LED光照对螺旋藻生长及锌富集的影响

高海洋，李高荣，师文庆，凌旭炜，李思东

（1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2.广东海洋大学理学院，广东 湛江 524088；3.广州市格棱生物科技开发有限公司吴川生物养殖基地，广东 吴川 524000）

LED光照对螺旋藻生长及锌富集的影响

高海洋1，李高荣1，师文庆2，凌旭炜3，李思东2

（1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2.广东海洋大学理学院，广东 湛江 524088；3.广州市格棱生物科技开发有限公司吴川生物养殖基地，广东 吴川 524000）

采用LED光照技术研究光照波长、照度和光照时间对螺旋藻生长及锌生物富集作用的影响。结果表明，不同波长LED光照下螺旋藻生物量增长的顺序为红光（655～665 nm）＞蓝光（465～475 nm）＞绿光（522～532 nm）＞黄光（570～580 nm），与对照组比，光照14 d生物量增加为红光组13.97%，蓝光组10.12%，绿光组1.44%，黄光组则减少2.88%；不同波长LED光照对螺旋藻锌富集作用的影响顺序为黄光＞绿光＞蓝光＞红光，实验8 d螺旋藻锌含量趋于稳定，与对照组比，黄光组增加43.73%，绿光组增加23.98%，蓝光组增加14.29%，红光组增加9.04%。以LED红光做光源，在照度0～10 000 lx范围内，螺旋藻生物量与照度成正相关；在照度0～8 000 lx范围内，螺旋藻锌含量与照度正相关；在光照时间0～6 h内，螺旋藻生物量和锌含量均随LED红光光照时间增加而增大。

螺旋藻；生长；锌；生物富集；LED

螺旋藻是一种原核多细胞型丝状微藻，属于蓝藻门、段殖藻目、颤藻科、螺旋藻属［1］。螺旋藻含有丰富的营养成分及多种生物活性物质，如蛋白质、氨基酸、不饱和脂肪酸、维生素、矿物元素、藻蓝蛋白、藻多糖和β-胡萝卜素等［2］，研究表明，螺旋藻及其提取物具有抗疲劳、耐缺氧、免疫调节、调节血脂、抑制肿瘤等生理功能［3-4］。

锌是人体正常新陈代谢必需的一种微量元素。国内外许多研究发现，与锌有关的酶类至少有200多种，锌在免疫系统发育和维持宿主防御功能中起决定性作用，尤其是锌对人的智力发展具有极其重要的作用［5］。人体缺锌时会导致生长发育不良，味觉障碍和免疫力下降等症状［6］。螺旋藻具有培养简便，生长速率快，对锌离子具有较强的生物富集能力等优点，是锌生物有机化的理想载体［7］。通过螺旋藻的生物富集转化作用，可将无机锌转化为有机锌，以提高锌的生理活性与吸收率，从而获得富含有机锌的功能性螺旋藻。LED是发光二极管的简称，为全固体发光体，具有波长固定、光质纯度高、耗能少和低发热等优点［8］，研究其对藻类生长发育、物质代谢及形态构建的影响已成为热点［9］。

关于螺旋藻锌富集的研究大多数集中在螺旋藻类型、锌添加量和添加方式，以及照度、pH等［10-12］对螺旋藻富集锌的影响，而系统地研究LED光照对螺旋藻富集锌的影响鲜见报道。本研究LED光照波长、照度及光照时间对螺旋藻生长以及对锌生物富集作用的影响，以期为富含有机锌的功能性螺旋藻的生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 藻种

藻种为钝顶螺旋藻，采自广州市格棱生物科技开发有限公司吴川生物养殖基地，在实验室中培养，备用。

1.2 实验药品和仪器

实验药品主要有碳酸氢钠、硝酸钠、氯化钠、磷酸氢二钾、硫酸钾、七水硫酸锌等，均为分析纯，微量元素溶液A5、B6直接购买。主要仪器有722S分光光度计、TAS-990原子吸收分光光度计、RXZ-280B人工气候箱、ST-80C照度计、AuY120分析天平等。

1.3 接种和培养条件

以Zarrouk培养液作为实验的基础培养基［13］。在Zarrouk培养液中添加ZnSO4·7H2O，配制初始的Zn2+质量浓度ρ始为7.00 mg/L［7］的实验培养液。取对数生长期的藻种接入实验培养液中，调节藻液的初始光密度D（560 nm）为0.100～0.200。实验用1 000mL三角烧瓶，培养体积750mL，置于人工气候箱中培养。除实验设置改变条件外，基本培养条件为：温度30℃，湿度90%，照度6 000 lx，光照时间12 h/d，每天定时搅拌3次。培养14 d。

