8 living cells of the cultured 96 h at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

图4 等光强的节能灯和白炽灯培养200 h菌株SXY-8活细胞吸收光谱Fig.4Absorption spectra of SXY-8 living cells of the cultured 200 h at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

由图2、3、4可见，白炽灯下培养40 h时菌株SXY-8类胡萝卜素吸收峰均高于节能灯下，但在培养96 h和200 h时白炽灯与节能灯下培养的SXY-8

中类胡萝卜素含量相近，而节能灯下SXY-8菌绿素的含量要远超过白炽灯下，说明节能灯下需要合成更多的菌绿素a来捕获光能进行光合磷酸化。

由图2可见，两种灯下菌绿素a在延滞期后期在紫外区与红外区吸收峰波长出现差异，节能灯下相比白炽灯下出现蓝移（向紫效应）[7]。而图3、图4还可见，在两种灯下菌绿素a在对数中期和稳定期在紫外区与红外区吸收峰波长没有差异。

由图2～4可见，40 h和96 h节能灯与白炽灯下活细胞类胡萝卜素吸收峰波长与吸光值均有较大差异，而在200 h两种灯下类胡萝卜素吸收峰波长与吸光值均接近。

2.2 不同光照强度的节能灯下SXY-8的生长曲线

图5可见，三种不同光强节能灯下SXY-8菌株的生长曲线。SXY-8在8 W和14 W节能灯下培养时，0～56 h为适应期，在14 W比在8 W节能灯下提前8 h进入稳定期前期；在11 W节能灯下培养时，0～56 h为适应期、56～144 h为对数期、144 h以后为稳定期。方差分析表明，培养时间在88～120 h间即对数生长后期，在三种光强节能灯下SXY-8培养物浓度无显著（P＜0.05）差异，而在其它培养时间三种光强节能灯下SXY-8菌浓存在显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）差异。8 W（1 500 Lux）下细菌生长速度最快，14 W（820 Lux）下其次。最终培养物浓度8 W（820 Lux）与14 W（1 280 Lux）下无显著（P＜0.05）差异（见图5）。

图5 不同光强节能灯下SXY-8生长曲线Fig.5Growth curve of SXY-8 at energy-saving lamps of different intensity

3 讨论

试验结果表明，在同等光强下，节能灯下的SXY-8生长时期、生长速度、培养物终浓度与白炽灯下接近，节能灯可替代白炽灯进行被试光合细菌菌株的培养。

光合细菌的光合色素由菌绿素（BChl）和类胡萝卜素组成。现已发现的不产氧光合细菌所特有的一类色素菌绿素有a、b、c、d、e 5种，每种都有固定的光吸收波长，多数菌绿素的作用是捕获光能，具有独特的宽光谱吸光特性和荧光特性[8]。类胡萝卜素不仅能将捕获的光能传递给菌绿素分子，而且还能猝灭菌绿素所产生的荧光。类胡萝卜素的吸收波长是450～550 nm，菌绿素a的吸收峰为375、590、796～805、820～898 nm；菌绿素b吸收峰为400、605、835～840、980～1 030 nm[7，9，10]。在不同的菌株中，光和氧对细胞内光合色素的积累呈现不同的变化规律[11]。节能灯下SXY-8菌绿素a的含量明显比白炽灯下高，说明光合细菌通过增加菌绿素a的含量满足光合作用中捕获足够光能所需，其可能原因：一方面是节能灯光谱中的蓝紫光含量比白炽灯高，刺激SXY-8中的菌绿素的合成增强；另一方面是在一定范围内光照强度与菌绿素a含量成反比[8，12]，节能灯光线中利于菌绿素a吸收的波长的光光强相对较低，迫使光合细菌增加菌绿素a的含量满足光合磷酸化所需，以更充分利用节能灯相应波长的光能。

11 W节能灯的光谱中的紫外线较多，且多为365 nm紫外线，穿透玻璃的能力较强对光合细菌的生长可能有较大的抑制作用，而8 W与14 W的节能灯中紫外线含量较少，且多为315 nm紫外线[13]，由于其含量少，且穿透玻璃的能力差，所以对光合细菌的培养物终浓度影响很小。这可能是8 W和14 W节能灯下的SXY-8菌株菌浓较11W节能灯下的高的原因之一。

研究仅针对沼泽红假单胞菌的一个产ALA菌株进行了的节能灯替代白炽灯培养光合细菌的研究，其它光合细菌在节能灯下生长状况还需要进一步的研究。针对培养基成分、其他培养条件对节能灯下光合细菌生长的影响今后也需要进一步研究，以期获得利用节能灯在更短培养时间达到更高菌体浓度的光合细菌培养条件。

4 结论

同等光照强度下，SXY-8白炽灯下比节能灯下提前8 h进入对数生长期，但培养物终浓度两者差异不显著，节能灯替代白炽灯培养SXY-8对延滞期和对数期类胡萝卜素的种类和含量有一定影响，而至稳定期类胡萝卜素的种类和含量两种灯接近；延滞

期节能灯下菌绿素a含量明显低于白炽灯下，至对数期中期和稳定期节能灯菌绿素a的含量明显比白炽灯下高。不同光强的节能灯对光合细菌的影响较大，SXY-8在8 W节能灯下生长速度显著高于14 W节能灯，8 W和14 W节能灯下的培养物终浓度无显著（P＜0.05）差异且较高。8 W节能灯因耗电低替代白炽灯进行光合细菌培养更经济有效。

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Effects of Illuminant with Energy-saving Lamps Replacing Incandescent Lamps on Growth and Absorption Spectra of Photosynthetic Bacteria SXY-8

Cao Linbo，Cui Zhanli
（College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

In order to explore the possibility of energy-saving lamps that replaced incandescent light sources for culturing photosynthetic bacteria，the growth and living cells absorption spectra of photosynthetic bacteria SXY-8 producing 5-aminolevulinic acid（ALA）at the same light intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps and at the different light intensities of energysaving lamp were compared.At the same light intensity，the tests showed that SXY-8 at the incandescent lamp than energy-saving lamps arrived the logarithmic growth phase 8 h in advance，and bacteriochlorophyll content was higher，but the concentration of the culture and the absorption spectra of carotenoid and bacteriochlorophyll of living cells were same at the two light sources.Growth rate of SXY-8 at 8 W energy-saving lamp was significantly（P＜0.05）higher than at 14 W energy-saving lamp，and the concentration of the culture at 8 W（820 Lux）and 14 W（1 500 Lux）energy-saving lamp were similar and high，and energy-saving lamps could replace incandescent lamp as the light source for culturing photosynthetic bacteria SXY-8 producing ALA.

photosynthetic bacteria SXY-8；energy-saving lamps；incandescent；light intensity；growth curve；absorption spectra of living cells

Q93-335

A

1002-2090（2015）02-0074-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2015.02.017

2014-05-10

黑龙江省农垦总局“十一五”重点科技攻关项目（HNKXIV-02-046）；黑龙江省教育厅面上项目（11541253）。

曹林波（1992-），黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院生物科学专业2010级本科生。

崔战利，女，教授，硕士研究生导师，E-mail：zhanlic@aliyun.com.cn。