薛升長(zhǎng)，張慶華，吳霞，叢威

1 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

2 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049

鈍頂螺旋藻在不同光照條件下的放氧特性

薛升長(zhǎng)1,2，張慶華1，吳霞1，叢威1

1 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

2 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049

鈍頂螺旋藻在持續(xù)照光和中等頻率 (0.01~20 Hz) 的光/暗交替照光下的放氧特性對(duì)光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作具有重要意義。構(gòu)建了一套可實(shí)現(xiàn)光/暗交替的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行研究，結(jié)果顯示：根據(jù)與放氧速率的關(guān)系，可以將光強(qiáng)分為 4 個(gè)區(qū)：光限制區(qū) (0~335 μmol/(m2·s))，過(guò)渡區(qū) (335~875 μmol/(m2·s))，光飽和區(qū) (875~2 775 μmol/(m2·s))以及光抑制區(qū) (2 775 μmol/(m2·s)以上)。提高光/暗頻率能否提高微藻光合速率取決于所采用的光強(qiáng)和光比例：低光強(qiáng)、低光比例下無(wú)明顯提高；在光比例處于0.1~0.6之間時(shí)，光強(qiáng)越高，提高光/暗頻率所帶來(lái)的光合速率提高的幅度越大。研究結(jié)果對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義是，在午間高光強(qiáng)下提高藻液混合程度所帶來(lái)的光合速率的提高相對(duì)于早晚低光強(qiáng)下更加明顯，經(jīng)濟(jì)上更加可行。

微藻，螺旋藻，光生物反應(yīng)器，光/暗交替，光合放氧

Abstract:The knowledge of oxygen evolution characteristics, which is a symbol of photosynthetic activity, under various light conditions is important for photobioreactor design and operation. In this study, we constructed a device to investigate oxygen evolution characteristics of Spirulina platensis under two different light regimes: 1) continuous illumination of various light intensities (14?6 500 μmol/(m2·s)); 2) medium frequency L/D cycles of four different light intensities (69, 505, 1 330,4 265 μmol/(m2·s)). Light limited region, intermediate region, light saturated region and light inhibited region of light intensity were recognized according to their relationship with oxygen evolution rate (OER) under continuous illumination. Investigation of S. platensis under L/D cycles showed whether photosynthetic efficiency could be increased with increasing L/D frequency largely depended on the light intensity applied. The higher the light intensity, the larger the photosynthetic enhancement could be expected with the increase of L/D frequency. The largest light integration effect was found under L/D cycles of high light intensity(4 265 μmol/(m2·s)) and medium light fraction (k=0.6), while light integration effect was totally absent under low light fractions(k<0.2). We also discussed their implications to the practical aspects of microalgae cultivation.

Keywords:microalgae, Spirulina, oxygen evolution rate, photobioreactor, light/dark cycles

微藻能利用相對(duì)廉價(jià)的物質(zhì)，如 CO2、碳酸鹽等作碳源，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存在生物質(zhì)中，同時(shí)富集有用的代謝產(chǎn)物，對(duì)解決人類(lèi)社會(huì)所面臨的資源、環(huán)境、能源和食品等方面的問(wèn)題具有廣闊的前景[1-2]，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。室外培養(yǎng)微藻通常采用2種方式：開(kāi)放池和密閉式光生物反應(yīng)器。無(wú)論以何種方式培養(yǎng)，光能的獲得都是微藻生長(zhǎng)的一個(gè)限制性因素[3]。由于微藻細(xì)胞之間的相互遮擋，光強(qiáng)在反應(yīng)器內(nèi)的分布沿著光照面呈指數(shù)級(jí)衰減。距離反應(yīng)器光照面近的地方，光強(qiáng)比較高，微藻的生長(zhǎng)速率較快，這部分區(qū)域?qū)儆诜磻?yīng)器的光區(qū)；在遠(yuǎn)離光照面的反應(yīng)器內(nèi)部，光強(qiáng)比較低或者完全黑暗，微藻基本不生長(zhǎng)或者生長(zhǎng)速率為負(fù)值，這部分屬于反應(yīng)器的暗區(qū)。由于反應(yīng)器內(nèi)藻液的流動(dòng)、混合，造成微藻細(xì)胞來(lái)回穿梭于反應(yīng)器的光區(qū)和暗區(qū)，即微藻細(xì)胞經(jīng)歷一定的光/暗交替。因此，研究微藻在不同光/暗交替下的響應(yīng)特性對(duì)于指導(dǎo)光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作具有重要意義。