1.4 实验设置

LED光源波长分别为红光（655～665 nm）、黄光（570～580 nm）、绿光（522～532 nm）、蓝光（465～475 nm），对照组为日光灯，照度为6 000 lx，光照时间为4 h；选择适宜的LED单色光，设定照度梯度为0、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 lx，光照时间为4 h；选择适宜的LED单色光，照度为6 000 lx，设定光照时间梯度为0、2、4、6 h。每个实验设两个平行组。

1.5 生物量测定和生长曲线绘制

采用光密度法，使用 722S分光光度计，以Zarrouk培养液作空白，取混匀的藻液在560 nm波长下测定光密度 D（560 nm）。按照参考文献［14］的实验方法，得到藻液生物量ρ与D（560 nm）的线性回归方程ρ = 0.603 4 D（560 nm）-0.012 9，培养过程中每天定时取样测定并记录D（560 nm）值，将每天测定的藻液D（560 nm）换算成生物量ρ（g/L）。以培养时间t为横坐标，生物量ρ为纵坐标，绘制螺旋藻生长曲线。

1.6 锌含量测定和锌含量曲线绘制

每天定时从培养藻液中滤取1.00mL溶液，使用TAS-990原子吸收分光光度计测定溶液中剩余锌的质量浓度ρ余。

富集锌质量mZn=（ρ始-ρ余）V；

螺旋藻锌质量分数 wZn= 富集锌质量 mZn/ 螺旋藻质量msp；

以培养时间为横坐标，螺旋藻锌质量分数 wZn为纵坐标，绘制螺旋藻锌含量wZn随培养时间变化曲线。

2 结果与分析

2.1 LED光照波长对螺旋藻生长及锌富集的影响

图1和图2分别表示在照度6 000 lx，光照时间4 h，不同波长LED光照下培养14 d的螺旋藻生长曲线和螺旋藻锌含量变化曲线。如图1所示，1-2 d时生长曲线的斜率较小，为培养适应期；之后曲线斜率增大，进入对数生长期；培养14 d后，螺旋藻生物量ρ达到最大。螺旋藻通过光照进行光合作用，增加细胞数量（生物量）。不同波长的光照对螺旋藻具有不同的吸收效率，导致光合作用效率不同，生物量的增长速度也各有差异。从图1可见，不同波长LED光照对螺旋藻生长的影响顺序为：红光（655～665 nm）＞蓝光（465～475 nm）＞绿光（522～532 nm）＞对照组＞黄光（570～580 nm）。红光最好，培养14 d后螺旋藻生物量ρ从0.182 g/L增加到1.990 g/L，与对照组相比（1.746 g/L），提高了13.97%；蓝光培养的螺旋藻生物量ρ为1.923 g/L，提高了10.12%；绿光培养的螺旋藻生物量ρ为1.771 g/L，提高了1.44%；黄光培养的螺旋藻生物量ρ为1.696 g/L，降低了2.88%。

在图2的曲线中，2 d之前的斜率较大，并且不同波长LED光照的影响差异较小，可能是此期间螺旋藻对锌的作用以物理吸附为主；之后曲线斜率变小，主要为生物吸收；实验8 d螺旋藻锌质量分数wZn达到最大值，随后趋于稳定。螺旋藻通过光合作用将光能转变为生物能，光照除了影响螺旋藻的生长外，还影响螺旋藻细胞对营养盐的吸收。图2显示，不同波长LED光照对螺旋藻富集锌的效果不同，黄光＞绿光＞蓝光＞红光＞对照组。与对照组相比，第8 d螺旋藻锌质量分数wZn，黄光的提高了43.73%，绿光的提高了23.98%，蓝光的提高了14.29%，红光的提高了9.04%，效果明显。

图2 LED光照波长对螺旋藻锌含量的影响Fig.2 Effect of LED light wavelength on the content of zinc in spirulina

2.2 LED照度与螺旋藻生长及锌富集的关系

以LED红光为光源，光照时间4 h，研究照度与螺旋藻生长和螺旋藻锌含量的关系。从图3可见，生物量与照度的增加成正比，LED照度对螺旋藻生长的影响顺序为：10 000 lx ＞ 8 000 lx＞6 000 lx＞4 000 lx＞2 000 lx＞对照组，照度10 000 lx，培养14 d后螺旋藻生物量ρ从0.175 g/L增加到2.057 g/L，与对照组相比（1.728 g/L），提高了15.36%。

图3 LED红光光照强度对螺旋藻生长的影响Fig.3 Effect of LED red light irradiation intensity on the growth of spirulina

