兩種不同形態(tài)節(jié)旋藻培養(yǎng)的光照條件研究?

孫建飛, 趙 悅, 尚孟慧, 畢 瑩, 臧曉南

(中國海洋大學(xué)海洋生物遺傳育種教育部重點實驗室, 山東 青島 266003)

節(jié)旋藻(Arthrospiraplatensis)屬于藍(lán)藻門(Cyanophyta)、藍(lán)藻綱(Cyanophyceae)、顫藻目(Oscillatoriales)、顫藻科(Oscillaoriales),作為一種具有高營養(yǎng)價值的藍(lán)藻而得到廣泛關(guān)注和研究,其富含藻藍(lán)蛋白,既是一種氨基酸組成齊全且必須氨基酸含量較高的蛋白質(zhì),也是一種天然色素。節(jié)旋藻還含有多糖、多種維生素和礦物質(zhì),有很好的抗腫瘤、抗病毒和抗輻射作用,被世界糧農(nóng)組織譽(yù)為21世紀(jì)人類最理想的食品[1]。

光照是影響微藻生長的最重要的環(huán)境因子之一。光照對微藻的生長、細(xì)胞形態(tài)及胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的積累都有重要影響。近年來,對節(jié)旋藻光照培養(yǎng)條件有較多的研究,Tian等[2]研究了紅藍(lán)LED光對鈍頂螺旋藻(Spirulinaplatensis)光合有效輻射產(chǎn)藻藍(lán)蛋白的影響,發(fā)現(xiàn)在固定光照強(qiáng)度下,紅色和藍(lán)色LED光源對節(jié)旋藻生長和有機(jī)物積累有不同的影響,藍(lán)光有利于藻藍(lán)蛋白的合成,紅光有利于光合作用,促進(jìn)生物量的積累,藍(lán)光∶紅光=3∶1時最適于生產(chǎn)藻藍(lán)蛋白。徐明芳等[3]研究了LED光質(zhì)和光照強(qiáng)度對鈍頂螺旋藻生長和有機(jī)物積累的影響,發(fā)現(xiàn)紅色光是藻類光合作用中最有效的光質(zhì),在紅色光下,節(jié)旋藻的生長是最快的,干物質(zhì)積累量最多,且組合少量其他光質(zhì)更有利于有機(jī)物的積累。李默楠等[4]研究了LED不同光照條件對螺旋藻生長的影響,發(fā)現(xiàn)在光質(zhì)組合實驗中,紅藍(lán)光LED組合對藻株的生長和有機(jī)物積累明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熒光燈照明,光質(zhì)組合條件最好的是藍(lán)光(450～465 nm)+紅光(650～660 nm),且紅光對于節(jié)旋藻的生長速率影響明顯高于藍(lán)光,同時發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)藻株生長速率同光照強(qiáng)度呈正比,但隨著光照強(qiáng)度增加到達(dá)光飽和(540 μmol·m-2·s-1)時,節(jié)旋藻產(chǎn)量幾乎不再變化。但是目前尚缺乏對不同形態(tài)的節(jié)旋藻品系培養(yǎng)和藻藍(lán)蛋白、多糖等有機(jī)物積累的各種光照條件組合的系統(tǒng)研究。

本實驗選取2個節(jié)旋藻品系A(chǔ).platensisOUC 623和A.platensisOUC 793進(jìn)行研究,原因是其生長速度快,活力旺盛,適應(yīng)性好,且623藻株形態(tài)呈螺旋狀,793呈直線狀,具有明顯的形態(tài)區(qū)別,便于了解不同形態(tài)的節(jié)旋藻藻株對光照條件的需求。本實驗通過對光照周期、光照強(qiáng)度和紅藍(lán)LED光質(zhì)組合進(jìn)行單因子實驗和正交實驗,以藻株生物量、色素、多糖、藻藍(lán)蛋白和蛋白的質(zhì)含量為指標(biāo),得到最適光照條件組合,為節(jié)旋藻的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 藻種及培養(yǎng)條件

1.1.1 藻種 本實驗選用的節(jié)旋藻藻種A.platensisOUC 623和A.platensisOUC 793由中國海洋大學(xué)藻類遺傳學(xué)實驗室選育。

1.1.2 培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件 本實驗選用Zarrouk培養(yǎng)基[5]培養(yǎng)節(jié)旋藻。培養(yǎng)溫度25 ℃,培養(yǎng)體系為在250 mL錐形瓶中加150 mL液體培養(yǎng)基和10 mL經(jīng)活化的藻液,每天按時搖藻2次,藻液起始培養(yǎng)濃度為OD560=0.2。

1.2 實驗方法

1.2.1 光照條件設(shè)置 分別設(shè)置不同的光照周期、不同的紅藍(lán)光組合及不同的光照強(qiáng)度的單因子實驗,具體設(shè)置如下:

設(shè)置光照周期單因子實驗條件為L8∶D16,L10∶D14,L12∶D12,L14∶D10,L16∶D8,在白色LED光照下培養(yǎng),光照強(qiáng)度25 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃。

設(shè)置紅藍(lán)LED光組合單因子實驗條件為白光、紅∶藍(lán)=1∶1、紅∶藍(lán)=2∶1、紅∶藍(lán)=4∶1、紅∶藍(lán)=6∶1、紅∶藍(lán)=8∶1,光照強(qiáng)度25 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃,光照周期L12∶D12。

設(shè)置藍(lán)紅LED光組合單因子實驗條件為白光、藍(lán)∶紅=1∶1、藍(lán)∶紅=2∶1、藍(lán)∶紅=4∶1、藍(lán)∶紅=6∶1、藍(lán)∶紅=8∶1,光照強(qiáng)度25 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃,光照周期L12∶D12。

設(shè)置LED光照強(qiáng)度梯度單因子實驗條件為5、15、25、35、45 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃,培養(yǎng)光照周期L12∶D12。

綜合上述單因子條件下藻株生長和有機(jī)物積累情況,設(shè)置光照周期、光照強(qiáng)度和光質(zhì)組合3因素3水平的L9(34)正交實驗,培養(yǎng)溫度25 ℃。

