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不同氮磷比對小球藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)及生長的影響

2019-08-13 08:54:10薄香蘭劉興竇勇
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年2期

薄香蘭 劉興 竇勇

摘要:以小球藻(Chlorella vulagris)為研究對象,研究不同氮磷比對其葉綠素?zé)晒狻⑷~綠素含量和細胞密度的影響,以期找到小球藻生長最適的氮磷比,為小球藻的規(guī)模化培養(yǎng)提供基礎(chǔ)資料。結(jié)果表明:不同濃度的氮磷比對小球藻的葉綠素?zé)晒狻⑷~綠素含量和細胞密度有顯著影響,各處理組均呈上升趨勢,其中17.30 ∶ 1處理組的最大光能轉(zhuǎn)化速率Fv/Fm、潛在活力Fv/Fo、實際光能轉(zhuǎn)化效率ΦPS Ⅱ和量子效率Yield、相對電子轉(zhuǎn)化速率ETR均高于其他處理組,34.60 ∶ 1 處理組葉綠素含量和細胞密度最高,其值分別為3 231.81 μg/L和1.07×107個/mL。138.40 ∶ 1處理組上升趨勢最小,且各處理組的熒光參數(shù)指標(biāo)在試驗后8 d開始呈下降趨勢。小球藻在氮磷比為17.30 ∶ 1生長最好。

關(guān)鍵詞:小球藻;葉綠素?zé)晒鈪?shù);葉綠素含量;細胞密度;氮磷比

中圖分類號: S184 ?文獻標(biāo)志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)02-0169-04

氮和磷是藻類生長中最常見的限制因子[1],氮是蛋白質(zhì)和葉綠素等物質(zhì)的組成成分,限氮會影響植物葉綠素的合成,進而影響到其光合作用[2]。磷作為藻類生長發(fā)育的必需元素直接參與光合作用的各個過程,限磷會影響光合磷酸化水平,使代謝合成受阻,光合速率下降[3]。因此,水體中的氮磷比(N/P)直接影響藻類細胞的生長及物質(zhì)的積累[4]。目前關(guān)于氮磷比對藻類的研究大都集中在對藻類生物量和群落結(jié)構(gòu)變化的影響上[5-6],對葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)和葉綠素含量的研究比較少。

葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象是在1834年由傳教士Brewster最先發(fā)現(xiàn)的[7],1932年由Kautsky和Hirsch發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象和光合特性之間的關(guān)系[8],1986年Schreiber發(fā)明了可以檢測熒光誘導(dǎo)動力學(xué)的PAM儀器(pulse-amplitude-modulation)[9]。作為光合作用的良好探針,葉綠素?zé)晒鈪?shù)是鑒定藻類耐逆境能力的良好指標(biāo)之一,具有快速、準(zhǔn)確、簡單的特點[10-11]。小球藻在分類上屬于綠藻門,個體微小,營養(yǎng)豐富,易于繁殖,在動物飼料、食品添加劑、美容產(chǎn)品、食品開發(fā)、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力。本試驗利用葉綠素?zé)晒鈨x(PHYTO-PAM WALZ),在保持磷不變的基礎(chǔ)上,設(shè)置5個氮磷比梯度,通過檢測葉綠素?zé)晒鈪?shù)和藻密度,以期找到適合小球藻生長的氮磷比,為小球藻的大規(guī)模培養(yǎng)提供參考依據(jù),同時,為葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象在確定藻類適宜氮磷比值上的可行性提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與時間地點

試驗用小球藻(Chlorela vulagris)來源于天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點實驗室。

試驗時間為2017年5月10—20日。試驗地點為天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點實驗室。

1.2 培養(yǎng)條件

將初始密度為1×106個/mL的小球藻藻液以1 ∶ 1的比例接種于藍綠培養(yǎng)基(BG-11 medium for blue green algae,BG-11培養(yǎng)基)中,以硝酸鈉(NaNO3)為氮源,設(shè)置5個氮磷比梯度,分別為8.65 ∶ 1(NaNO3濃度為2.5 mol/L)、17.30 ∶ 1(NaNO3濃度為5 mol/L)、34.60 ∶ 1(NaNO3濃度為10 ml/L)、69.20 ∶ 1(NaNO3濃度為20 mol/L)、138.40 ∶ 1(NaNO3濃度為40 mol/L),光照條件為60 μmol/(m2·s),溫度為25 ℃,光—暗比為12 h—12 h,每組設(shè)定3個平行,于恒溫光照培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng),每天定時搖動4次,以防小球藻細胞附壁及下沉。