由图4可见，实验1～ 6 d，螺旋藻锌质量分数wZn与照度成正比，10 000 lx＞8 000 lx、6 000 lx＞4 000 lx＞2 000 lx＞对照组。实验10 d后锌含量变化趋于稳定，且差异逐渐变小。但8 d后，10 000 lx高强度光照的效果下降，在10 d时螺旋藻锌富集情况见图5，8 000 lx才是最佳照度。

图4 LED红光光照强度对螺旋藻锌含量的影响Fig.4 Effect of LED red light irradiation intensity on the content of zinc in spirulina

图5 10 d时螺旋藻锌富集情况Fig.5 The zinc enrichment of spirulina in the 10th day

2.3 LED光照时间对螺旋藻生长及锌富集的影响

图6和图7分别以LED红光为光源，强度为6 000 lx，不同光照时间下培养14 d的螺旋藻生长曲线和螺旋藻锌含量变化曲线。图6表明，螺旋藻生物量ρ随光照时间增加而增大，13 d时趋于稳定。图7表明，LED光照时间对螺旋藻锌富集作用的影响，所得螺旋藻锌质量分数wZn均大于对照组，随光照时间增加而增大。14 d后，光照6 h螺旋藻锌质量分数wZn为399.6 μg/g，与对照组（347.0 μg/g）相比，提高了15.16%；光照4 h螺旋藻锌质量分数wZn为384.8 μg/g，提高了10.89%；光照2 h螺旋藻锌质量分数wZn为370.9 μg/g，提高了6.89%。

图6 LED红光光照时间对螺旋藻生长的影响Fig.6 Effect of LED red light irradiation time on the growth of spirulina

图7 LED红光光照时间对螺旋藻锌含量的影响Fig.7 Effect of LED red light irradiation time on the content of zinc in spirulina

3 讨 论

3.1 LED光照波长、照度和光照时间对螺旋藻生长的影响

螺旋藻是光合自养生物，光合作用是螺旋藻最重要的生理过程，螺旋藻通过光合作用实现太阳能向生物能以及无机碳向有机碳的转化。光照是螺旋藻光合作用的限制因子，在一定范围内，螺旋藻吸收光能的总量与光合作用的总量正相关，决定生物量的增加量及速度［1］。影响光能吸收总量的因素主要有光照波长、照度和光照时间。

螺旋藻对不同波长的光照具有不同的吸光效率，直接影响光能吸收总量，即光合作用总量，宏观表现为生物量。螺旋藻光合作用的色素主要是叶绿素a、藻胆素和类胡萝卜素。叶绿素a对光的吸收峰分别位于红光区的680 nm和蓝光区的440 nm附近，类胡萝卜素的最大吸收带在蓝光区，藻胆素含藻红素、藻蓝素和异藻蓝素，它们吸收光谱范围较分散，最大值是在橙红色部分，集中在红光区［15］。由于螺旋藻进行光合作用的主要色素是叶绿素a和藻胆素，所以LED红光和蓝光对螺旋藻生长的促进效果最好［16-18］。

光能吸收总量在一定范围内还与照度和光照时间成正比关系。藻类生长最适照度范围为2 000 ～10 000 lx［1］，当环境温度和营养底物不限制藻类的生长时，螺旋藻的生长主要取决于照度，在一定范围内，随照度增加总光合作用速率呈直线上升［19］。因此LED红光在照度0～10 000 lx和光照时间0～6 h范围内，照度越大，光照时间越长，则越有利于螺旋藻的生长。

3.2 LED光照波长、照度和光照时间对螺旋藻锌富集的影响

锌是藻类正常生长和代谢的必需元素之一，可调控藻类细胞的生长与物质积累［20］。藻类细胞主要是通过细胞外的结合与沉积和细胞内的吸收与转化，实现对金属离子的富集作用［21］。一般认为，螺旋藻锌富集作用包括两个阶段［22］。第一阶段是物理吸附过程，与代谢无关。在该阶段中锌可能通过物理吸附及微沉淀、配位、离子交换等作用中的一种或几种复合至细胞表面。在此过程中，金属与生物物质的作用较快，反应速率和离子浓度成正比，一般数小时完成。第二阶段是生物吸收过程，该过程进行得较慢。在此阶段中藻细胞与锌的相互作用，不仅需要能量，而且需要某些特定酶的参与，其过程较为复杂，与藻体中蛋白质、糖类、脂类等的代谢密切相关［23］。所以在培养的前2 d内，螺旋藻锌含量直线上升，不同光照波长、照度和光照时间几无影响，主要进行物理吸附过程。2 d后，螺旋藻锌含量增速减慢，锌富集作用主要由生化过程控制，增速比物理吸附要慢得多。