以上實驗每組3個平行樣,采用SPSS軟件(SPSS 19.0)進(jìn)行方差分析(AVONA)與多重比較(Duncan)分析,當(dāng)P<0.05時認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。其中兩組數(shù)據(jù)標(biāo)注相同英文字母則表示兩組數(shù)據(jù)間無顯著性差異,兩組數(shù)據(jù)標(biāo)注不同英文字母則表示2組數(shù)據(jù)間有顯著性差異。

1.2.2 生物量的測定 根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]紫外分光光度計測定的OD560與節(jié)旋藻細(xì)胞密度之間的回歸方程為

y=0.642 7x+0.146 3。

(1)

式中:y是藻體干質(zhì)量(g/L);x是OD560吸光度;相關(guān)系數(shù)R2=0.991 6>0.735。每隔1 d在固定時間中取搖勻的藻液3 mL,用紫外分光光度計測OD560的吸光度,根據(jù)回歸方程得到單位體積藻液的生物量。

1.2.3 色素的測定 參考文獻(xiàn)[7]并稍作改進(jìn),節(jié)旋藻加丙酮溶液后經(jīng)細(xì)胞破碎,在紫外分光光度計中測OD663、OD646、OD470的吸光值,然后計算葉綠素a和類胡蘿卜素的含量。

Ca=12.21VOD663-2.81VOD646,

(2)

Cx=(1 000VOD470-3.27Ca)/229。

(3)

式中Ca和Cx分別代表葉綠素a和類胡蘿卜素的濃度(單位:mg/L)。再根據(jù)藻液濃度(單位:g/L),計算得到單位質(zhì)量藻體中的色素含量(單位:mg/g)。

1.2.4 多糖的測定 根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]硫酸蒽酮法測定多糖含量,以葡萄糖制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,節(jié)旋藻在PBS緩沖液中經(jīng)細(xì)胞破碎后加入硫酸蒽酮試劑,在紫外分光光度計測VOD620處吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程式(見式(4))和藻液濃度(g/L)的關(guān)系,計算得到單位質(zhì)量藻體中的多糖含量。

y=1.393 4x-0.010 4。

(4)

式中:x是OD620處吸光度;y是多糖含量(單位:mg/mL);相關(guān)系數(shù)R2=0.998 5。

1.2.5 蛋白質(zhì)含量的測定 參照Bradford改良方法[9],以牛血清白蛋白制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,節(jié)旋藻在PBS緩沖液中經(jīng)細(xì)胞破碎后,加入考馬斯亮藍(lán)試劑,在紫外分光光度計中測OD595,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(方程式見式(5))和藻液濃度(單位:g/L)的關(guān)系,計算得到單位質(zhì)量藻體中的蛋白含量(單位:mg/g)。

y=161.52x-12.391。

(5)

式中:x是OD595處吸光度;y是蛋白質(zhì)含量(單位:μg/mL);相關(guān)系數(shù)R2=0.994 1。

1.2.6 藻藍(lán)蛋白含量的測定 根據(jù)文獻(xiàn)[10]的PC藻藍(lán)蛋白含量測定方法,節(jié)旋藻在PBS緩沖液中經(jīng)細(xì)胞破碎后,在紫外分光光度計中測OD620和OD652處吸光值,代入式(5)計算藻藍(lán)蛋白含量。再根據(jù)藻液濃度(單位: g/L),計算得到單位質(zhì)量藻體中的藻藍(lán)蛋白含量:

CPC=(VOD620-0.474VOD652)/5.43。

(6)

式中:VPC為單位質(zhì)量藻體中的藻藍(lán)蛋白含量(單位:mg/g)。

2 結(jié)果分析

2.1 光照周期對節(jié)旋藻的影響

設(shè)置光照周期為L8∶D16、L10∶D14、L12∶D12、L14∶D10、L16∶D8,在白色LED光照下培養(yǎng),光照強(qiáng)度25 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃。

2.1.1 生物量 由生長曲線(見圖1)可知,螺旋形節(jié)旋藻(A.platensisOUC 623)和直線形節(jié)旋藻(A.platensisOUC 793)的生長都隨著光照周期中光照時間的延長呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,14 d時的生物量從高到低依次為L12∶D12>L14∶D10>L16∶D8>L10∶D14>L8∶D16,在光照周期為L12∶D12的條件下,2個藻株的生長速率最快,到培養(yǎng)的第14天,測得藻液濃度分別為(2.19±0.24)和(1.66±0.17) g/L。

(A:A. platensis OUC 623 生物量Biomass of A. platensis OUC 623;B:A. platensis OUC 793 生物量Biomass of A. platensis OUC 793.)圖1 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的生物量隨光照周期的變化Fig.1 Variation of biomass of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with photoperiod

2.1.2 色素含量 由圖2可知,A.platensisOUC 623藻株的葉綠素a含量在光照L12∶D12和L14∶D10的條件下較高,在培養(yǎng)的第14天,分別為(10.54±1.45)和(15.19±1.64) mg/g;其類胡蘿卜素在光照L14∶D10、L16∶D8的條件下較高,在培養(yǎng)的第14天分別為(4.19±0.40)和(4.06±0.38) mg/g。A.platensisOUC 793藻株葉綠素a含量在光照周期L14∶D10、L16∶D8的條件下較高,在培養(yǎng)的第14天分別為(12.39±1.16)和(12.94±1.01) mg/g;其類胡蘿卜素在光照周期L14∶D10和L16∶D8時較高,在培養(yǎng)的第14天含量分別為(5.551±0.52)和(4.48±0.51) mg/g。

(A:A. platensis OUC 623葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 623;B:A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 623; C:A. platensis OUC 793 葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 793;D:A. platensis OUC 793 類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 793.)圖2 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的色素含量隨光照周期的變化Fig.2 Variation of pigment content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with photoperiod

2.1.3 多糖含量 從多糖含量結(jié)果顯示(見圖3),隨著光照周期中光照時間的延長,藻株623和793都呈現(xiàn)出先升高后下降的變化規(guī)律,單位質(zhì)量的藻株623在光照周期L12∶D12條件下多糖含量最高,單位質(zhì)量的藻株793在光照周期L14∶D10時多糖含量最高,分別為(177.99±22.35)和(222.32±26.49) mg/g。

圖3 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的多糖含量隨光照周期的變化Fig.3 Variation of polysaccharides content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with photoperiod