前期關(guān)于微藻對(duì)不同光/暗交替響應(yīng)的研究[4-6]多數(shù)都集中在高頻范圍 (＞100 Hz，頻率是指光/暗交替周期的倒數(shù))。實(shí)際上，在反應(yīng)器中更常見(jiàn)的是中等頻率 (0.01~20 Hz) 的光/暗交替[7]。這方面的研究不多，僅有的幾篇研究得到的結(jié)論也不一致。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，中等頻率光/暗交替可以顯著提高光合速率[8]；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為中等頻率光/暗交替對(duì)微藻的光合速率影響不大[9]。另外，前期的研究中所使用的光源由于技術(shù)的原因所能達(dá)到的光強(qiáng)不高，不足以覆蓋微藻在室外培養(yǎng)時(shí)所經(jīng)歷的光強(qiáng)范圍。

螺旋藻作為一種營(yíng)養(yǎng)保健食品已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，從螺旋藻中提取的活性物質(zhì)還是藥品和化妝品行業(yè)的重要原料；此外，螺旋藻還可以用于廢水處理或者回收其中的重金屬離子[10]。然而，迄今為止關(guān)于螺旋藻對(duì)不同光/暗交替的響應(yīng)的研究仍然是一個(gè)空白。光合放氧是微藻光合作用的一個(gè)指標(biāo)，因此，本研究首先構(gòu)建了一套可用于研究光合生物在不同光照條件下放氧特性的裝置，它可以提供的光強(qiáng)高達(dá) 5 000 μmol/(m2·s)以上，與夏日午間日光強(qiáng)度相當(dāng)；光/暗頻率的范圍為 0.01~20 Hz；光比例(光周期在整個(gè)光/暗周期中所占的比例，k) 在 0~1內(nèi)任意可調(diào)。此套裝置提供的光照條件可以最大限度地模擬戶(hù)外培養(yǎng)時(shí)微藻細(xì)胞所經(jīng)歷的光照歷程。然后，我們?cè)诖搜b置上研究了鈍頂螺旋藻 Spirulina platensis在不同光強(qiáng)下的持續(xù)照光和中等頻率(0.01~200 Hz) 的光/暗交替照光兩種不同光照條件下的放氧特性，為螺旋藻培養(yǎng)及其反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作提供參考。

1 材料與方法

1.1 藻種和培養(yǎng)基

實(shí)驗(yàn)藻種為鈍頂螺旋藻Spirulina platensis F3品系，煙臺(tái)大學(xué)惠贈(zèng)。使用Zarrouk培養(yǎng)基，組成如下：NaHCO3(16.601 g/L)，K2HPO4(0.647 g/L)，NaNO3(2.470 g/L)，NaCl (0.988 g/L)，MgSO4(0.096 g/L)，K2SO4(0.988 g/L)， CaCl2(0.040 g/L)， FeSO4(0.005 g/L)，EDTA-Na2(0.080 g/L)；微量元素溶液：H3BO3(2.860 mg/L)，MnCl2·4H2O (1.145 mg/L)，CuSO4·5H2O (0.080 mg/L)，(NH4)6Mo7(0.019 mg/L)，ZnSO4(0.123 mg/L)。培養(yǎng)基120 ℃滅菌15 min，冷卻后使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 測(cè)定螺旋藻在不同光照條件下放氧特性的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Experimental setup for oxygen evolution measurement under different light conditions. 1: sample chamber; 2: oxygen electrode; 3: thermal-stat water batch; 4: light source; 5: data logger; 6: stirrer; 7: DC power supply; 8: timer 1; 9: timer 2; 10: partly darkened rotating disc; 11: motor; 12: rotating shaft; 13: speed regulator.