1.3 試驗儀器

葉綠素?zé)晒鈨x(PHYTO-PAM WALZ)、超凈工作臺(SW-CJ-1FD上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備工廠)、高壓蒸汽滅菌鍋(HVE-50 HIRAYMA儀器制造公司)、生物顯微鏡(E200日本Nikon)、藻類培養(yǎng)箱(AL-36美國珀爾瓦西)、電子天平(AS2202X2 RADWAG)。

1.4 培養(yǎng)基

1.4.1 微量元素溶液(A5) 將2.86 g的硼酸(H3BO3)、1.86 g 的四水氯化錳(MnCl2·4H2O)、0.22 g的七水硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)、0.39 g的鉬酸鈉(Na2MoO4·2H2O)、0.08 g的五水硫酸銅(CuSO4·5H2O)、0.05 g的六水硝酸鈷 [CO(NO3)2·6H2O]依次溶于1 L的蒸餾水中。

1.4.2 BG-11培養(yǎng)基 將1.5 g的硝酸鈉(NaNO3)、0.052 g 的磷酸氫二鉀(K2HPO4·3H2O)、0.075 g的硫酸鎂(MgSO4·7H2O)、0.036 g的氯化鈣(CaCl2·2H2O)、0.006 g的檸檬酸、0.006 g的檸檬酸鐵胺、0.001 g的EDTA(Na2)、0.2 g 的碳酸鈉(Na2CO3)、1 mL的A5溶液依次溶于1 L的蒸餾水中。

1.5 測定方法

將處于對數(shù)期的小球藻接種到配好的培養(yǎng)基中,并記錄為試驗的0 d,在試驗后0、2、4、6、8、10 d定時取樣,測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素含量和藻密度。

1.5.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 利用浮游植物分類熒光儀(PHYTO-PAM WALZ)對葉綠素?zé)晒飧鱾€參數(shù)進行測定,打開Phyto Win軟件,先放置1 cm樣品(每次體積應(yīng)統(tǒng)一)在比色皿中暗適應(yīng)15 min,啟動儀器測定初始熒光產(chǎn)量(Fo),飽和脈沖后測定最大熒光產(chǎn)量(Fm),以此計算出最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm),打開預(yù)先設(shè)定好的光化學(xué)強度,進行1 min的照射(儀器指示燈變綠為光化學(xué)結(jié)束),待熒光值穩(wěn)定后,測定出光化學(xué)后初始熒光(Fs)和最大熒光(Fm′)。Settings窗口中將Meas. Freq.設(shè)置為32,切換到Channeles窗口,點擊CHL,測出葉綠素的含量。測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)有Fo、Fm、Fo′、Fm′、Fs,并根據(jù)熒光儀提供的公式計算出Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、ETR、ΦPSⅡ等熒光參數(shù)。

1.5.2 藻密度測定 小球藻密度測定通過血球計數(shù)板計數(shù)獲得。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進行單因素方差分析和多重比較,利用Excel 2007進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮磷比對小球藻葉綠素?zé)晒饣钚缘挠绊?/p>

2.1.1 不同氮磷比對小球藻Fv/Fm的影響 Fv/Fm反映了光反應(yīng)中心PS Ⅱ的最大量子產(chǎn)量,即最大光能轉(zhuǎn)化效率,在受到環(huán)境條件脅迫時,其值會降低,此指標(biāo)常用來判斷植物是否受到條件抑制[12]。由圖1可知,在整個培養(yǎng)期間,各處理組的Fv/Fm均呈上升趨勢,以17.30 ∶ 1處理組最高,34.60 ∶ 1 次之,138.42 ∶ 1最低,至培養(yǎng)結(jié)束時,34.60 ∶ 1、8.65 ∶ 1、69.20 ∶ 1、138.40 ∶ 1處理組的最高值各維持在17.30 ∶ 1處理組最高值的97.73%、91.84%、86.81%、80.58%,說明本試驗設(shè)置的5組氮磷比對小球藻Fv/Fm值沒有抑制作用,同時,各組的Fv/Fm均在8 d后呈下降趨勢,說明此時各組的氮磷比都不能滿足藻類的生長需求,推測原因是營養(yǎng)鹽消耗殆盡的結(jié)果。17.30 ∶ 1處理組的Fv/Fm從試驗后 2 d 開始就高于其他各組,說明小球藻對該濃度的氮磷比適應(yīng)良好。