2.1.4 蛋白質(zhì)含量 從蛋白質(zhì)含量結(jié)果顯示(見圖4),蛋白含量隨光照周期中光照時間延長呈現(xiàn)先升高后下降的變化規(guī)律,單位質(zhì)量的藻株623和793均在光照周期L10∶D14條件下蛋白質(zhì)含量最高,分別為(158.59±15.89)和(282.09±39.34) mg/g。隨著光照時間的進(jìn)一步延長,2株藻株的蛋白含量都呈現(xiàn)下降趨勢。其中藻藍(lán)蛋白含量也呈現(xiàn)隨光照周期中光照時間延長先升高后下降的變化規(guī)律,在光照周期L10∶D14條件下,單位質(zhì)量的藻株623和793的藻藍(lán)蛋白含量最高,分別為(8.65±0.94)和(15.96±2.32) mg/g。

圖4 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的蛋白質(zhì)和藻藍(lán)蛋白含量隨光照周期的變化Fig.4 Variation of protein and phycocyanin content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with photoperiod

2.2 不同比例紅藍(lán)LED光組合對節(jié)旋藻的影響

設(shè)置LED光組合為白光、紅∶藍(lán)=1∶1、紅∶藍(lán)=2∶1、紅∶藍(lán)=4∶1、紅∶藍(lán)=6∶1、紅∶藍(lán)=8∶1,光照強(qiáng)度25 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃,光照周期L12∶D12。

2.2.1 生物量 由圖5所示,藻株623和793的生物量均隨著紅光比例的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,生物量積累按照從高到低的紅藍(lán)光比例是6∶1>8∶1>4∶1>2∶1>1∶1>白光,在紅∶藍(lán)=6∶1生長速率最高,培養(yǎng)第18天進(jìn)入生長平臺期,藻株623和793的藻液濃度分別為(2.12±0.19)和(1.97±0.18) g/L。

(A: A. platensis 623 生物量 Biomass of A. platensis 623; B: A. platensis 793 生物量Biomass of A. platensis 793.)圖5 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的生物量隨紅藍(lán)LED光比例的變化Fig.5 Variations of biomass of A. Platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of red and blue LED light

2.2.2 色素含量 由圖6可知藻株623葉綠素a含量在LED白光和紅∶藍(lán)=6∶1時較高,在培養(yǎng)第18天到達(dá)平臺期時,分別為(10.54±0.67)、(10.16±0.74) mg/g,藻株793葉綠素a含量在培養(yǎng)的前18天在LED白光和紅∶藍(lán)=6∶1時較高,在培養(yǎng)第18天分別為(9.23±0.51)、(8.84±0.50) mg/g,18 d后在紅∶藍(lán)=8∶1下的葉綠素a含量提高,超過LED白光和紅∶藍(lán)=6∶1,最大值為(8.89±0.63) mg/g。不同比例的LED紅藍(lán)光下,藻株623和793的類胡蘿卜素含量差異不顯著。

(A:A. platensis OUC 623葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 623;B:A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 623;C:A. platensis OUC 793葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 793;D:A. platensis OUC 793類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 793.)圖6 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的色素含量隨紅藍(lán)LED光比例的變化Fig.6 Variation of pigment content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of red and blue LED light

2.2.3 多糖含量 從多糖含量結(jié)果顯示(見圖7),適當(dāng)比例的紅藍(lán)LED光有利于提高節(jié)旋藻中的多糖含量,單位質(zhì)量的623和793藻株都在LED光紅∶藍(lán)=1∶1時多糖含量最高,分別為(208.92±16.57)和(90.71±5.87) mg/g,顯著高于白光條件下節(jié)旋藻中的多糖含量(P<0.05)。隨著紅光比例的進(jìn)一步增加,2個藻株的多糖含量都呈現(xiàn)下降趨勢,在LED光為紅∶藍(lán)=6∶1和8∶1時的多糖含量同白光條件下接近,差異不顯著(P>0.05)。

圖7 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的多糖含量隨紅藍(lán)LED光比例的變化Fig.7 The variation of polysaccharide content of A. Platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of red and blue LED light

2.2.4 蛋白質(zhì)含量 從總蛋白質(zhì)含量結(jié)果顯示(見圖8),適當(dāng)比例的紅藍(lán)LED光有利于提高節(jié)旋藻中的蛋白含量,比例為1∶1、2∶1和4∶1的紅藍(lán)LED光條件下的總蛋白含量都顯著高于白光(P<0.05),在LED光紅∶藍(lán)=1∶1時單位質(zhì)量藻株623和793的蛋白質(zhì)含量最高,分別為(284.79±27.51)和(159.15±15.61) mg/g。隨著紅光比重的進(jìn)一步增加,2個藻株的蛋白含量都呈現(xiàn)下降趨勢,在LED光紅∶藍(lán)=6∶1和8∶1時蛋白含量同白光條件下的蛋白含量接近,差異不顯著(P>0.05)。

圖8 A. platensis OUC 623和A. platensis OUC 793的蛋白質(zhì)和藻藍(lán)蛋白含量隨紅藍(lán)LED光比例的變化Fig.8 Variation of protein and phycocyanin content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of red and blue LED light

對藻藍(lán)蛋白含量的檢測結(jié)果顯示(見圖8),在紅∶藍(lán)=1∶1時單位質(zhì)量的藻株623和793的藻藍(lán)蛋白含量最高,分別為(38.41±4.41)和(33.48±3.37) mg/g,顯著高于白光(P<0.05)。隨著紅光比例的進(jìn)一步增加,2個藻株的蛋白含量都呈現(xiàn)下降趨勢,在紅藍(lán)比例大于4∶1的各組合LED光下的藻藍(lán)蛋白含量同白光相近,差異不顯著(P>0.05)。

2.3 不同比例藍(lán)紅LED光組合對節(jié)旋藻的影響

設(shè)置LED光組合:白光、藍(lán)∶紅=1∶1、藍(lán)∶紅=2∶1、藍(lán)∶紅=4∶1、藍(lán)∶紅=6∶1、藍(lán)∶紅=8∶1,光照強(qiáng)度25 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃,光照周期L12∶D12。