測(cè)定微藻在不同光照條件下放氧特性的裝置如圖1所示。其中，氧電極2 (DW2/2，英國(guó)Hansatech儀器公司) 用于測(cè)定樣品室1 (有效體積約2.5 mL)中藻液氧濃度，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)記錄儀5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；樣品室內(nèi)藻液通過(guò)攪拌獲得良好的混合；樣品室本身配有排氣和封蓋裝置，可使得其內(nèi)藻液不與外界進(jìn)行氣體交換；因此，樣品室中溶氧濃度的變化即反映了微藻細(xì)胞光合作用放氧和呼吸作用耗氧對(duì)溶氧濃度的影響。微藻光合作用所需的光強(qiáng)由大功率白光LED陣列 (10×10) 4 (半導(dǎo)體發(fā)光二極管，100 W，深圳鵬運(yùn)發(fā)光電有限公司) 提供，最高可達(dá)5 000 μmol/(m2·s)以上，與夏日午間日光強(qiáng)度相當(dāng)。光照系統(tǒng)可以給樣品室提供 3種不同的光照條件：1) 持續(xù)照光；2) 小于1 Hz的光/暗交替照光，通過(guò)直流穩(wěn)壓電源7、時(shí)間繼電器1和2 (DH48S-S，北京華北一開(kāi)電器有限公司) 組成的電路控制光源的輸出來(lái)獲得；3) 大于或等于1 Hz的光/暗交替照光通過(guò)部分透光的轉(zhuǎn)盤(pán)10的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)獲得。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)恒溫水浴3 (SC-15，寧波市海曙天恒儀器廠)控制樣品室溫度恒定。

本裝置測(cè)定微藻在不同光照條件下放氧速率的原理如下：

1) 持續(xù)照光時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán) 10保持全透光或者將其透光面置于光源和樣品室之間，電磁繼電器 1輸出一個(gè)3 min/3 min (雙延時(shí)來(lái)回循環(huán)) 的光/暗交替，電磁繼電器2保持常閉。在3 min的光周期內(nèi)，微藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用放出氧氣，藻液中氧濃度升高；在3 min的暗周期內(nèi)，微藻進(jìn)行呼吸作用消耗氧氣，藻液中氧濃度降低 (在實(shí)際操作中，也可以適當(dāng)調(diào)整暗周期的長(zhǎng)度使得藻液中氧濃度降低到大致與光周期開(kāi)始之前相同的水平，使得每一個(gè)光照條件下起始氧濃度大致相同，同時(shí)也可以保證藻液中氧濃度不致升高到超出氧電極的測(cè)量范圍)。測(cè)定完一個(gè)光強(qiáng)下的放氧情況之后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出進(jìn)行下一個(gè)光強(qiáng)下的放氧實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中藻液中氧濃度的變化通過(guò)記錄儀實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，得到一條“氧濃度-時(shí)間”曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)曲線(xiàn)在光照時(shí)間段內(nèi)的斜率取平均值即可得到此光照條件下的放氧速率。

2) 在小于1 Hz的光/暗交替照光條件下，轉(zhuǎn)盤(pán)10保持全透光或者將其透光面置于光源和樣品室之間，電磁繼電器1同樣輸出一個(gè)3 min/3 min的光/暗交替，電磁繼電器2輸出一個(gè)欲測(cè)定的光/暗比 (比如2~8 s，雙延時(shí))。兩個(gè)繼電器串聯(lián)控制的結(jié)果是，在3 min的光周期內(nèi)，微藻細(xì)胞接受的是一定頻率和光比例的光/暗交替照光。除此之外，測(cè)定原理的其他方面都與持續(xù)照光相同。