光照是调节藻类生长和发育的重要生态因子，能影响藻类色素和某些活性物质的合成，藻类酶的活性也受光照的影响［24］。有研究表明，光照不仅影响藻类生长，还是营养盐吸收的重要因子［25］。黄光和绿光处于藻胆素的光能吸收区［26］，有利于藻胆蛋白的合成，黄光可促进螺旋藻多糖的合成和积累［18］，这些都有利于锌富集。螺旋藻的锌富集作用主要是生物吸收过程，受藻体中蛋白质、糖类、脂类等代谢的影响。因此黄光对螺旋藻锌富集作用的促进效果最好，绿光次之。照度是影响藻类生长、生化组成和物质积累的重要环境因子，主要通过影响藻细胞的光合作用来调控对离子的富集作用［27］。黑暗或低光照均能降低藻细胞光合作用，从而降低细胞新陈代谢，使细胞表面大分子物质发生改变，从而影响藻细胞对离子的富集；随着照度的增加，藻细胞恢复光合作用，从而使细胞富集量增加［28］；而照度太高则不利于藻类的生长以及对营养盐的吸收利用［29］。本实验的结果显示，照度为0～8 000 lx范围内，螺旋藻细胞对锌的富集量随着光照度的增加而增大，而10 000 lx在培养6 d前锌的富集量最大，第6 d后富集速度减缓，低于6 000 lx和4 000 lx，证明了照度太大时会影响螺旋藻细胞锌的富集。

LED光照时间对藻生长和锌富集作用的影响具有同步增长的态势，在一定范围内，光照时间越长，照度越大，越能促进螺旋藻的生长，也越有利于螺旋藻对锌的富集。

4 结 论

1）不同波长LED光照对富锌螺旋藻生长的影响顺序为：红光＞蓝光＞绿光＞对照组＞黄光，对螺旋藻锌富集作用的影响顺序为：黄光＞绿光＞蓝光＞红光＞对照组。

2）以LED红光做光源，在光照强度0～10 000 lx范围内，螺旋藻生物量与光照强度成正相关关系；在光照强度0～8 000 lx范围内，螺旋藻锌含量与光照强度成正相关。

3）在光照时间0～6 h范围内，螺旋藻生物量和锌含量均随LED红光光照时间增加而增大。

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（责任编辑：任万森）

Effect of LED on Growth and Zinc Enrichment of Spirulina

GAO Hai-yang1，LI Gao-rong1，SHI Wen-qing2，LING Xu-wei3，LI Si-dong2
（1.College of Ocean and Meteorology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China；2.College of Science，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China；3.Wuchuan Biological Breeding Base，Guangzhou City Green Biotechnology Development Co.，Ltd.，Wuchuan 524000，China）

Effects of light wavelength，light intensity and illumination time on the growth of spirulina and the biological enrichment of zinc in spirulina were studied using the LED technology.The results showed that the effect of different LED light wavelengths on the growth of spirulina was red light（655-665 nm） ＞ blue light（465-475 nm） ＞ green light（522-532 nm） ＞ yellow light（570-580 nm）.Compared with the control group，the final biomasses for red light，blue light，green light and yellow light were increased respectively by about 13.97%，10.12%，1.44% and -2.88%.The effect of different LED light wavelengths on the growth of zinc enrichment in spirulina was yellow light ＞ green light ＞blue light ＞ red light.Compared with that of the control group，the zinc contents of spirulina for yellow light，green light，blue light and red light after the 8 days were increased respectively by about 43.73%，23.98%，14.29% and 9.04%.Using LED red light as a light source，in the range of light intensity of 0-10 000 lx，the biomasses of spirulina were directly proportional to the intensity of red light；in the range of light intensity of 0～8 000 lx，the zinc content of spirulina was directly proportional to the intensity of red light.In the range of illumination time of 0～6 h，the effect of LED red light on the growth and zinccontent of spirulina had the synchronous trend with that of growth，which increased with the increase of the illumination time.

spirulina； growth； zinc； bioenrichment； LED

P745

A

1673-9159（2016）03-0065-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.03.011

2015-11-20

广东省科技计划项目（2011B020415004）；湛江市科技专项（A14029）

高海洋（1988—），男，硕士，研究方向为海洋生物资源利用化学。E-mail： gaohaiyang2016@163.com

李思东（1960—），男，教授，研究方向为海洋应用化学，E-mail： lisidong2210491@163.com