2.3.1 生物量 由圖9所示,一定比例(1∶1、2∶1、4∶1、6∶1)的藍(lán)紅LED光也可以促進(jìn)節(jié)旋藻藻株623和793的生長,生物量高于同樣光照條件下的白色LED光。但是隨著藍(lán)光比例的增加,藻株623和793的生物量均呈現(xiàn)下降的趨勢,2個藻株均是在LED光藍(lán)∶紅=1∶1時生長速率最高,在培養(yǎng)的第18天進(jìn)入生長平臺期,培養(yǎng)至第20天時藻液濃度分別為(1.71±0.14)和(1.42±0.09) g/L。

(A:A. platensis OUC 623 生物量Biomass of A. platensis OUC 623;B:A. platensis OUC 793 生物量Biomass of A. platensis OUC 793.)圖9 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的生物量隨藍(lán)紅LED光比例的變化Fig.9 Variation of biomass of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of blue-red LED light

2.3.2 色素含量 色素含量可知(見圖10),藻株623和793葉綠素a和類胡蘿卜素含量均隨著藍(lán)光比例的增加呈現(xiàn)下降的趨勢,除793藻株葉綠素a含量在LED光藍(lán)∶紅=4∶1時最高外,其余均在LED光藍(lán)∶紅=1∶1時最高,其中在培養(yǎng)第20天分別為(7.88±0.56)、(4.83±0.45)、(8.95±0.71)、(4.22±0.46) mg/g。

(A:A. platensis OUC 623葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 623;B:A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 623;C:A. platensis OUC 793葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 793;D:A. platensis OUC 793類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 793.)圖10 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的色素含量隨藍(lán)紅LED光比例的變化Fig.10 The variation of pigment content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of blue to red LED light

2.3.3 多糖含量 多糖含量結(jié)果顯示(見圖11),藻株623和793的多糖含量都隨著藍(lán)光比例的增加呈現(xiàn)上升趨勢。藻株623在藍(lán)∶紅為1∶1～8∶1的LED光照射下,多糖含量都高于白光,差異顯著(P<0.05),在LED藍(lán)∶紅=6∶1時多糖含量最高,為(268.91±20.54) mg/g。藻株793在藍(lán)∶紅為1∶1～8∶1的LED光照射下,多糖含量都高于白光,差異顯著(P<0.05),在LED藍(lán)∶紅=8∶1時多糖含量最高,為(185.25±17.87) mg/g。

圖11 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的多糖含量隨藍(lán)紅LED光比例的變化Fig.11 Variation of polysaccharide content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with the ratio of blue to red LED light

2.3.4 蛋白質(zhì)含量 從總蛋白質(zhì)含量結(jié)果顯示(見圖12A),623和793藻株的蛋白含量都隨著藍(lán)光比例的增加呈現(xiàn)上升趨勢,且藍(lán)∶紅>1∶1的LED光照射下的蛋白含量都顯著高于白光(P<0.05)。在LED光藍(lán)∶紅=8∶1時單位質(zhì)量藻株623和793的蛋白質(zhì)含量最高,分別為(657.98±76.25)和(610.23±87.13) mg/g。

圖12 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的蛋白質(zhì)和藻藍(lán)蛋白含量隨藍(lán)紅LED光比例的變化Fig.12 Variation of protein and phycocyanin content of A.platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with blue-red LED light ratio

藻藍(lán)蛋白含量同樣也隨著藍(lán)光比例的增加呈現(xiàn)上升趨勢(見圖12B),在藍(lán)光照射下的藻株的藻藍(lán)蛋白含量都顯著高于白光(P<0.05)。在LED光藍(lán)∶紅=8∶1時單位質(zhì)量的623的藻藍(lán)蛋白含量最高,含量為(51.26±5.86) mg/g,在LED光藍(lán)∶紅=6∶1時單位質(zhì)量的793藻株藻藍(lán)蛋白含量最高,含量為(110.21±12.26) mg/g。

2.4 LED光組合的不同光照強(qiáng)度對節(jié)旋藻的影響

根據(jù)2.2和2.3的實驗結(jié)果,選取了對生長促進(jìn)顯著的紅∶藍(lán)=6∶1組合和對有機(jī)物積累促進(jìn)顯著的藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合進(jìn)行光照強(qiáng)度的研究,分別設(shè)置光照強(qiáng)度梯度5、15、25、35、45 μmol·m-2·s-1,培養(yǎng)溫度25 ℃,光照周期L12∶D12。

2.4.1 生物量 由圖13所示:藻株623和793在紅∶藍(lán)=6∶1和藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合的生長速率均隨著光照強(qiáng)度的增加而提高,在光照強(qiáng)度35和45 μmol·m-2·s-1時生長速率最高;在培養(yǎng)至第18天時,45 μmol·m-2·s-1條件下,藻株623在紅∶藍(lán)=6∶1和藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合下藻液濃度最高分別為(2.21±0.21)和(1.85±0.16) g/L,藻株793在紅∶藍(lán)=6∶1和藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合下藻液濃度最高分別為(1.88±0.17)和(1.42±0.12) g/L。

(A:LED光紅∶藍(lán)=6∶1時A. platensis OUC 623生物量 Biomass of A. platensis OUC 623 in LED light of red∶blue = 6∶1;B:LED光藍(lán)∶紅=6∶1 A. platensis OUC 623生物量 Biomass of A. platensis OUC 623 in LED light of blue∶red=6∶1;C:LED光紅∶藍(lán)=6∶1時A. platensis OUC 793生物量 Biomass of A. platensis OUC 793 in LED light of red∶blue=6∶1;D:LED光藍(lán)∶紅=6∶1 A. platensis OUC 793生物量 Biomass of A. platensis OUC 793 in LED light of blue∶red=6∶1.)圖13 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的生物量隨LED光組合光照強(qiáng)度的變化Fig.13 Variation of biomass of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with light intensity of LED light combination

2.4.2 色素含量 對色素含量的檢測可知(見圖14),藻株623和793在不同光照條件下的變化相似,在LED光紅∶藍(lán)=6∶1條件下,葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均在5 μmol·m-2·s-1時最低,差異顯著(P<0.05),大于5 μmol·m-2·s-1各組的含量相近,差異不顯著(P>0.05);在LED光藍(lán)∶紅=6∶1條件下,葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量均在光照強(qiáng)度為5 μmol·m-2·s-1時最低,差異顯著(P<0.05),大于光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1各組的含量相近,差異不顯著(P>0.05)。