3) 在大于或等于 1 Hz的光/暗交替照光條件下，電磁繼電器1輸出一個(gè)3 min/3 min的光/暗交替，電磁繼電器2保持常閉，部分透光的轉(zhuǎn)盤(pán)在電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)樣品室表面的光/暗交替受光。此處，部分透光的轉(zhuǎn)盤(pán)是通過(guò)在全透光的有機(jī)玻璃板上粘貼上一定角度的黑色扇形不干膠紙來(lái)獲得，不同光比例通過(guò)調(diào)節(jié)不干膠紙的扇形角度獲得；轉(zhuǎn)盤(pán)可以布置 1個(gè)透光區(qū)，也可以均勻的布置多個(gè)透光區(qū)，通過(guò)調(diào)速器13調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速，可以獲得各個(gè)不同的光/暗頻率。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

過(guò)濾收集培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的螺旋藻細(xì)胞，以新鮮培養(yǎng)基稀釋至特定濃度 (OD560為 0.15左右)，加入氧電極樣品室，將樣品室內(nèi)空氣排出并密封。通過(guò)恒溫水浴控制培養(yǎng)室溫度在35 ℃，樣品室攪拌轉(zhuǎn)速50 r/min。分別測(cè)定以下兩種光照條件下的放氧速率：1) 持續(xù)照光，光強(qiáng)范圍 14~6 700 μmol/(m2·s)；2) 4種不同光強(qiáng)下的光/暗交替照光，光比例0.05~0.9，頻率0.01~20 Hz。

1.4 分析方法

1.4.1 PFD-電壓曲線(xiàn)

樣品室中光強(qiáng) (以光量子通量密度表示，photo flux density，PFD) 通過(guò)光合有效輻射光量子計(jì) (波長(zhǎng)范圍400~700 nm，英國(guó)Hansatech儀器公司) 測(cè)定，PFD與電源輸出電壓的關(guān)系如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓來(lái)獲得不同的PFD。

1.4.2 氧濃度

有關(guān)氧電極測(cè)定藻液中氧濃度的原理和方法參照Hansatech儀器公司提供的使用說(shuō)明書(shū)。

1.4.3 放氧速率

作為光合作用速率的重要指標(biāo)，放氧速率(Oxygen evolution rate，OER) 以單位質(zhì)量的葉綠素在單位時(shí)間內(nèi)放出的氧氣量 (μmol O2/(mg Chl·h))來(lái)表示。氧電極可以直接測(cè)出氧濃度，葉綠素含量采用文獻(xiàn)[11]的方法測(cè)定。根據(jù)測(cè)得的結(jié)果經(jīng)過(guò)換算即可得到放氧速率。

圖2 樣品室中PFD與電源的輸出電壓之間的關(guān)系Fig. 2 Dependence of photo flux density (PFD) in the sample chamber on the power output.

2 結(jié)果

2.1 持續(xù)照光下的放氧特性

不同光強(qiáng)、持續(xù)照光下放氧速率如圖3所示。

根據(jù)同放氧速率之間的關(guān)系，可以把光強(qiáng)分為4個(gè)區(qū)：1) PFD 小于 335 μmol/(m2·s) 時(shí)，OER 隨著PFD線(xiàn)性增加，螺旋藻在此光強(qiáng)范圍內(nèi)處于光限制區(qū)；2) PFD 在 335~875 μmol/(m2·s) 之間時(shí)，OER隨著PFD緩慢增加，螺旋藻介于光限制和光飽和之間；3) PFD 在 875~2 775 μmol/(m2·s) 之間時(shí)，OER近似保持不變或者稍有減低，螺旋藻處于光飽和區(qū)；4) PFD 大于 2 775 μmol/(m2·s) 之間時(shí)，OER隨PFD的增加迅速降低，螺旋藻在此光強(qiáng)范圍內(nèi)處于光抑制區(qū)。

圖3 螺旋藻在持續(xù)照光下的放氧速率隨光強(qiáng)的變化Fig. 3 OER of S. platensis under continuous illumination of different PFDs. PFD: photo flux density.

