LED不同光照条件对螺旋藻生长的影响

李默楠，张婷婷，胡晓剑，刘木清

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

螺旋藻是一种具有重要开发应用价值的自养原核生物。 它具有光合效率高、生长繁殖快和对环境适应性强等特点，是一种高效光合自养微藻[1]。螺旋藻对于生长环境有着一定的要求。当营养和温度正常都适宜的情况下，光照就成为影响螺旋藻生长的一个重要因素，光照强度不同，将会直接影响到植物光合作用的速率，从而影响植物干物质量的积累[2]。

LED光源由于光效高，体积小，光谱可控等优点[3]，在螺旋藻的培养和养殖过程中有着广泛的利用前景。但植物感知光照的方式与人眼不同，植物通过吸收光子来参与光合作用，因此我们不能用照度值作为衡量植物光照强度的指标。

Xue等[4]的实验中按照光功率的从小到大的变化将螺旋藻的生长情况分为光限制区，光中间区、光饱和区和光抑制区，其中螺旋藻在光限制区内的光能利用率最高。Tian和Buso[5]在实验中发现单色红光比白色荧光灯更能够促进螺旋藻的生长。本实验利用LED光源光谱可控的特点探究了螺旋藻在不同光照强度和不同光谱下的生长状况。

1 实验材料

本次实验采用藻种钝顶螺旋藻和Spirulina medium培养基培养浓藻液并进行实验。

1)藻种。本实验藻种为钝顶螺旋藻，由中国科学院野生生物物种藻种库提供。

2)培养基。本实验采用Spirulina medium培养基，培养基由中国科学院野生生物物种藻种库提供。培养基成分为: NaHCO3，13.61 g/L；Na2CO3，4.03 g/L；K2HPO4，0.50 g/L；NaNO3，2.50 g/L；K2SO4；1.00 g/L；NaCl，1.00 g/L；MgSO4·7H2O，0.20 g/L；CaCl2·2H2O，0.04 g/L；FeSO4·7H2O，0.01 g/L；A5(Trace mental solution)，1 ml/L。其中微量元素溶液A5组成为：H3BO3，2.86 g/L dH2O；MnCl2·4H2O，1.86 g/L dH2O；ZnSO4·7H2O，0.22 g/L dH2O；Na2MnO4·2H2O，0.39 g/L dH2O；CuSO4· 5H2O，0.08 g/L dH2O；Co(NO3)2·6H2O，0.05 g/L dH2O。

2 实验数据处理方式

1)光量子流密度。植物照明中，由于各种植物对不同波长的光敏感性不同，通常用光量子流密度(PPFD)代替照度作为光照强度的指标。光量子流密度指单位时间内落到单位面积上400～700 nm的光子数，单位是μmol·m-2·s-1。当一个光源用于植物照明时，光源辐射出来的恒定速率的光子，并向四面八方传播，当光源离植物越近，就有越多的光子能够到达植物的叶片上[6]。

2)光密度值(optical density，以下简称OD值)，表示被检测物吸收掉的光密度，是入射光强度与透射光强度之比值的常用对数值。一般用OD值表示，OD=lg(1/trans)，其中trans为检测物的透光值。因此光密度值又叫通光率。根据Xue等[4]的研究表明，在一定的条件下，螺旋藻的生物量在560 nm处波长下的OD值具有良好的线性关系，一般可用 OD值表征螺旋藻干物质含量的积累，通过测量藻液的 OD 值可以较为直观地反映出螺旋藻的生长情况[7]。

3)OD值的测量。用搅拌棒将藻液进行搅拌均匀，取出部分藻液和清水分别加入比色皿中，用722紫外分光光度计在560 nm处进行测量比较，得到其OD值。当藻液浓度过高时，应将藻液按一定比例进行稀释，以保证测量OD值在0.1～0.6之间。OD值的测量于每天下午1：00开始进行，按顺序分别对各组螺旋藻测量，每组波长组合共记录13组数据。

3 培养和实验方法

螺旋藻光照实验示意图见图1，实验实景图见图2。

1)初级培养。取200 mL的消毒后的锥形瓶，向其中加入100 ml的Spirulina medium培养基，并取出一份藻种(15 mL)加入锥形瓶中。在26 ℃，200 μmol·m-2·s-1的环境下进行通气扩大培养，光照黑暗时间比为12∶12。培养7～10天后得到浓藻液。

2)次级培养。取1 000 mL的消毒后的锥形瓶，向其中加入500 ml的Spirulina medium培养基，同时取出初级培养得到的藻液100 mL左右，加入锥形瓶，在26 ℃，200 μmol·m-2·s-1的环境下进行通气扩大培养，光照黑暗时间比为12∶12。培养7～10天后得到浓藻液。

图1 螺旋藻光照实验示意图Fig.1 The diagram of Spirulina illumination experiment

图2 螺旋藻光照实验实景图Fig.2 The photo of Spirulina illumination experiment

3)不同光照强度对螺旋藻生长的影响实验。取1 000 mL的消毒后的锥形瓶，向其中加入500 mL的Spirulina medium培养基，同时取出次级培养得到的藻液100 mL左右，加入锥形瓶，摇晃均匀后等量均分后放入锥形瓶中，使各组螺旋藻的OD值大致相同。将各组的螺旋藻放置在光量子密度分别为142 μmol·m-2·s-1，250 μmol·m-2·s-1，340 μmol·m-2·s-1，450 μmol·m-2·s-1，540 μmol·m-2·s-1，900 μmol·m-2·s-1，1200 μmol·m-2·s-1的光照培养架上进行对照实验。为了防止其他颜色的光照以及PWM驱动方式的脉冲光照对螺旋藻生长带来影响，实验均采用625 nm的单色红光，驱动方式均为直流驱动，即光照均为直流光，培养温度为26 ℃，光照黑暗时间比为12∶12，通气培养时间为13天并记录数据。