(A:LED光紅∶藍(lán)=6∶1時A. platensis OUC 623葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 623 in LED light of red∶blue=6∶1;B:LED光藍(lán)∶紅=6∶1時A. platensis OUC 623葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 623 in LED light of blue∶red=6∶1;C:LED光紅∶藍(lán)=6∶1時A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 623 in LED light of red∶blue=6∶1;D:LED光藍(lán)∶紅=6∶1時A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 623 in LED light of blue∶red=6∶1;E:LED光紅∶藍(lán)=6∶1時A. platensis OUC 793葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 793 in LED light of red∶blue=6∶1;F:LED光藍(lán)∶紅=6∶1時A. platensis OUC 793葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 793 in LED light of blue∶red=6∶1;G:LED光紅∶藍(lán)=6∶1時A. platensis OUC 793類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 793 in LED light of red∶blue=6∶1;H:LED光藍(lán)∶紅=6∶1時A. platensis OUC 793類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 793 in LED light of blue∶red=6∶1.)圖14 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的色素含量隨LED光組合光照強(qiáng)度的變化Fig.14 Variation of pigment content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with light intensity of LED light combination

2.4.3 多糖含量 從多糖含量結(jié)果顯示(見圖15),在紅∶藍(lán)=6∶1的光照條件下,藻株623和793的多糖含量都表現(xiàn)出隨光照強(qiáng)度的增加先升高后下降的趨勢,單位質(zhì)量的藻株623在光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1時多糖含量最高,含量為(83.74±9.77) mg/g;在光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1時,單位質(zhì)量的藻株793多糖含量最高,含量為(55.69±3.83) mg/g。

圖15 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的多糖含量隨LED光質(zhì)組合光照強(qiáng)度的變化Fig.15 Variation of polysaccharide content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793 with light intensity of LED light combination

在LED藍(lán)∶紅=6∶1的光照條件下,藻株623和793的多糖含量都表現(xiàn)出隨光照強(qiáng)度的增加逐漸升高的趨勢,藻株623在光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1時多糖含量最高,為(141.26±13.88) mg/g。藻株793在光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1時多糖含量最高,為(46.01±6.79) mg/g。

2.4.4 蛋白質(zhì)含量 從總蛋白質(zhì)含量結(jié)果顯示(見圖16),在紅∶藍(lán)=6∶1和藍(lán)∶紅=6∶1的LED光照條件下,藻株623和793的多糖含量基本都表現(xiàn)出隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而下降的趨勢,且在光照強(qiáng)度為5 μmol·m-2·s-1時蛋白質(zhì)含量最高。光照強(qiáng)度為5 μmol·m-2·s-1時在紅∶藍(lán)=6∶1和藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合下,單位質(zhì)量的藻株623蛋白質(zhì)含量分別為(123.37±10.16)和(407.81±61.93) mg/g;在紅∶藍(lán)=6∶1的LED光組合下,光照強(qiáng)度為5 μmol·m-2·s-1時單位質(zhì)量的藻株793蛋白含量最高,為(204.54±24.37) mg/g;在藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合下,光照強(qiáng)度為15 μmol·m-2·s-1時單位質(zhì)量的藻株793蛋白含量最高,為(247.04±33.07) mg/g。

圖16 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的蛋白質(zhì)和藻藍(lán)蛋白含量隨LED光質(zhì)組合光照強(qiáng)度的變化Fig.16 Variation of protein and phycocyanin content of A.platensis OUC 623 and A.platensis OUC 793 with light intensity of LED light combination

從藻藍(lán)蛋白含量結(jié)果顯示(見圖16),光照強(qiáng)度為5 μmol·m-2·s-1時,單位質(zhì)量的藻株623在紅∶藍(lán)=6∶1和藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合條件下藻藍(lán)蛋白含量最高,含量分別為(9.30±0.69)和(28.48±3.50) mg/g;光照強(qiáng)度為5 μmol·m-2·s-1時,單位質(zhì)量的藻株793在紅∶藍(lán)=6∶1的LED光組合條件下藻藍(lán)蛋白含量最高,含量分別為(19.89±2.64) mg/g;光照強(qiáng)度為5、15、25 μmol·m-2·s-1時,單位質(zhì)量的藻株793藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合條件下,藻藍(lán)蛋白含量都較高,差異不顯著(P>0.05),其中光照強(qiáng)度為15 μmol·m-2·s-1時藻株793的藻藍(lán)蛋白含量均值最高,為(34.52±3.44) mg/g。

2.5 光照周期、光照強(qiáng)度和光質(zhì)組合的正交實驗

綜合上述藻株生長和有機(jī)物積累情況,設(shè)置光照周期、光照強(qiáng)度和光質(zhì)組合3因素3水平的L9(34)正交實驗表(見表1),培養(yǎng)溫度25 ℃,每組3個平行實驗。

表1 正交實驗設(shè)計表Table 1 Orthogonal experimental design table

2.5.1 生物量 由圖17可知,藻株623在2號實驗組中生長速率最高,該組的實驗條件為光照周期L12∶D12,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合紅∶藍(lán)=6∶1,培養(yǎng)的第22天左右進(jìn)入生長平臺期,藻液濃度為(1.96±0.14) g/L。從正交實驗結(jié)果分析,對藻株623生長的主次影響因素是光質(zhì)組合>光照強(qiáng)度>光照周期。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析(見表2),獲得最優(yōu)的組合為C2B2A3,即光照周期為L16∶D8,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合紅∶藍(lán)=6∶1。

表2 A. platensis OUC 623生長速率正交實驗極差分析表Table 2 Range analysis table of growth rate of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment

(A:A. platensis OUC 623的生長曲線Growth curve of A. platensis OUC 623 biomass;B:A. platensis OUC 793的生長曲線Growth curve of A. platensis OUC 793 biomass)圖17 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的生長的正交實驗Fig.17 Orthogonal experiment of growth of A. Platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793