2.2 光/暗交替照光條件下的放氧特性

根據(jù)持續(xù)照光下的研究結(jié)果，選取了 4個(gè)不同光強(qiáng) (69、505、1 330、4 265 μmol/(m2·s)，分別代表4個(gè)不同的光照區(qū))，來(lái)研究光/暗頻率對(duì)螺旋藻放氧速率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 光/暗交替照光下螺旋藻的放氧速率隨光/暗頻率的變化Fig. 4 OER of S. platensis under L/D cycles of different frequencies.

研究光/暗交替對(duì)螺旋藻光合放氧的影響的主要目的是據(jù)此來(lái)提高螺旋藻的光合速率、增加產(chǎn)量，從圖中可以看出：1) 在低光強(qiáng) (PFD=69 μmol/(m2·s))光/暗交替照光條件下，螺旋藻放氧速率基本不受光/暗頻率的影響，表明在光限制條件下，螺旋藻的放氧速率僅與細(xì)胞接收到的光子絕對(duì)數(shù)量有關(guān)，而與接收光子的頻率無(wú)關(guān)；當(dāng)螺旋藻在此光強(qiáng)下培養(yǎng)時(shí)，增加攪拌、強(qiáng)化混合不會(huì)導(dǎo)致光合速率的提高；2) 在接近光飽和 (PFD=505 μmol/(m2·s)) 的光/暗交替照光條件下，螺旋藻的放氧速率隨著光/暗頻率的增加有少量的增加，表明光/暗頻率開(kāi)始對(duì)螺旋藻的光合作用發(fā)揮影響；3) 在高光強(qiáng) (PFD=1 330和4 265 μmol/(m2·s))、中低光比例 (k≤0.6) 條件下，提高光/暗頻率，螺旋藻放氧速率迅速增加。因此，在戶(hù)外午間高光強(qiáng)下培養(yǎng)螺旋藻時(shí)，提高藻液的混合頻率會(huì)明顯提高螺旋藻的光合效率、增加單位面積產(chǎn)量。本實(shí)驗(yàn)室前期在平板式光生物反應(yīng)器中的研究結(jié)果[12]表明，室內(nèi)光限制條件下強(qiáng)化培養(yǎng)液混合對(duì)螺旋藻光能利用率影響不大；在室外高光強(qiáng)下，提高培養(yǎng)液混合程度會(huì)明顯提高螺旋藻的光能利用率，這與本文的研究結(jié)果是一致的。而在高光強(qiáng)、高光比例 (k≥0.8) 條件下，由于螺旋藻在單位時(shí)間內(nèi)接收的光量子密度 (k·PFD) 已經(jīng)飽和，因此，提高光/暗頻率對(duì)螺旋藻放氧速率影響不大。

光照對(duì)微藻光合作用的影響通過(guò) 3個(gè)指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)：光強(qiáng)、光/暗頻率、光比例，它們分別決定了藻細(xì)胞接受光照時(shí)的光量子密度、接受光照的頻率、每次接受光照的時(shí)間占光/暗周期的比例。持續(xù)光照可視為光比例為1的光/暗交替照光，此時(shí)光/暗頻率對(duì)微藻光合作用無(wú)影響；光比例越高，其結(jié)果越接近于持續(xù)光照下的情況。因此相對(duì)于中低光比例，高光比例下光/暗頻率對(duì)微藻光合作用的影響較小。