2.1.2 不同氮磷比對小球藻Fv/Fo的影響 Fv/Fo反映了光反應(yīng)中心PS Ⅱ的潛在活性,其值受到脅迫時下降,是用來判斷光合作用是否受到抑制的指標(biāo)之一[13]。由圖2可知,各處理組的Fv/Fo在試驗后0~8 d呈上升趨勢,在試驗后8 d后開始下降,培養(yǎng)結(jié)束時,以17.30 ∶ 1處理組最高,34.60 ∶ 1次之,138.40 ∶ 1最低。各組Fv/Fo值在試驗后2 d開始上升,說明此時的氮磷比都能滿足光反應(yīng)中心PS Ⅱ吸收量子的能力,在試驗后 8 d 各組都呈下降趨勢,表明此時小球藻的光合作用開始受到抑制。

2.1.3 不同氮磷比對小球藻ΦPS Ⅱ的影響 ΦPS Ⅱ是指光反應(yīng)中心PS Ⅱ的實際光能轉(zhuǎn)化效率[14]。由圖3可知,所有處理組的ΦPS Ⅱ的在試驗后0 d均維持在0.28±0.01,且隨著時間增加呈上升趨勢,以17.30 ∶ 1組的ΦPS Ⅱ值最高,之后依次為 34.60 ∶ 1>8.65 ∶ 1>69.20 ∶ 1>138.40 ∶ 1。到試驗后 10 d,138.40 ∶ 1處理組的ΦPS Ⅱ維持在17.30 ∶ 1處理組的75.11%。

2.1.4 不同氮磷比對小球藻Yield的影響 Yield指在光合作用中每吸收一個光量子,所固定CO2分子數(shù)或者釋放O2的分子數(shù)[15]。由圖5可知,各處理組的Yield均在第8 d時達到峰值,至培養(yǎng)結(jié)束時,17.30 ∶ 1處理組較峰值下降93.30%,34.60 ∶ 1 處理組較峰值下降92.42%,8.65 ∶ 1、69.20 ∶ 1 和138.40 ∶ 1處理組較峰值下降差別不大,分別為88.46%、88.51%、88.56%。PSⅡ量子下降的速率,說明光反應(yīng)中心受抑制的程度越嚴(yán)重,代謝合成受到阻礙程度越高。

2.1.5 不同氮磷比對小球藻ETR的影響 ETR表示光反應(yīng)中心PS Ⅱ光合電子的傳遞速率,圖5顯示, 在小球藻的一次性培養(yǎng)過程中,各處理組的ETR值呈上升趨勢,依次為 17.30 ∶ 1>34.60 ∶ 1>8.65 ∶ 1>69.20 ∶ 1>138.40 ∶ 1,在試驗后8 d出現(xiàn)下降趨勢。

2.2 不同氮磷比對小球藻葉綠素含量的影響

藻體內(nèi)的葉綠素含量與其光合作用、生長密切相關(guān)。圖6表明,隨著培養(yǎng)時間的增加,各處理組葉綠素含量不斷增加,培養(yǎng)結(jié)束時,以34.60 ∶ 1處理組葉綠素含量最高,其值為3 231.81 μg/L,17.30 ∶ 1處理組次之,其值為 2 964.44 μg/L,接下來依次為69.20 ∶ 1>138.40 ∶ 1>8.65 ∶ 1。

2.3 不同氮磷比小球藻細胞密度影響

不同氮磷比對小球藻細胞密度影響見圖7,隨著培養(yǎng)時間的增加,各處理組的細胞密度均呈上升趨勢,其中以 17.30 ∶ 1 μmol/L 處理組細胞密度增加最快,在試驗后10 d,細胞密度達到1.07×107個/mL,為接種時的2.50倍。34.60 ∶ 1 處理組次之,培養(yǎng)結(jié)束時細胞密度為接種時的2.31倍。138.40 ∶ 1處理組增長最慢,培養(yǎng)結(jié)束時細胞密度為初始接種量的2.01倍。至培養(yǎng)結(jié)束時,各組細胞密度依次表現(xiàn)為34.60 ∶ 1>17.30 ∶ 1>8.65 ∶ 1>69.20 ∶ 1>138.40 ∶ 1。