藻株793在6號實驗組中生長速率最高,即光照周期L14∶D10,光照強(qiáng)度45 μmol·m-2·s-1,LED光組合紅光∶藍(lán)光=6∶1,在培養(yǎng)的第22天左右進(jìn)入生長平臺期,藻液濃度為(1.31±0.09) g/L,從正交實驗結(jié)果分析顯示,對藻株793生長的主次影響因素是光組合>光照強(qiáng)度>光照周期。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析(見表3),獲得最優(yōu)的組合為C2B3A2,即光照周期L14∶D10,光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1,光組合紅光∶藍(lán)光=6∶1,與實驗最優(yōu)組合一致。

表3 A. platensis OUC 793生長速率正交實驗極差分析表Table 3 Range analysis table of growth rate of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment

2.5.2 色素含量 由色素含量(見圖18)可知,藻株623在2號實驗組,即光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合紅∶藍(lán)=6∶1,葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量都最高,在培養(yǎng)第22天含量分別為(4.92±0.37)和(2.72±0.22) mg/g。

(A:正交實驗A. platensis OUC 623葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment; B:正交實驗A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment;C:正交實驗A. platensis OUC 793葉綠素a含量Chlorophyll a content of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment;D:正交實驗A. platensis OUC 793類胡蘿卜素含量Carotenoid content of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment.)圖18 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的色素含量正交實驗Fig.18 Orthogonal experiment on pigment content of A. platensis OUC 623 and A. platensis OUC 793

根據(jù)正交實驗結(jié)果分析(見表4、5),藻株623葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量積累的最優(yōu)組合分別為C2B2A1和B2A1C2,即光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1,與實驗最優(yōu)結(jié)果一致。

表4 A. platensis OUC 623葉綠素a含量正交實驗極差分析表Table 4 Range analysis table of chlorophyll a content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment

表5 A. platensis OUC 623類胡蘿卜素含量實驗極差分析表Table 5 Range analysis table of carotenoid content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment

藻株793在6號實驗組,即光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1下,葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量都最高,在培養(yǎng)第22天含量分別為(2.82±0.17)和(2.03±0.15) mg/g。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析(見表6、7),藻株793葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量積累的最優(yōu)組合為A2B3C2,即光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1,與實驗最優(yōu)結(jié)果一致。

表6 A. platensis OUC 793葉綠素a含量正交實驗極差分析表Table 6 Range analysis table of chlorophyll a content of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment

表7 A. platensis OUC 793類胡蘿卜素含量實驗極差分析表Table 7 Range analysis table of carotenoid content of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment

2.5.3 多糖含量 從多糖含量結(jié)果顯示(見圖19),單位質(zhì)量的藻株623和793均在8號實驗組中多糖含量最高,即光照周期為L16∶D8,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1,含量分別為(275.79±39.92)和(187.38±20.60) mg/g,從正交實驗結(jié)果分析顯示,對藻株623的多糖積累的主次影響因素是光照周期>光質(zhì)組合>光照強(qiáng)度(見表8),對藻株793生長的主次影響因素是光照強(qiáng)度>光照周期>光質(zhì)組合(見表9)。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析(見表8、9),藻株葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量積累的最優(yōu)組合分別為A3C3B2和B2A3C3,即8號實驗組的光照條件,與實驗最優(yōu)結(jié)果一致。

表8 A. platensis OUC 623多糖含量正交實驗極差分析表Table 8 Range analysis table of polysaccharides content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment

表9 A. platensis OUC 793多糖含量正交實驗極差分析表Table 9 Range analysis table of polysaccharides content of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment

圖19 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的多糖含量正交實驗Fig.19 Orthogonal experiment on the content of polysaccharides in A.platensis OUC 623 and A.platensis OUC 793

2.5.4 蛋白質(zhì)含量 從蛋白含量結(jié)果(見圖20)顯示,單位質(zhì)量的藻株623和793均在4號實驗組中蛋白含量最高,即光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,LED光為藍(lán)光∶紅光=6∶1,二者分別為(197.60±20.51)和(361.86±37.53) mg/g,從正交實驗結(jié)果分析顯示,對藻株623的蛋白積累的主次影響因素是光質(zhì)組合>光照強(qiáng)度>光照周期(見表10),對藻株793蛋白質(zhì)積累的主次影響因素是光質(zhì)組合>光照周期>光照強(qiáng)度(見表11)。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析,獲得這2個藻株蛋白質(zhì)積累的最優(yōu)光照組合均為A2B1C3,即光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 mg/g,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1,與實驗最優(yōu)結(jié)果一致。

表10 A. platensis OUC 623蛋白質(zhì)含量正交實驗極差分析表Table 10 Range analysis table of protein content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment

表11 A. platensis OUC 793蛋白質(zhì)含量正交實驗極差分析表Table 11 Range analysis table of protein content of A. platensis OUC 793 in orthogonal experiment

圖20 A. platensis OUC 623 和A. platensis OUC 793的蛋白質(zhì)和藻藍(lán)蛋白含量正交實驗 Fig.20 Orthogonal experiment of protein and phycocyanin content of A.platensis OUC 623 and A.platensis OUC 793

從藻藍(lán)蛋白含量結(jié)果顯示(見圖20),單位質(zhì)量的藻株623在3號實驗組中藻藍(lán)蛋白含量最高,即光照周期為L12∶D12、光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1、LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1,含量為(38.52±4.22) mg/g,從正交實驗結(jié)果分析顯示(見表12),對藻株623藻藍(lán)蛋白積累的主次影響因素是光質(zhì)組合>光照周期>光照強(qiáng)度。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析,獲得最優(yōu)的組合為C3A1B1,即光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,光組合藍(lán)∶紅=6∶1。

表12 A. platensis OUC 623藻藍(lán)蛋白含量正交實驗極差分析表Table 12 Range analysis table of phycocyanin content of A. platensis OUC 623 in orthogonal experiment

單位質(zhì)量的藻株793在4號實驗組條件下藻藍(lán)蛋白含量最高,即光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,光組合為藍(lán)∶紅=6∶1,含量為(51.19±3.78) mg/g,從正交實驗結(jié)果分析顯示(見表13),對藻株793的藻藍(lán)蛋白積累的主次影響因素是光質(zhì)組合>光照強(qiáng)度>光照周期。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析,獲得最優(yōu)的組合為C3B1A2,即光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1。

表13 A. platensis OUC 973藻藍(lán)蛋白含量正交實驗極差分析表Table 13 Range analysis table of phycocyanin content of A. platensis OUC 973 in orthogonal experiment