另外，在較低的光比例 (k＜0.2) 下，螺旋藻的放氧速率比較低，特別是在低光強(qiáng)、低光/暗頻率下，此速率接近于零，甚至為負(fù)值；此時(shí)光合效率低，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免這種情況的出現(xiàn)。增加光強(qiáng)、提高光/暗頻率可以有效緩解此現(xiàn)象。在室外培養(yǎng)螺旋藻時(shí)，所采用的反應(yīng)器光照方向上厚度越大、藻細(xì)胞培養(yǎng)密度越高，光區(qū)在整個(gè)反應(yīng)器中所占的比例就越低，微藻細(xì)胞所經(jīng)歷的光/暗交替的平均光比例也越低。此時(shí)為了保證光能的利用效率，必須提高光強(qiáng)、提高光/暗頻率。

從 PFD=4 265 μmol/(m2·s) 的研究結(jié)果還可以看出，最高的放氧速率出現(xiàn)在光比例 k=0.6處，表明當(dāng)光比例小于 0.6時(shí)，螺旋藻的光合作用受到光的限制，而光比例大于 0.6時(shí)過(guò)多的光能輸入對(duì)螺旋藻產(chǎn)生了抑制，造成放氧速率下降。另外，整體上 PFD=505 μmol/(m2·s) 和 PFD=1 330 μmol/(m2·s)的放氧速率都比 PFD=4 265 μmol/(m2·s) 的放氧速率高，這也說(shuō)明了過(guò)多的光能輸入會(huì)對(duì)螺旋藻的光合作用產(chǎn)生抑制，這時(shí)如果能夠?qū)Ψ磻?yīng)器表面進(jìn)行部分遮光則會(huì)明顯提高光合速率、增加產(chǎn)量。

2.3 光集成效應(yīng)

為了解釋光/暗交替對(duì)微藻光合放氧或者生長(zhǎng)的影響，Terry[13]提出了光集成效應(yīng) (Light integration effect) 的概念，定義如下：在連續(xù)光照下，微藻的生長(zhǎng)或者放氧速率 (以 μ表示) 與輸入的光量子通量密度 (PFD) 呈飽和動(dòng)力學(xué)關(guān)系 (類(lèi)似酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué))，以 μ=f (PFD) 表示；在光比例為 k的光/暗交替下，完全光集成時(shí)μ=f (k·PFD)，完全無(wú)光集成時(shí)則有μ=k·f (PFD)；由于f為飽和動(dòng)力學(xué)方程，必有 f (k·PFD)＞k·f (PFD)；一般的情況下，光/暗交替對(duì)微藻的影響介于完全光集成和完全無(wú)光集成之間，即 k·f (PFD)＜μ＜f (k·PFD)。本文以光/暗頻率為1 Hz的結(jié)果為例比較了各個(gè)不同光強(qiáng)、不同光比例下的光集成效應(yīng)。結(jié)果如圖5所示。橫坐標(biāo)為光比例，縱坐標(biāo)是相對(duì)于指定光強(qiáng)、持續(xù)照光下的結(jié)果進(jìn)行歸一化的放氧速率。圖中虛線(xiàn)是連接k=0和k=1兩點(diǎn)的一條斜率為 1的直線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)落在虛線(xiàn)上表明完全無(wú)光集成，光合效率與相同光強(qiáng)下的持續(xù)照光相同；實(shí)驗(yàn)點(diǎn)落在虛線(xiàn)的上方代表存在光集成效應(yīng)，光合效率高于持續(xù)照光；距離虛線(xiàn)越遠(yuǎn)，光集成效應(yīng)越大；實(shí)驗(yàn)點(diǎn)落在虛線(xiàn)下方代表不僅不存在光集成效應(yīng)，而且光合效率低于相同光強(qiáng)下的持續(xù)照光。

