CO2浓度对嗜碱绿球藻MC―1光合作用和生长的影响.doc
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1、CO2浓度对嗜碱绿球藻MC1光合作用和生长的影响收稿日期:2017-03-04 基金项目:国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金(编号:1514);广东省自然科学基金(编号:2014A030310495)。 通信作者:向文洲,博士,博士生导师,主要从事海藻生理生化、海藻天然产物、保健食品及可再生资源的开发利用研究。Tel:(020)89023223;E-mail:。 由于温室气体的大量排放所引起的温室效应已经成为全球关注的热点问题,减排形势也越来越严峻,其中,CO2是主要的温室气体1。微藻可通过光合作用将CO2固定转化为有机物,从而达到减排目的,由于微藻具有生长速率快、生长周期短、固碳效率高、
2、产量高等特点,利用微藻进行减排已成为目前研究的热点2。 一些工厂由于燃烧煤炭所排放出的烟气中含有大量CO2,而微藻培养中碳源成本占总培养成本的41%3,如果利用这些烟气作为碳源来培养微藻,则不但生产所需的碳源成本可忽略不计,而且能达到减排的目的,可谓一举两得。煤炭烟气中CO2浓度(体积分数)一般在15%20%,而CO2浓度是影响微藻光合作用和生长的一个重要因素4。关于微藻对CO2浓度适应性的研究已多见报道,如Kaplan等发现微藻Anabaena variabilis在低浓度CO2(0.03% CO2)下光合放氧速率很快达到最大值,而在高浓度CO2(5% CO2)下其光合放氧速率受到明显抑制5
3、;郭祯等比较了不同CO2浓度(1%、3%、5%、10%、15%)对亚心形扁藻生长的影响,发现3% CO2对该藻生长最有利,当CO2浓度大于3%时,该藻光合作用和生长受到抑制6;Chiu等利用空气与2%、5%、10%、15% CO2培养1株小球藻,发现该藻最适CO2浓度为2%,当CO2浓度为5%时,藻的生长受到明显抑制,CO2浓度为10%、15%时,藻的生长完全被抑制,甚至出现藻细胞死亡现象7。目前所报道的大部分微藻对CO2的耐受度较低,不能适应含有高浓度CO2的烟气培养条件,因此,寻找适应性强、易于培养且能耐受高浓度CO2的藻种是实现微藻烟气培养的关键。 笔者所在实验室发现1株极具潜力的减排藻
4、种嗜碱绿球藻Chlorococcum alkaliphilus MC-1,该藻种具有适应性强、生长速度快和pH值快速漂移等特性,易于在室外大规模培养8-9。但是CO2浓度对其光合作用和生长的影响尚不明确。因此,本研究以该藻为试验材料,通过测定不同浓度CO2对该藻光合放氧速率、生长状态的影响,以期为实现该藻的气培养和培养条件的优化提供参考依据。 1 材料与方法 1.1 藻种和培养基 本研究采用1株嗜碱绿球藻Chlorococcum alkaliphilus MC-1 (暂定名,简称MC-1) 作为试验藻种,该藻种由中国科学院南海海洋研究所微藻项目组于2002年在室外蓝藻培养箱中分离并经过固体纯化
5、培养后获得8。 本试验中所用培养基配方在原ZSNT培养基8的基础上加以调整,调整后的配方见表1。M2溶液:1 L蒸馏水中添加0.24 g FeCl3?6H2O、0.19 g Na2-EDTA。A5溶液:1 L蒸馏水中添加2.86 g H3BO3、1.81 g MnCl2?4H2O、0.22 g ZnSO4?7H2O、0.08 g CuSO4?5H2O、0.02 g Na2MoO4、1滴浓H2SO4。B6溶液:1 L蒸馏水中添加22.96 mg NH4VO3、19.90 mg K2CrO4、47.85 mg NiSO4?6H2O、17.91 mg NaWO4?2H2O、40.00 mg Ti(S
6、O4)3、43.98 mg Co(NO3)2?6H2O。 1.2 光合放氧速率的测定 1.2.1 不同浓度CO2补充下光合放氧速率的测定 先将处于生长期的微藻用MC-1培养基配制成浓度约为25 g/mL(以单位体积的叶绿素质量计)的藻液,并在光照度为 135.14 mol/(m2?s)、温度为25 的条件下光照培养至其pH值升至10.50。试验分4组(CO2含量分别为5%、15%、50%、100%)进行,每组分别通入对应浓度的CO2,将藻液的pH值依次降为9.50、9.00、8.50、8.00、7.50、7.00、6.50。利用Hansatech公司的Oxygraph氧电极测定每个pH值下的光
7、合放氧速率(以单位时间、单位质量叶绿素的放氧量计),测定时的光照度为135.14 mol/(m2?s),光源为冷白炽光,反应杯的温度通过恒温控制仪维持在25 ,在反应杯中加入 2 mL 藻液,每次测定8 min。 1.2.2 不同pH值下光合放氧速率的测定 将处于对数生长期的微藻利用MC-1培养基配制成浓度约为 25 g/mL 的藻液,然后利用HCl、NaOH将藻液pH值分别调为2.0、30、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0,每组设3个平行。每次调完pH值后,间隔30 min,然后利用氧电极测定光合放氧速率(以单位时间、单位质量叶绿素的放氧量计)。反应杯中加入
8、2 mL藻液,通过恒温控制仪维持反应杯温度在25 ,测定时的光照度为135.14 mol/(m2?s),光源为冷白炽光,每次测定8 min。 1.3 不同浓度CO2培养试验的培养条件 本试验于室内进行,培养容器为1 L三角瓶,藻液体积为700 mL,起始D700 nm为0.312,以白炽灯为光源,光照度为13514 mol/(m2?s),光暗周期为12 h12 h,培养温度为25 。试验分4组进行(CO2浓度分别为5%、15%、50%、100%),每个试验组设3个平行。每天摇瓶34次,连续培养11 d,每天10:00测定pH值和干质量。其中pH值用FiveGo基础型便携式pH计-FG2-FK(
9、METTLER TOLEDO,美国)直接测定;干质量的测定方法:取15 mL藻液,用 0.22 m 微孔滤膜过滤并用去离子水清洗2次,于110 下烘干至恒质量后测定。 1.4 气源和补气方式 气源采用CO2、N2以不同浓度比混合的气罐,CO2体积分数分别设为5%、15%、50%、100%。采用间歇性补气方式培养,由于该藻在培养时会产生明显的pH值漂移现象,即藻液pH值会在短时间内快速上升9,当pH值升至10.0时,开始补充CO2气体,通气速率为150 mL/min,当pH值降到700时停止供气,如此反复,此补气过程均采用人工控制,夜间停止补气。 1.5 生长指标计算 式中:P?樯?物量产率,g
10、/(L?d);C为藻体中碳元素质量分数;MCO2、MC分别为CO2、C的相对分子质量。 1.6 统计分析 采用SPSS 10.0对试验结果进行方差分析,数据以“平均值标准差”来表示,用Origin 8.0进行数据处理和作图。 2 结果与分析 2.1 不同浓度CO2连续补充下微藻MC-1光合放氧速率的变化 通过连续补充不同浓度CO2气体,将各试验组藻液pH值从起始的10.50依次降为9.50、9.00、8.50、8.00、7.50、700、6.50,并测定各pH值下微藻的光合放氧速率。由图1可见,开始补充CO2气体后,各试验组光合放氧速率均开始回升,pH值从10.50降至8.50这一过程中光合放
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