2.5.5 正交實驗的驗證實驗 在正交實驗中,A.platensisOUC 623的生物量和藻藍(lán)蛋白含量經(jīng)正交結(jié)果分析獲得的理論最優(yōu)組合與實驗組的最優(yōu)組合不一致,因此我們對正交實驗得到的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)一步驗證。

根據(jù)驗證實驗結(jié)果,藻株623的生長最適條件應(yīng)取2號實驗組(A.platensisOUC 623驗證實驗的生物量為(1.27±0.08) mg/g,理論最優(yōu)組合實驗的生物量為(1.31±0.09) mg/g),即選擇光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1;藻藍(lán)蛋白積累最適條件取理論最優(yōu)組合,含量為(42.57±1.42) mg/g,高于3號實驗組,即選擇光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1;蛋白質(zhì)積累最適條件取4號實驗組,即選擇光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1;多糖積累最適條件取8號實驗組,含量為(275.79±39.92) mg/g,即選擇光照周期為L16∶D8,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1;色素積累(葉綠素a和類胡蘿卜素)的最適光照條件與生長一樣,取2號實驗組,即選擇光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1(見表14)。藻株793的生長最適條件應(yīng)取6號實驗組,即選擇光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1,藻藍(lán)蛋白和蛋白質(zhì)積累最適條件取4號實驗組,即選擇光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1,LED光組合藍(lán)∶紅=6∶1,多糖積累最適條件取8號實驗組,即選擇光照周期為L16∶D8,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1,LED光組合為藍(lán)∶紅=6∶1;色素積累(葉綠素a和類胡蘿卜素)的最適光照條件與生長一樣,取6號實驗組,即選擇光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為45 μmol·m-2·s-1,LED光組合為紅∶藍(lán)=6∶1(見表15)。

表14 A. platensis OUC 623最優(yōu)培養(yǎng)方案Table 14 Optimal culture conditions for A. platensis OUC 623

表15 A. platensis OUC 793最優(yōu)培養(yǎng)方案Table 15 Optimal culture conditions for A. platensis OUC 793

3 討論

本實驗從生物量、色素含量、多糖含量、藻藍(lán)蛋白含量、蛋白質(zhì)含量等方面探索了節(jié)旋藻培養(yǎng)的最適光照周期,光照強(qiáng)度,LED光質(zhì)組合條件。實驗中發(fā)現(xiàn)紅光LED可以提高藻株的葉綠素和類胡蘿卜素的含量,進(jìn)而提高藻株生長速率,藍(lán)光LED會促進(jìn)積累多糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物,實驗中623藻株在紅∶藍(lán)=6∶1的LED光組合下比相同條件的白色LED光生物量提高了90.74%,在藍(lán)∶紅=6∶1的LED光組合下,藻藍(lán)蛋白、蛋白質(zhì)、多糖的積累量較白色LED光分別提升了358.84%、342.11%、168.26%;793藻株在紅∶藍(lán)=6∶1的LED光下比相同條件的白色LED光生物量提高了61.74%,在藍(lán)∶紅=6∶1的LED光下,藻藍(lán)蛋白、蛋白質(zhì)、多糖的積累量較白色LED光分別提升了352.79%、955.42%、208.11%,這同Tian等[2]在基于光合有效輻射的紅色和藍(lán)色LED光對鈍頂螺旋藻藻藍(lán)蛋白生產(chǎn)的影響所得到的結(jié)論一致。

在短時間光照,低光照強(qiáng)度等光照不足的條件下,節(jié)旋藻中藻藍(lán)蛋白的含量顯著提升,藻藍(lán)蛋白作為一種捕光色素蛋白,它的光吸收區(qū)在橙黃光區(qū)(615～640 nm),因此在葉綠素基礎(chǔ)上,藻藍(lán)蛋白能吸收更多波長的光能,這使節(jié)旋藻能夠更好地適應(yīng)水下低光照的條件。以往的研究中也發(fā)現(xiàn)在節(jié)旋藻中存在著補(bǔ)光適應(yīng)情況,即在外界光照條件改變時,藻株的藻膽蛋白組成也會隨之發(fā)生改變,金怡雯[16]認(rèn)為節(jié)旋藻在低光強(qiáng)(高于光補(bǔ)償點)的情況下,節(jié)旋藻的藻膽蛋白的合成會增加,是藻株對光限制的一種適應(yīng)行為,藻膽蛋白的含量增加可以保證藻株光合作用的正常進(jìn)行,同時發(fā)現(xiàn)在光照不足的條件下,藻株的葉綠素a等同光合作用直接相關(guān)的色素含量并沒有明顯升高,但藻藍(lán)蛋白含量明顯增加,推測原因是為了滿足藻株在低光照下的生長,在葉綠素a和類胡蘿卜素吸收的光能無法滿足藻株生長需求的情況下,節(jié)旋藻就更傾向于合成更多的藻藍(lán)蛋白,以吸收更大波長范圍的光,維持自身的生長和有機(jī)物合成,即在光照條件不足的情況下,節(jié)旋藻進(jìn)行補(bǔ)光適應(yīng),此時更偏向于合成藻藍(lán)蛋白,捕獲更多的光能,這與Lee等[17]在LED光源培養(yǎng)節(jié)旋藻生產(chǎn)高純度藻藍(lán)蛋白的實驗結(jié)論一致。