從圖中可以看出，在光強(qiáng)較低時(shí) (圖5A~5C)，光比例小于 0.4時(shí)基本上不存在光集成效應(yīng)，光合效率低于相同光強(qiáng)下的持續(xù)照光；光比例大于 0.6時(shí)存在光集成效應(yīng)，但是光集成的程度不高。在高光強(qiáng) (PFD=4 265 μmol/(m2·s)) 下，各種光比例下都存在光集成效應(yīng)，光集成的相對(duì)程度取決于光比例，光集成效應(yīng)最強(qiáng)的點(diǎn)出現(xiàn)在 k=0.6處。根據(jù)本文的研究結(jié)果可以看出，微藻在光/暗交替下是否存在光集成效應(yīng)和光合增益效應(yīng)取決于所采用的光強(qiáng)和光比例，低光強(qiáng)、低光比例下不存在光集成效應(yīng)和光合增益效應(yīng)；光強(qiáng)越高，采用光/暗交替所帶來(lái)的光集成效應(yīng)和光合增益效應(yīng)越明顯。Janssen等[14]在中等光強(qiáng)、中等頻率光/暗交替下的研究結(jié)果表明，微藻在光/暗交替下是否存在光集成效應(yīng)和光合增益效應(yīng)取決于所采用的光比例，光比例低于0.5時(shí)不存在光集成效應(yīng)，這與本文的研究結(jié)果是比較吻合的。

3 討論

圖5 螺旋藻歸一化的放氧速率隨光比例的變化Fig. 5 Normalized OER of S. platensis influenced by light fraction of L/D cycles.

本文研究了鈍頂螺旋藻 S. platensis在各種不同光照條件下的放氧特性，所采用的光照條件基本覆蓋了微藻在室外培養(yǎng)時(shí)可能碰到的情況。結(jié)果表明：1) 根據(jù)持續(xù)照光下與放氧速率關(guān)系，可以把光強(qiáng)分成 4 個(gè)區(qū)：光限制區(qū) (0~335 μmol/(m2·s))，過(guò)渡區(qū) (335~875 μmol/(m2·s))，光飽和區(qū) (875~2 775 μmol/(m2·s)) 以及光抑制區(qū) (2 775 μmol/(m2·s)以上)；2) 在光限制條件下，提高光/暗頻率不能提高放氧速率和光能利用率；在高光強(qiáng)下，提高光/暗頻率能夠大幅提高螺旋藻的放氧速率，從而明顯提高其光能利用率；3) 在低光強(qiáng)、低光比例下，光合放氧接近于零甚至為負(fù)值，說(shuō)明在此條件下光能利用效率低，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免此種情況的出現(xiàn)；4) 最大的光集成效應(yīng)出現(xiàn)在高光強(qiáng)、中等的光比例條件下，其他情況下不存在光集成效應(yīng)或者光集成效應(yīng)不明顯。

本文的研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。為了提高光/暗頻率，需要強(qiáng)化藻液的混合，因此需要增加額外的能量輸入，這在經(jīng)濟(jì)上是否可行主要取決于由此帶來(lái)的光合速率提高的幅度。由研究結(jié)果可以明顯看出，在午間高光強(qiáng)時(shí)強(qiáng)化混合帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益明顯大于早晨和傍晚時(shí)較低光強(qiáng)的情況。因此，可以分時(shí)段采用不同攪拌強(qiáng)度操作，在午間高光強(qiáng)時(shí)強(qiáng)化攪拌混合。另外，培養(yǎng)密度過(guò)高或者反應(yīng)器厚度過(guò)大會(huì)造成反應(yīng)器中微藻細(xì)胞整體的光比例較低，這在光強(qiáng)不高時(shí)對(duì)于生產(chǎn)并不經(jīng)濟(jì)，在螺旋藻培養(yǎng)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。

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Oxygen evolution characteristics of Spirulina platensis under various light conditions

Shengzhang Xue1,2, Qinghua Zhang1, Xia Wu1, and Wei Cong1
1 National Key Laboratory Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received: August 10, 2010; Accepted: November 23, 2010

Supported by: National Key Technology R&D Program of China (No. 2006BAD09A12).

Corresponding author: Wei Cong. Tel: +86-10-82627060; Fax: +86-10-82627074; E-mail: weicong@home.ipe.ac.cn

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