3 討論與結(jié)論

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)以藻類葉綠體的細胞器官為材料,反映光合作用過程中的光能吸收、激發(fā)能傳遞、光化學(xué)反應(yīng)、電子傳遞、質(zhì)子梯度的建立、ATP合成和CO2固定等光合作用的動態(tài)變化及各種外界因素對藻類的微妙影響[16-17],其原理是藻類細胞內(nèi)的葉綠素分子通過直接或間接吸收光量子獲得能量后,從基態(tài)(低態(tài)能)飛躍到激發(fā)態(tài)(高態(tài)能)[18],熒光是在電子從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)的過程中產(chǎn)生的[19]。熒光各參數(shù)指標(biāo)與逆境受脅迫程度存在密切的相關(guān)性,當(dāng)藻類在逆境條件發(fā)生光抑制時,葉綠素各熒光參數(shù)均呈下降趨勢[20]。本試驗結(jié)果表明,小球藻氮磷比為17.30 ∶ 1時各熒光參數(shù)指標(biāo)值最高,在氮磷比為34.60 ∶ 1時葉綠素含量和細胞密度最高。從試驗后0~8 d各組葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)均呈上升趨勢,說明本試驗設(shè)置的5組氮磷比梯度并未對小球藻的光合系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的抑制作用,光能轉(zhuǎn)化效率始終保持在較活躍的狀態(tài)。從試驗后8 d Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR、Yield開始出現(xiàn)下降趨勢,說明光反應(yīng)中心PSⅡ受到損害,電子傳遞速率下降,導(dǎo)致光合作用各反應(yīng)過程受到抑制,其主要是由于隨著培養(yǎng)時間的增加,氮磷等營養(yǎng)鹽消耗殆盡,不能滿足藻類光合作用中吸收量子所需要的能量消耗[21],進而表明本試驗的小球藻生長周期為8 d。雷玉新等研究了不同氮磷質(zhì)量濃度比的培養(yǎng)液對藍藻生長和葉綠素的影響,發(fā)現(xiàn)水體中氮磷比為40 ∶ 1時,藍藻的生長速率和葉綠素含量達到最大值[22]。李慧等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)妆葹?0 ∶ 1時,銅藻幼苗的特定生長率最大[23]。陳慶榮等研究發(fā)現(xiàn),在氮磷源充足的情況下,青島大扁藻生長最佳的氮磷比是7.17 ∶ 1;當(dāng)?shù)谞I養(yǎng)鹽受到限制的情況下,青島大扁藻生長最佳的氮磷比例是13.71 ∶ 1[24]。劉東艷等研究表明,氮磷比在16 ∶ 1的條件下,球等鞭金藻的生長速度最快,單位水體內(nèi)的細胞數(shù)量最多,細胞內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)的含量也最高[25]。李冰研究發(fā)現(xiàn),小球藻最適應(yīng)的氮磷濃度比為16 ∶ 1[26],與本試驗研究結(jié)果相近。由于不同藻類對氮磷吸收利用率的差異,氮磷比對藻類生長的影響并不表現(xiàn)在一個固定數(shù)值上。

傳統(tǒng)測定藻類最適氮磷比的方法就是在不同氮磷比的培養(yǎng)條件下測定藻類的細胞密度,這種方法比較耗時,而且準(zhǔn)確度低。本試驗通過測定葉綠素各熒光參數(shù)和葉綠素含量并結(jié)合細胞密度發(fā)現(xiàn),各熒光指標(biāo)、葉綠素含量與細胞密度有密切的相關(guān)性。按增長的速率來看,各組數(shù)值依次為17.30 ∶ 1>34.60 ∶ 1>8.65 ∶ 1>69.20 ∶ 1>138.40 ∶ 1,在整個培養(yǎng)周期,各熒光指標(biāo)和細胞密度有著顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此,利用葉綠素?zé)晒飧黜梾?shù)的變化可以反映小球藻在不同培養(yǎng)條件下的生長情況。陳書秀等研究表明,雨生紅球藻進行光合作用和生長最適氮濃度為1 760 μmol/L;最適磷濃度為 18.16 μmol/L,葉綠素相對含量均與細胞密度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[27],與本試驗結(jié)果一致。目前,有許多學(xué)者利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)來對藻類進行抗逆性研究,如王昭玉利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對氮、磷限制的響應(yīng),來判斷山東青島近海的氮、磷限制情況[28]。孫開明采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測定不同營養(yǎng)鹽條件下的東海原甲藻的葉綠素參數(shù)與生長參數(shù),研究外部營養(yǎng)鹽濃度及吸收速率的關(guān)系[29]。許珍等利用此技術(shù)研究溫度、光照度對漢斯冠盤藻、小環(huán)藻、斜生柵藻和銅綠微囊藻生長的影響[30]。隨著葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的進一步完善和機理的明確,此技術(shù)在藻類的其他方面也會發(fā)揮重要的作用。

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