4)不同光谱对螺旋藻生长的影响实验。取1 000 mL的消毒后的锥形瓶，向其中加入500 mL的Spirulina medium培养基，同时取出次级培养得到的藻液100 ml左右，加入锥形瓶,摇晃均匀后等量均分后放入锥形瓶中，通过测量和调整使各组螺旋藻的OD值大致相同。光量子通量密度值均为200 μmol·m-2·s-1,红蓝光质比为1∶1将各组的螺旋藻放置在不同的光谱组合下的光照培养架上进行对照实验。各光谱组合如下：(450～465 nm)+(620～625 nm)；(465～470 nm)+(650～660 nm)；(450～465 nm)+(650～660 nm)；(465～470 nm)+(620～625 nm)；(450～465 nm)+(660～670 nm)；单色红光(620～625 nm)；单色蓝光(450～465 nm)；白色荧光灯组。

驱动方式均为直流驱动，即光照均为直流光，培养温度为26 ℃，光照黑暗时间比为12∶12，通气培养时间为13天并记录数据。

4 结果与讨论

1)螺旋藻在不同光照强度下的生长情况。根据不同光照强度培养下12天以后所得到得螺旋藻最终OD值，可以绘制出螺旋藻在不同PPFD下生长的情况(如图3所示)。

图3 螺旋藻在不同光照强度下的生长ODFig.3 The OD of Spirulina under different light intensity

由图3可以发现不同的光量子流密度下对螺旋藻生物质量的增长作用不同。当培养时间，温度等其他条件相同时，若光照强度小于540 μmol·m-2·s-1，螺旋藻的产量随着光量子流密度的增加而增加，且螺旋藻的产量与光量子流密度大致呈对数形式，即随着光量子流密度的增加，螺旋藻产量的增加量逐渐减少；而当光量子流密度超过540 μmol·m-2·s-1时，尽管光量子流密度进一步增加，但螺旋藻的产量不再增加。这表明在光量子流密度尚未达到饱和光量子流密度之前，光量子流密度是决定螺旋藻的生长速率的主要原因。

植物的饱和光量子流密度是指植物光合作用强度达到最大值时的光量子流密度，不同的藻种和不同的接种浓度，各有其不同的饱和光量子流密度。在相同的光辐射实验条件下，由图3 中光量子流密度对螺旋藻比生长速率的影响可知，当光量子流密度超过光饱和点以前，OD-PPFD曲线呈陡峭上升趋势，螺旋藻的最终产量随着 PPFD的增大显著增加，表明螺旋藻生长对光辐射强度十分敏感，当营养底物和环境温度不是螺旋藻生长限制因子时，螺旋藻的生长主要受光量子流密度的控制。如图3所示，在本实验装置中，螺旋藻生长的饱和光量子流密度在 540 μmol·m-2·s-1出现，此时，螺旋藻的比生长速率趋于恒定值，这是因为在高光强下，光合作用出现光抑制现象时，植物会利用叶黄素循环来促进非光化学淬灭对过量光能的耗散，同时通过建立跨类囊体膜的质子梯度等方式建立新的光形态，保护光合作用免受损伤[8]。

2)螺旋藻在不同光谱组合下的生长情况。根据在不同光谱组合培养下12天以后所得到得螺旋藻最终光密度值，可以绘制出螺旋藻在不同光谱组合下生长的情况如图4所示。

图4 不同光谱组合条件下螺旋藻生长的情况Fig.4 The OD of Spirulina under different light spectrum

从图4中可以发现不同的光谱条件下对螺旋藻生物质量的生长作用不同。在(450～465 nm)+(650～660 nm)波长组合下，螺旋藻的最终产量最高，比其他几组生物质量高14%～43%。同时当蓝光波长相同时，红光波长越长，螺旋藻生长的速度越快，最后的螺旋藻的干物质含量也越多。而当红光波长相同时，改变蓝光的波长螺旋藻干物质含量差异相对较小，这表明波长在450～470 nm附近的蓝光对螺旋藻的生长速率影响比红光的作用小。而螺旋藻在荧光灯组照射下比在其他所有的LED波长组合下最终积累的物质的量都要少，比最高LED波长组合(450～465 nm)+(650～660 nm)少43%，比最低LED波长组合[单色蓝光(450～465 nm)]少15%，这是因为螺旋藻的反射光谱大部分集中在绿色区域(550 nm处)，和荧光灯的光谱有着大量的重合部分，浪费了许多荧光灯发出的光能。

5 实验结论

我们通过对螺旋藻在不同光照条件下生长情况的研究得到了以下结论：

1)在其他条件相同时，在一定的光照强度范围内，螺旋藻的生长速度随着光量子流密度的增加大致呈对数形式增加，即光照强度越高，螺旋藻生长速率增加的越慢。

2)螺旋藻的生长对光照的响应有一个饱和值。即当其他条件不变时，如果光照强度超过螺旋藻的光照响应饱和值，即使光照强度继续增加，螺旋藻的产量几乎不变。这是由于较强的光照存在着光抑制作用，降低植物光合作用的效率与生长，同时较强的光照使螺旋藻浓度增加，使得在植物溶液中的光衰更加明显，下层的螺旋藻难以获得更加合适的光照条件。

3)在光谱实验中，我们发现使用红蓝光的LED照明系统明显要由于传统的荧光灯植物照明系统，而且光谱表现组合最好的是(450～465 nm)+(650～660 nm)组合，同时我们也发现红光对于螺旋藻生长速率和产量的影响要明显高于蓝光。