據(jù)實驗結(jié)果顯示,葉綠素a和類胡蘿卜素的含量與生長速率正相關(guān),即在生長速率快的光照條件下,色素的含量較高。在藻株光合作用的過程中,在類囊體膜上由光系統(tǒng)Ⅰ、光系統(tǒng)Ⅱ、細(xì)胞色素b6f蛋白復(fù)合體和其他光合相關(guān)的元件構(gòu)成的電子傳遞鏈,其中葉綠素a和類胡蘿卜素起到了非常重要的捕光作用,適宜的光照條件會促進(jìn)葉綠素a和類胡蘿卜素的合成,從而促進(jìn)了藻株的生長。當(dāng)光照不足時,葉綠素和類胡蘿卜素含量均下降,不利于捕光和光合作用;而在過度光照的條件下,節(jié)旋藻會消耗自身的一部分能量來保護(hù)藻細(xì)胞和光合系統(tǒng),甚至發(fā)生光抑制現(xiàn)象,使光合作用被抑制,Heber等[18]發(fā)現(xiàn)在高光照強(qiáng)度條件下,光系統(tǒng)Ⅱ中心蛋白(DI)會被消耗,從而降低了捕光復(fù)合體到光系統(tǒng)Ⅱ的能量傳遞效率。因此過度光照和光照不足時,都會不利于藻株的生長。Markou[19]利用不同波長的光(綠、藍(lán)、紅、白、黃、粉)培養(yǎng)節(jié)旋藻,發(fā)現(xiàn)在粉色和紅色光下生物量最高,而藍(lán)光最低,原因是粉色光接近于葉綠素的435 nm處的吸收峰,紅光接近于藻藍(lán)蛋白(620 nm)和葉綠素的另一個676 nm處的吸收峰,這同本實驗中紅色LED比藍(lán)色LED更有利于節(jié)旋藻生長相一致。Markou[19]還發(fā)現(xiàn)藻藍(lán)蛋白和葉綠素的含量在不能為生物質(zhì)合成提供足夠光能的波長(如藍(lán)色和綠色)中較高,因為這些波長的光不能提供足夠的光能,可以認(rèn)為是光合作用細(xì)胞的暗環(huán)境,需要額外合成藻藍(lán)蛋白和葉綠素捕獲光能。與藻藍(lán)蛋白和葉綠素含量相比,類胡蘿卜素含量不受所用光波長的影響。而在本研究中,藻藍(lán)蛋白的含量是在藍(lán)色光比例高的光質(zhì)條件下較高,但是葉綠素含量和類胡蘿卜素含量都是在紅色光比例高的光質(zhì)條件下更高,而且類胡蘿卜素在不同比例的藍(lán)紅LED光中會隨著藍(lán)光比例的增加而下降。這可能是因為本實驗設(shè)置的是紅色和藍(lán)色的LED組合光,與單一光質(zhì)不同,不同光質(zhì)的組合可能帶來細(xì)胞內(nèi)的協(xié)同作用,可以獲得更豐富的結(jié)果。

本文研究了2種形態(tài)的節(jié)旋藻,螺旋形節(jié)旋藻623和直線形節(jié)旋藻793,發(fā)現(xiàn)他們對光照條件的響應(yīng)并不完全相同,藻株623的生長和藻藍(lán)蛋白的積累相較于藻株793更適宜短時間和較弱強(qiáng)度的光照,光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為35 μmol·m-2·s-1的623藻株濃度最高,793藻株濃度在光照周期L14∶D10,光照強(qiáng)度45 μmol·m-2·s-1時最高,在光照周期為L12∶D12,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1時藻株623的藻藍(lán)蛋白含量最高,793藻株在光照周期為L14∶D10,光照強(qiáng)度為25 μmol·m-2·s-1時藻藍(lán)蛋白含量最高,可能的原因是藻株623更不耐受長時間高強(qiáng)度的光照,也因此其形態(tài)會呈彎曲螺旋形,以增加藻體之間的遮蓋率來減少光照造成的傷害,藻株793更能耐受長時間高強(qiáng)度的光照,因其形態(tài)呈直線形,可以提高光照面積,增加光合效率。Teruo[20]通過實驗證明了高光強(qiáng)會造成藻株光系統(tǒng)Ⅱ損傷,節(jié)旋藻在高光強(qiáng)下藻體螺旋會收緊,是藻株應(yīng)對光損傷的一種自我保護(hù)措施,根據(jù)沈曉文等[21]的實驗證明,當(dāng)光照條件改變時,節(jié)旋藻螺旋形態(tài)會發(fā)生改變,且在培養(yǎng)的過程中長期保持穩(wěn)定。Mao等[22]發(fā)現(xiàn),在紅光和藍(lán)光為8∶2的組合條件下,節(jié)旋藻的碳水化合物、蛋白質(zhì)、藻藍(lán)蛋白、油脂積累均高于白光條件,且發(fā)現(xiàn)節(jié)旋藻的長度、直徑、螺距均顯著小于白光條件,其分析原因為在紅藍(lán)組合光下,節(jié)旋藻基因表達(dá)發(fā)生變化,從而收緊螺旋相互遮蓋減少光輻射。Gao等[23]發(fā)現(xiàn),當(dāng)光照條件不適合節(jié)旋藻生長時,即在UV-B下,藻株總是具有較短的長度和較高的螺旋緊密度等特征。究其原因是藻絲的長度越長,螺旋度越小,對節(jié)旋藻造成的光質(zhì)壓力就越小,在其研究中發(fā)現(xiàn)藻類暴露在較高的UV-B輻射下,其DNA分子確實被降解了,這是藻絲斷裂的一個重要原因。這都與本實驗的結(jié)論基本一致,而本實驗中設(shè)置了更為系統(tǒng)的光照組合,更為具體地探索出了LED紅藍(lán)光組合及光照時間和光照強(qiáng)度對2種不同形態(tài)的節(jié)旋藻生長和有機(jī)物的積累。此外,經(jīng)優(yōu)化光照條件后,623藻株表現(xiàn)出生長速度快的優(yōu)勢,在培養(yǎng)周期內(nèi)生物量積累較多,多糖含量較高,但是其蛋白含量和藻藍(lán)蛋白含量都不如藻株793含量高。不同的藻株表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢,這為滿足節(jié)旋藻產(chǎn)業(yè)化需求提供了更多選擇。

中國已成為全球第一大微藻生產(chǎn)國,微藻產(chǎn)業(yè)中80%以上為節(jié)旋藻,節(jié)旋藻產(chǎn)業(yè)水平的提升對于微藻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。LED光源具有體積小、壽命長、效率高、能耗低等優(yōu)點。在本研究中,不同紅藍(lán)比例的LED光具有促進(jìn)藻細(xì)胞的生長及多糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物積累的作用,在節(jié)旋藻生產(chǎn)中可以根據(jù)對產(chǎn)物的需求調(diào)節(jié)LED光的使用,從而使生產(chǎn)率提高、養(yǎng)殖能耗降低,達(dá)到高產(chǎn)、節(jié)能的目標(biāo),具有經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)價值。